田 雷，陳文強

(上海核工程研究設計院有限公司，上海 200233)

核電站主控室是核電站正常運行和應急事故工況下的指揮中心，對核電站的運行起著至關(guān)重要的作用。先進壓水堆核電站一般要求在事故工況下主控室應急可居留的時間為30 min或72 h，具體時間根據(jù)堆型設計而定。為了保證運行人員在事故工況下免受輻射危害，主控室需要維持與相鄰區(qū)域的壓差為微正壓，以免放射性物質(zhì)擴散至主控室，但由于空氣渦流等因素的存在，仍會有無過濾空氣(漏入空氣)擴散至主控室，使主控室人員受到輻射傷害，而維持主控室正壓并不能定量的表征主控室的安全特性。隨著國家對核電安全越來越重視，國家核安全局規(guī)定先進的壓水堆核電站都需要對進入主控室的無過濾空氣量進行定量測量，即進行主控室內(nèi)漏率試驗[1-2]，以保證事故工況下主控室人員受到的輻射在可接受范圍內(nèi)。

美國ASTM E741—2011[3]推薦了三種測量空間泄漏率的方法，即：(1)濃度衰減法；(2)恒量注入法；(3)恒定濃度法。根據(jù)相關(guān)論文論證[4-5]，此三種方法均可對主控室的內(nèi)漏率進行測量，綜合對比三種試驗方法的優(yōu)缺點和國內(nèi)相關(guān)行業(yè)借鑒經(jīng)驗[6]，主控室內(nèi)漏率試驗采用恒量注入法進行測量。本文主要針對內(nèi)漏率試驗的原理、試驗過程和問題處理及改進進行研究，對于試驗方法等其他論文已經(jīng)論證過的內(nèi)容不再重復說明。

1 主控室內(nèi)漏率測量基本原理介紹

主控室內(nèi)漏率試驗主要定量測量事故工況下，進入主控室的無過濾空氣量，以保證在設計基準事故下，運行人員受到的輻射在可接受范圍內(nèi)。

主控室通風系統(tǒng)在事故工況下的運行方式如圖1所示。

圖1 事故工況下主控室通風運行方式

正常工況下，新風通過空氣處理機組直接供給主控室，當檢測到高放射性信號時，通風系統(tǒng)自動切換為事故工況運行，新風通過空氣凈化機組去除放射性物質(zhì)并與主控室的回風混合，經(jīng)過空氣處理機組調(diào)節(jié)溫度后供給主控室，同時維持主控室的微正壓環(huán)境。

把主控室、空氣處理機組、空氣凈化機組及其連接風管看成一個整體，對于這個整體，進入的物料為新風和漏入的空氣，排出的物料為漏出的空氣，根據(jù)物料平衡原理，二者相等，其中漏入的空氣主要為渦流帶入作用和系統(tǒng)負壓段進入的空氣。主控室的物料平衡原理如圖2所示。

圖2 主控室物料平衡原理圖

主控室內(nèi)漏率試驗的計算原理如下：

(1)事故工況下，主控室維持恒定的微正壓，根據(jù)物料平衡原理(忽略空氣密度變化)，可以得出：Q漏出=Q新風+Q漏入,因此，Q漏入=Q漏出-Q新風。

(5)因此：主控室內(nèi)漏率

(1)

式中，Q為空氣體積流量，m3/h;Q′為示蹤氣體流量，m3/h;C為示蹤劑體積濃度，ppb(10-9)。

2 主控室內(nèi)漏率測量案例研究

2.1 主控室參數(shù)

