核空氣凈化裝置的輻射防護設(shè)計

郭創(chuàng)成,唐 輝,丘錦萌,王 沖,楊 莉,張 欣

(華龍國際核電技術(shù)有限公司,北京 100037)

核設(shè)施在運行過程中會產(chǎn)生放射性裂變物質(zhì),一些裂變物質(zhì)會因設(shè)備或管道泄漏而進入周圍廠房,使廠房空氣中含有放射性氣溶膠和放射性氣體,一般統(tǒng)稱這些放射性物質(zhì)為氣載放射性污染物。為了保護工作人員和周圍居民的健康和環(huán)境安全,需要在核設(shè)施廠房的通風系統(tǒng)中設(shè)置核空氣凈化裝置,對氣載放射性物質(zhì)進行過濾凈化,符合排放要求后排入環(huán)境?？梢?核空氣凈化裝置運行是否可靠,既涉及周邊人員健康及環(huán)境安全,也涉及工作人員職業(yè)照射安全。在設(shè)計核空氣凈化裝置時,需仔細考慮其輻射防護功能,在滿足工藝運行需求的同時,也要滿足輻射防護的相關(guān)要求,并努力實現(xiàn)輻射防護最優(yōu)化。設(shè)計實踐中,由于一些輻射防護設(shè)計要求不像工藝運行需求那么直接,實際設(shè)計時容易被忽略,特別是與輻射防護最優(yōu)化相關(guān)的因素,在設(shè)計實踐中出現(xiàn)過考慮不充分的情況。如一些核設(shè)施核空氣凈化裝置過濾器排架布置過高,導致安裝和更換過濾器困難。過濾器性能試驗通道未給予充分考慮,導致試驗設(shè)備難以接近試驗現(xiàn)場,造成后續(xù)的性能試驗完成困難。碘吸附器上游未設(shè)置電加熱器,導致碘吸附器易因氣流濕度高而過早失效等。

核空氣凈化裝置的輻射防護設(shè)計貫穿于整個設(shè)計過程,涉及多方面因素。需要設(shè)計者對每個因素逐一仔細分析,將每一項輻射防護要求加以落實,形成安全有效運行可靠的核通風系統(tǒng)。本文參照NB/T 20038—2011《核空氣和氣體處理規(guī)范 設(shè)計和制造通用要求》[1],NB/T 20252—2013《壓水堆核電廠專設(shè)安全設(shè)施空氣凈化裝置設(shè)計準則》[2],NB/T 20251—2013《壓水堆核電廠正?？諝鈨艋b置設(shè)計準則》[3],ASME N509—2002《Nuclear Power Plant Air-Cleaning Units and Components》[4]等國內(nèi)外相關(guān)標準,結(jié)合工作實踐,對核空氣凈化裝置設(shè)計中有關(guān)輻射防護方面需要考慮的因素進行了綜合、甄別和總結(jié),形成一份核空氣凈化裝置輻射防護設(shè)計過程控制表,用于幫助設(shè)計人員更好地完成相關(guān)的設(shè)計工作。設(shè)計過程中,通過逐項簽署該確認表,確保各項輻射防護要求得到有效落實,避免出現(xiàn)遺漏和考慮因素不完善的情況。

1 部件選擇

核空氣凈化裝置部件通常包括預過濾器、高效過濾器、碘吸附器、除霧器、加熱器和后置過濾器等。從輻射防護設(shè)計角度考慮,這些部件的選擇要求如下:

(a)預過濾器:預過濾器用于去除大顆粒物質(zhì),對安裝在其后的高效過濾器提供保護。如果核空氣凈化裝置處理的氣體粒子濃度和粒徑分布可能導致高效過濾器過早失效,則應選擇使用預過濾器。一般情況下,當進入空氣凈化裝置的空氣含塵量超過2 mg/m3時,應考慮設(shè)置預過濾器,當空氣含塵量超過20 mg/m3時,必須設(shè)置預過濾器。即使不是上述情況,由于預過濾器價格便宜,占用空間小,仍建議配備預過濾器,以提高高效過濾器的使用壽命,增強過濾放射性物質(zhì)的可靠性。

(b)高效過濾器:高效過濾器用于去除輻射事故時彌散到廠房環(huán)境中的放射性氣溶膠物質(zhì),需選用耐輻照和在其它極端事故條件下能可靠運行的高效過濾器對廠房空氣進行過濾,確保廠房內(nèi)空氣在排出前得到凈化。

(c)碘吸附器:碘吸附器用于去除輻射事故時泄漏到廠房環(huán)境中的氣態(tài)放射性碘和碘化物,需選用耐輻照和在其它極端事故條件下能可靠運行的碘吸附器對廠房空氣進行過濾,確保廠房內(nèi)空氣在排出前得到凈化。

