李曉庚

摘 要：安全殼是核反應(yīng)堆的第三道安全屏障，外形為帶圓穹頂?shù)膱A柱形筒體，自由容積達(dá)5萬立方米，屬于大型容器設(shè)備，由于安全殼結(jié)構(gòu)上貫穿件數(shù)量眾多加之混凝土氣孔和裂縫的泄漏客觀存在，核反應(yīng)堆正常運(yùn)行期間需實(shí)時監(jiān)測安全殼內(nèi)氣體泄漏率，以確保泄漏率在限值內(nèi)。文章簡要介紹M310型核反應(yīng)堆運(yùn)行期間監(jiān)測安全殼泄漏率的計(jì)算模型和方法，分析特殊情況下泄漏率曲線的處理，證明了安全殼泄漏率計(jì)算系統(tǒng)設(shè)置的合理、有效。

關(guān)鍵詞：安全屏障 容器設(shè)備 泄漏率 計(jì)算模型

中圖分類號：TL48 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）12（c）-0153-02

1 安全殼泄漏率計(jì)算模型

安全殼是帶有鋼襯里的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，作為核電廠防止放射性物質(zhì)外泄的最后一道實(shí)體屏障，在功率運(yùn)行期間實(shí)時監(jiān)測其泄漏率顯得尤為重要。目前國內(nèi)外M310型核電機(jī)組多數(shù)安裝由法國EDF/DTG開發(fā)的安全殼泄漏率在線監(jiān)測系統(tǒng)的第二代產(chǎn)品（SEXTEN2）[1]或由中核控制自主研發(fā)的EPP系統(tǒng)，兩者的計(jì)算基本原理一致，均將安全殼內(nèi)的氣體近似的認(rèn)為是理想氣體，根據(jù)波義爾定律及查理定律，安全殼內(nèi)的氣體遵守規(guī)律。即用理想氣體狀態(tài)方程來計(jì)算整個安全殼內(nèi)總氣體質(zhì)量的變化率。[2]圖1為安全殼內(nèi)的氣體質(zhì)量平衡原理圖。

由圖1可知，故安全殼每日的平均泄漏率，可從現(xiàn)場安裝的儀表SAR001MD實(shí)時監(jiān)測和讀取，而對的計(jì)算可根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程轉(zhuǎn)化為濕空氣標(biāo)準(zhǔn)體積變化的求解，就是曲線的斜率。

2 計(jì)算方法

2.1 數(shù)據(jù)的采集及處理

溫度、濕度、壓力和流量測量數(shù)據(jù)是每半小時內(nèi)不斷的采集數(shù)據(jù)，1 s內(nèi)采集不低于10次，取半小時采集數(shù)據(jù)的平均值作為測量值，并計(jì)算一次安全殼內(nèi)平均溫度、平均濕度、安全殼內(nèi)平均壓力和平均流量，通過大量采集數(shù)據(jù)的均值濾波，保證了每次所采集到數(shù)據(jù)的有效性，每次采集到的和計(jì)算出的上述參數(shù)立即提交計(jì)算程序進(jìn)行安全殼內(nèi)濕空氣標(biāo)準(zhǔn)體積的變化的計(jì)算。

2.2 計(jì)算方法

2.2.1 干空氣標(biāo)準(zhǔn)體積VNS計(jì)算

干空氣標(biāo)準(zhǔn)體積是在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（即溫度TN=273.15K，壓力PN=1.01315×105Pa）下氣體的體積。由理想氣體狀態(tài)方程可推算出質(zhì)量為m的理想氣體所占的標(biāo)準(zhǔn)體積：

（其中，R為理想氣體常數(shù)，是所求氣體的摩爾質(zhì)量（為常數(shù)））。所以標(biāo)準(zhǔn)體積反映的就是氣體的質(zhì)量。因此質(zhì)量泄漏率Ql可由標(biāo)準(zhǔn)體積泄漏率來表示：

（其中：VNS表示干空氣的標(biāo)準(zhǔn)體積）

故有：

代表任一時刻安全殼內(nèi)的干空氣質(zhì)量在剔除SAR流量后相對t0時刻的變化量，其物理意義是在t時刻通過泄漏進(jìn)入或溢出安全殼的干空氣質(zhì)量，而實(shí)際的泄漏不可能完全是干空氣，為了得到更為精確的數(shù)值，需要對進(jìn)行濕度修正。

2.2.2 干-濕空氣標(biāo)準(zhǔn)體積轉(zhuǎn)換計(jì)算

安全殼內(nèi)的氣體可以看成是由空氣和水蒸氣兩種理想氣體組成的混合氣體，由道爾頓氣體分壓原理有，其中、分別表示干空氣和飽和水蒸氣分別單獨(dú)充滿安全殼時形成的分壓，結(jié)合理想氣體狀態(tài)方程可推算出干-濕空氣標(biāo)準(zhǔn)體積轉(zhuǎn)換公式：