試驗核電站主控室的空氣容積為3 810 m3，空氣處理機組、空氣凈化機組連同風管的容積為200 m3，以上兩項的總?cè)莘e為4 010 m3。

2.2 示蹤氣體的選擇

常用的示蹤氣體有氫氣、氦氣、一氧化碳、二氧化碳、六氟化硫、一氧化二氮、乙烷、甲烷、八氟環(huán)丁烷、一溴三氟甲烷、氟利昂-12、二氯四氟甲烷等。

考慮到主控室內(nèi)漏率試驗必須在主控室內(nèi)設備正常運行、人員正?；顒拥那闆r下執(zhí)行，且該試驗要求示蹤氣體分析儀對示蹤氣體有高靈敏度，故示蹤氣體的選取應滿足以下幾方面的要求：無毒、不易燃、惰性氣體、空氣中本底濃度極低、極低濃度時可測量、不易被各種類型的材料吸收、主控室內(nèi)存在的材料不會釋放出此類氣體等。因此，本試驗采用六氟化硫作為試驗用示蹤氣體。

2.3 示蹤劑注入點研究

表1 新風風量測量表

2.4 示蹤劑注入速率研究

(2)

試驗過程中發(fā)現(xiàn)主控室的SF6濃度長時間不能達到平衡，400 min后主控室SF6的濃度仍在持續(xù)增加，試驗時間處于不可控狀態(tài)。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，由于主控室的自由容積達到4 010 m3，如果持續(xù)使用649.40 ppm的注入濃度，平衡時間將大大增加，影響主控室運行人員的正常工作。因此需要改變示蹤劑的初始注入濃度，當達到平衡點附近時，再改為以649.40 ppm的濃度注入，以維持示蹤劑在主控室的平衡狀態(tài)。

經(jīng)過多次試驗不同濃度的注入，選定初始注入濃度為3 000 ppm，47 min后主控室示蹤劑濃度可以達到初步平衡，然后改用649.40 ppm的濃度注入，以使主控室的濃度達到ASTM E741—2011[3]要求的平衡狀態(tài)。采用3 000 ppm初始注入濃度的平衡監(jiān)測曲線如圖3所示。

圖3 恒量注入法主控室平衡監(jiān)測曲線

2.5 平衡判斷研究

對主控室空間進行取樣，以確定濃度的均一性和變化趨勢，但是由于試驗是在主控室正常使用期間進行的，房門開啟無法避免，濃度變化無法絕對趨于零，因此恒量注入法的平衡判定直接采用ASTM E741—2011[3]的標準公式：

(3)

當主控室自由容積內(nèi)部示蹤氣體初始本底濃度為零時，以恒定速率向主控室內(nèi)注入示蹤氣體，主控室自由容積內(nèi)濃度達到95%平衡時間為：

(4)

式中，T95%平衡為達到95%平衡濃度所需時間，h；A為主控室換氣率(根據(jù)主控室人數(shù)確定)，1/h。

試驗初始以3.09SLM的速率向新風管線注入3 000 ppm的示蹤劑，47 min后以同樣的速率切換注入濃度為649.40 ppm的示蹤劑直至試驗結(jié)束，期間每隔20 min取樣測量主控室示蹤劑的濃度。

根據(jù)公式(3)，計算平衡判定的依據(jù)為1.50×10-9，主控室示蹤劑平衡判定表列于表2，示蹤劑平衡監(jiān)測曲線見圖3。

表2 主控室示蹤劑平衡判定表

當主控室示蹤劑濃度達到平衡時，主控室示蹤劑的濃度為79.90 ppb，根據(jù)公式(1)可得主控室的內(nèi)漏率，結(jié)果列于表3。

表3 主控室內(nèi)漏率測試結(jié)果

主控室示蹤劑濃度平衡時，測得機械間的示蹤劑本底濃度為23.78 ppb，通過修正因子修正后的主控室內(nèi)漏率列于表4。

表4 主控室內(nèi)漏率修正結(jié)果

修正后的內(nèi)漏率為38.04 cfm小于驗收標準75 cfm，因此判定本次內(nèi)漏率試驗為合格。

2.6 試驗關(guān)鍵因素研究

本試驗最初內(nèi)漏率試驗并未合格，檢查主控室的門窗和貫穿件，發(fā)現(xiàn)全部密封良好。由于空氣凈化機組、空氣處理機組及其風管也是內(nèi)漏率試驗的邊界，因此將重點放到主控室外系統(tǒng)的檢查。經(jīng)過對整個系統(tǒng)的檢查，發(fā)現(xiàn)影響試驗的關(guān)鍵因素為系統(tǒng)負壓段存在漏點，包括空氣處理機組和風管的負壓段，存在嚴重的泄露，無過濾空氣通過這些負壓段的漏點直接進入主控室，導致主控室的內(nèi)漏率不合格。