(d)除霧器:除霧器用于去除進入核空氣凈化裝置氣流中的水滴,防止水汽在核空氣凈化部件表面冷凝,形成可能污染墻壁或地面的放射性污水。當氣流中水滴含量大于0.45 kg/m3時,需選擇使用。

(e)加熱器:加熱器用于降低氣流的相對濕度,滿足碘吸附器正常使用的空氣條件。對不受外界氣象條件影響的核空氣處理系統(tǒng),當發(fā)生事故可能導致進入核空氣凈化裝置的氣流相對濕度超過70%一個小時以上時,應當使用加熱器。對于與外界連通的核空氣處理系統(tǒng),當基于一定概率的氣象條件下通過碘吸附器的氣流相對濕度超過70%時,要求使用加熱器。

(f)后置過濾器:后置過濾器用于截留碘吸附器可能脫落的已吸附放射性物質(zhì)的炭屑。專設(shè)安全設(shè)施空氣凈化裝置中的碘吸附器后需安裝后置過濾器,以防止將不可忽略的放射性炭屑排入環(huán)境。在非專設(shè)安全設(shè)施空氣凈化裝置中,為防止將不可接受的炭屑帶入可居留空間,也需要安裝后置過濾器。

2 材料選擇

核空氣凈化裝置輻射防護功能的實現(xiàn)基于其組成部件的運行可靠性和設(shè)計合理性,要求其部件的制作材料應能在確定的環(huán)境條件下(溫度、相對濕度、壓力、輻射等)運行,且不易產(chǎn)生易燃物和污染物,不會因腐蝕和老化而導致部件在設(shè)計壽期內(nèi)喪失功能。輻照是核空氣凈化裝置部件材料面臨的特殊環(huán)境,尤其是橡膠、塑料等有機材料,易因輻照而老化、性能降低,嚴重的會導致開裂、脫落現(xiàn)象產(chǎn)生,造成污染物質(zhì)泄漏,選擇材料時應注意確保其耐輻照性能滿足使用需求。

3 設(shè)備布置

設(shè)備布置是否合理涉及氣流流向和污染氣體泄漏方向的合理性以及壓力邊界范圍大小是否合適等與輻射防護密切相關(guān)的問題,對核空氣凈化裝置輻射防護功能的發(fā)揮十分關(guān)鍵。核空氣凈化裝置應布置在低輻照區(qū)內(nèi),當必須布置在高輻照區(qū)時,在輻射源和空氣凈化裝置之間,應采取適當?shù)妮椛淦帘未胧?。設(shè)備布置應使氣流從低污染區(qū)向高污染區(qū)流動,可能的話,盡量避免污染空氣經(jīng)過清潔區(qū)。

3.1 一次通過系統(tǒng)的設(shè)備布置

(a)輸送污染氣體的管道經(jīng)過清潔區(qū)時相對清潔區(qū)應維持負壓,防止污染氣體從管道內(nèi)向周圍清潔區(qū)泄漏。

(b)布置于清潔區(qū)的空氣凈化裝置,其排風機應安裝在凈化裝置下游以保持凈化裝置內(nèi)為負壓,防止污染氣體從風機軸承處向清潔區(qū)泄漏。

(c)布置在污染區(qū)的空氣凈化裝置,應將風機安裝在空氣凈化裝置上游,以防止污染空氣通過風機軸滲入風管,或者旁通直接進入空氣凈化裝置過濾器下游的風管。

(d)通過清潔區(qū)的正壓排風管長度應盡量短,以避免管道向外部的泄漏引起對工作人員的輻射照射。

3.2 循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)備布置

(a)如果空氣凈化裝置布置在所服務區(qū)域外的清潔區(qū),風機應安裝在空氣凈化裝置下游。

(b)如果空氣凈化裝置全部安裝在所服務區(qū)域內(nèi),則風機可以安裝在其上游,也可以在下游。

(c)布置在服務區(qū)域外部的風管應盡可能短。

3.3 可居留系統(tǒng)的設(shè)備布置

(a)在事故情況下可能輸送放射性空氣的通過清潔區(qū)的風管應相對該區(qū)域保持負壓。

(b)位于空氣凈化裝置下游為可居留區(qū)提供服務的負壓風管應避免布置于可居留區(qū)域之外,以免風管外部的不干凈空氣泄漏進風管內(nèi),影響可居留區(qū)的可居留性。