式中：為安全殼內(nèi)濕空氣的標(biāo)準(zhǔn)體積；為對應(yīng)的水蒸氣飽和壓力。

2.2.3 安全殼泄漏率計(jì)算

在任一時刻t通過泄漏交換的濕空氣總量等于經(jīng)過濕度修正的交換干空氣總量。根據(jù)干-濕空氣標(biāo)準(zhǔn)體積轉(zhuǎn)換公式可得到t時刻由泄漏引起的濕空氣變化為：

每半小時計(jì)算一次，理論上一天得到48個坐標(biāo)點(diǎn)（，），通過線性回歸的方法得到當(dāng)天的濕空氣標(biāo)準(zhǔn)體積變化曲線，曲線的斜率即為當(dāng)天安全殼的泄漏率，如圖2所示。

2.3 特殊情況下泄漏率曲線的處理

在核反應(yīng)堆功率運(yùn)行期間，由于運(yùn)行瞬態(tài)及ETY系統(tǒng)排放等因素的存在，安全殼內(nèi)的氣體狀態(tài)不可能每天都保持平穩(wěn)狀態(tài)，導(dǎo)致曲線不平滑，誤差較大，進(jìn)而導(dǎo)致計(jì)算出的斜率不具真實(shí)性。如何識別并剔除這些因素的影響精準(zhǔn)的計(jì)算出泄漏率是從系統(tǒng)設(shè)計(jì)到實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵，所以特殊情況下，需要對曲線進(jìn)行分段處理。

2.3.1 一天內(nèi)曲線斜率的改變

如圖3所示，在一天里，由于可能的泄漏消除，曲線的斜率將在泄漏消除后開始變化，如果不進(jìn)行分段處理，計(jì)算出的泄漏率為3 ，如果分段處理，計(jì)算出的結(jié)果為泄漏消除前泄漏率為7 ，泄漏消除后泄漏率為0.9 。顯然，不分段處理得到的泄漏率是失真的，所以要剔除數(shù)據(jù)點(diǎn)，對曲線進(jìn)行分段處理，分段的原則是：選擇分段點(diǎn)，使所分的兩段的泄漏率誤差都小于剔除限值。在這一天里應(yīng)選擇誤差小的值作為這一天的泄漏率數(shù)據(jù)。同時給出斜率變化的時刻，便于技術(shù)人員查找引起這個變化的操作。

2.3.2 曲線的跳躍

在沒有任何泄漏變化的情況下，曲線也可能發(fā)生跳躍，例如在運(yùn)行瞬態(tài)和溫度瞬態(tài)期間。如果全天用一條曲線進(jìn)行泄漏率計(jì)算，其結(jié)果必定失真。系統(tǒng)需根據(jù)分段原則將這一天分成兩段來計(jì)算，這種情況下可得出兩個結(jié)果相近的泄漏率值，它們的不確定度相對很小，選擇任意一個值作為該天的泄漏率數(shù)據(jù)。

2.3.3 ETY排放

當(dāng)安全殼內(nèi)壓力過高時需進(jìn)行ETY排放操作，安全殼內(nèi)壓快速下降是其最明顯的特點(diǎn)，并伴隨以下特征：

（1）排放前階段：由于過壓，安全殼空氣向外泄漏，曲線具有負(fù)的斜率。

（2）排放過程中：伴隨排放，安全殼內(nèi)空氣質(zhì)量減少明顯。

（3）排放后階段：由于負(fù)壓，空氣從外界返回安全殼，曲線具有正的斜率。

在ETY排放日，曲線明顯的分為三個階段，計(jì)算系統(tǒng)探測是否是ETY排放的準(zhǔn)則為在4 h內(nèi)安全殼內(nèi)壓力降低3 kPa，則認(rèn)為ETY系統(tǒng)排放。如確認(rèn)為排放則將排放日分成三段（排放前、排放和排放后），排放期間測量的數(shù)據(jù)在計(jì)算中不考慮，分別計(jì)算排放前和排放后的泄漏率數(shù)值，選擇偏差相對較小的一組數(shù)據(jù)作為該日的泄漏率。但事實(shí)上，如果泄漏條件相同，這兩組數(shù)據(jù)都是有準(zhǔn)確且有意義的。

3 結(jié)語

通過上述對核電站安全殼泄漏率計(jì)算模型及方法的介紹，可得出以下結(jié)論：

核電站設(shè)置的安全殼泄漏率計(jì)算系統(tǒng)使第三道安全屏障的完整性處于實(shí)時監(jiān)測中。

泄漏率計(jì)算系統(tǒng)對運(yùn)行瞬態(tài)及ETY系統(tǒng)排放等因素對計(jì)算精度的影響進(jìn)行了優(yōu)化，完全可以保證泄漏率計(jì)算數(shù)據(jù)的精確性，計(jì)算系統(tǒng)的設(shè)置是合理有效的。

參考文獻(xiàn)

[1] 王海衛(wèi)，時朝杰，楊剛，等.安全殼泄漏率在線監(jiān)測系統(tǒng)在秦山第二核電廠的應(yīng)用及改進(jìn)[J].核動力工程，2013，34（3）：129.

[2] 陳亮，蘇國權(quán)，孫瑜，等.核電站安全殼泄漏率在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中國儀器儀表，2016（2）：68.