檢查整個系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)有如下幾種類型的泄露：

(1)試驗邊界閥門泄露：試驗邊界閥門內(nèi)管道與主控室構(gòu)成試驗空間，邊界閥門為試驗邊界，其是否泄露直接影響試驗結(jié)果。此邊界閥門泄露為設計缺陷，需要更換零泄漏率閥門；

(2)空氣處理機組疏水管道泄露：為設計缺陷，U型管水封高度不夠?qū)е滦孤叮枰黾铀飧叨龋?/p>

(3)空氣處理機組檢修門和面板泄露：為設備缺陷，需要重新打膠密封泄漏點；

(4)風管及其檢修門泄露：為建安缺陷，需要重新做風管的嚴密性試驗，找到漏點并封堵；

(5)系統(tǒng)上儀表管泄露：為建安缺陷，需要重新檢查儀表的安裝質(zhì)量。

經(jīng)過缺陷的整改，再次試驗合格。由于主控室內(nèi)漏率試驗需要每6年執(zhí)行一次，而空氣處理機組的面板是采用密封膠形式密封，6年內(nèi)密封膠是否耐久和開裂是本試驗存在的最大隱患，也是主控室人員可能受到輻射的潛在風險。因此，已建議電站定期檢查空氣處理機組的密封情況或縮短試驗時間，建議廠家對空氣處理機組的密封進行改進，比如采用焊接等方式。

2.7 試驗重現(xiàn)性研究

恒量注入法的理論研究其他論文[4-6]已經(jīng)有所論述，本次應用于主控室內(nèi)漏率試驗，通過試驗的方式進一步證明了其可行性，為了證明試驗結(jié)果的非偶然性，使用不同的儀器和操作人員采用相同的方法再次進行了試驗，如果此試驗具有良好的重現(xiàn)性，則可以在國內(nèi)核電站的新建或改造時推廣使用。

在示蹤劑對主控室的影響消除后，再次進行了主控室內(nèi)漏率試驗，重現(xiàn)性監(jiān)測曲線如圖4所示。

圖4 恒量注入法重現(xiàn)性監(jiān)測曲線

當主控室示蹤劑濃度達到平衡時，主控室示蹤劑的濃度為91.35 ppb，根據(jù)公式(1)可計算主控室的內(nèi)漏率，修正因子修正后的測試結(jié)果列于表5。

表5 重現(xiàn)試驗內(nèi)漏率修正結(jié)果

修正后的內(nèi)漏率為29.01 cfm，兩次試驗結(jié)果都遠小于驗收準則75 cfm，證明恒量注入法有很好的重現(xiàn)性，可以在核電站主控室內(nèi)漏率試驗時推廣使用。

3 結(jié)論

本文通過恒量注入法在核電站主控室內(nèi)漏率試驗中的應用研究，使該方法從紙面走向?qū)嶋H應用，并取得了良好的試驗效果，針對試驗中存在的問題，優(yōu)化了試驗方法并解決了設計和建安中存在的問題，為后續(xù)核電站主控室內(nèi)漏率試驗提供了良好的經(jīng)驗，具有推廣價值。本試驗采用的恒量注入法只是三種試驗方法中的一種，期待后續(xù)能夠?qū)⑵渌椒☉玫皆囼炛校蜷_發(fā)新的試驗方法，以便通過實際試驗的方式比較各方法的優(yōu)劣。