(c)風機的布置

(1)如果空氣凈化裝置布置于污染區(qū),風機應安裝在其上游。

(2)如果空氣凈化裝置布置于清潔區(qū),風機應安裝在其下游。

(d)可居留區(qū)外部的正壓風管的長度應盡量短以減小風管泄漏對可居留區(qū)內(nèi)相對正壓的影響。

(e)可居留區(qū)外布置的風管、風機、凈化機組應具有氣密性。

(f)可居留區(qū)壓力邊界隔離的風閥應采用密封等級高的閥門。

4 操作、試驗和維修的便利性

核空氣凈化裝置操作、試驗和維修的便利性既是一般操作和維修工作的需要,更是縮短工作時間,降低集體輻射劑量,實現(xiàn)輻射防護ALARA原則的要求,因此,應從設(shè)計上認真加以考慮,具體要求如下:

(a)單個凈化裝置的風量不應過高,以不超過 50 000 m3/h 為宜,對于風量大的系統(tǒng),可以并聯(lián)設(shè)置幾個凈化裝置。單個裝置內(nèi)布置凈化設(shè)備的高度要考慮人員可方便安裝和更換過濾器,以不超過2 m為宜。如必須超高布置,要設(shè)置永久性的平臺通道。布置凈化設(shè)備寬度應不超過 10 個標準高效空氣過濾器的總寬度。

(b)凈化裝置應盡可能做成整體的,必要時可以整體更換或暫時封閉,待放射性水平降低后再作處理。

(c)需要人員進入的凈化裝置應安裝在地面上,如必須安裝在高處,則應配備至少1.2 m寬的固定上下階梯。

(d)體積較小的裝置應安裝在高于地面的適當高度位置上,便于人員接近。

(e)應有足夠?qū)挼臒o遮擋通道通向布置凈化裝置的區(qū)域,以便工作人員前往進行部件和設(shè)備維修。

(f)過濾器箱體(或房間)門或人孔周圍處應有足夠?qū)挼目盏匾蚤_展部件維修工作?？臻g宜不小于1.2 m寬×2 m高。如果情況允許,維修空地同時也可以作為走廊,或與相鄰空氣凈化裝置共用。

(g)過濾器箱體(或房間)上面宜至少留0.5 m高的空間以便進行安裝和檢查。

(h)必要時設(shè)置高架工作通道。

(i)對需周期性清潔的風管應在關(guān)鍵點配備人孔。

(j)凈化裝置內(nèi)部安裝排架之間應提供最小1 m寬度的空間。如果要在安裝排架間更換部件,那么排架之間的距離至少應為部件最大抽出長度加1 m。確定維修空間時,還應考慮方便試驗設(shè)備的安裝和操作。

(k)應在裝置附近留有方便使用的水、電、壓縮空氣接頭。

5 吸附劑降溫和防火

碘吸附器可能因前端加熱器運行異?；蛭椒派湫晕镔|(zhì)后因放射性物質(zhì)衰變而溫度升高,過高的溫度可能引起吸附劑自燃,導致碘吸附器失效甚至放射性物質(zhì)泄漏。應采取適當措施為吸附劑降溫,如小流量通風冷卻、水噴淋滅火、密閉隔斷碘吸附器排并注入滅火氣體等。限制吸附床溫度不超過150 ℃,以防止發(fā)生明顯的碘解吸。為碘吸附器配備的滅火連接設(shè)施應設(shè)在核空氣凈化裝置所在房間外部,方便工作人員執(zhí)行連接操作。

6 壓力邊界泄漏控制

壓力邊界泄漏狀況與輻射防護密切相關(guān),放射性物質(zhì)從核空氣凈化裝置外部漏入其內(nèi)部或從其內(nèi)部漏出到外部會有如下影響:

(a)影響控制室的可居留性;

(b)污染物外漏至清潔區(qū)時,對工作人員形成輻射照射;

(c)在污染區(qū)的內(nèi)漏可能妨礙核空氣凈化裝置功能的發(fā)揮,造成對電站工作人員的照射;

(d)對核設(shè)施周圍生活的人群形成照射。

應基于輻射防護的要求確定核空氣凈化裝置壓力邊界的最大允許泄漏率。根據(jù)放射性源項計算結(jié)果,通常將室內(nèi)環(huán)境放射性物質(zhì)的濃度控制在不超過最大允許濃度的三分之一,以此來計算確定房間的通風量和通風管道的允許泄漏量。

7 設(shè)計過程控制表

基于上述分析和總結(jié),建立了核空氣凈化裝置輻射防護設(shè)計過程控制表(表1)。實際設(shè)計工作中,設(shè)計人員通過逐項檢查簽署完成該控制表,確保所有與核空氣凈化裝置輻射防護設(shè)計有關(guān)的因素已充分考慮并落實,為后續(xù)裝置的安全運行提供保障。

表1 核空氣凈化裝置輻射防護設(shè)計過程控制表