劉長亮，朱京梅

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

核電廠發(fā)生嚴(yán)重事故后其安全殼內(nèi)的壓力會逐漸升高，在安全殼冷卻系統(tǒng)失效的情況下，最終可能會因超壓而破壞安全殼的完整性，造成放射性物質(zhì)的外泄[1]?！叭A龍一號”安全殼過濾排放系統(tǒng)采用主動(dòng)卸壓方式降低安全殼內(nèi)壓力，從而使安全殼內(nèi)壓力不超過其承載限值，確保安全殼的完整性；同時(shí)為了防止排放氣體對環(huán)境造成放射性危害，在安全殼過濾排放系統(tǒng)的卸壓管線上設(shè)置過濾裝置對排放氣體中的放射性物質(zhì)進(jìn)行過濾。

根據(jù)“華龍一號”堆型對安全殼過濾排放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，開展了系統(tǒng)和設(shè)備的研發(fā)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)工作，本文主要針對關(guān)鍵設(shè)備文丘里水洗器和金屬纖維過濾器的單獨(dú)過濾效率和整體串聯(lián)過濾效率開展了試驗(yàn)研究和分析工作。

1 安全殼過濾排放系統(tǒng)

安全殼過濾排放系統(tǒng)在嚴(yán)重事故后確定需要開啟時(shí)，排放氣體依次通過文丘里水洗器和金屬纖維過濾器進(jìn)行過濾后排入大氣。金屬纖維過濾器下游設(shè)置一個(gè)限流孔板，在較大的系統(tǒng)壓力變化范圍內(nèi)，限流孔板處于臨界流動(dòng)狀態(tài)，系統(tǒng)排放的體積流量基本保持不變，從而保證在排放過程中文丘里水洗器和金屬纖維過濾器內(nèi)部的流速基本恒定，進(jìn)而保證較高的過濾效率。

1.1 文丘里水洗器

文丘里水洗器是安全殼過濾排放系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備之一。需要根據(jù)文丘里管的除塵、除氣以及流動(dòng)性能合理選擇文丘里管數(shù)量，并設(shè)計(jì)最佳的布置方式，保證流量分配均勻和流動(dòng)穩(wěn)定性。根據(jù)系統(tǒng)36 h的運(yùn)行要求，需要綜合考慮系統(tǒng)初始投入運(yùn)行階段和穩(wěn)定運(yùn)行階段的溶液裝量變化規(guī)律，確定溶液初始裝量。根據(jù)溶液初始裝量計(jì)算結(jié)果，再結(jié)合文丘里管布置方式，確定文丘里容器的總?cè)莘e以及外形尺寸。

系統(tǒng)初始溶液裝量需要考慮在12 h排氣過程中，初始階段內(nèi)由于蒸汽冷凝所導(dǎo)致的溶液冷凝量；同時(shí)，還要考慮溶液達(dá)到飽和溫度后，在高溫氣體顯熱和衰變熱的作用下的溶液蒸發(fā)量，再結(jié)合系統(tǒng)效率所要求淹沒深度等要求，以及實(shí)際運(yùn)行過程中液位波動(dòng)和冗余量等因素來確定水裝量。

1.2 金屬纖維過濾器

金屬纖維過濾器是核電廠安全殼過濾排放系統(tǒng)中的第二級過濾設(shè)備，主要用于去除未被文丘里水洗器滯留的微細(xì)氣溶膠和隨氣流攜帶出的微米級霧滴。經(jīng)過金屬纖維過濾器過濾后，可以保證系統(tǒng)在較長的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)具有高效的液滴分離及氣溶膠去除能力。

1.3 系統(tǒng)和設(shè)備設(shè)計(jì)目標(biāo)

針對“華龍一號”機(jī)組，基于NUREG-1465的嚴(yán)重事故源項(xiàng)[2]，計(jì)算得到嚴(yán)重事故24 h時(shí)刻安全殼大氣中的核素質(zhì)量，作為最初的設(shè)計(jì)輸入。NUREG-1465說明，安全殼中的碘95%以氣溶膠狀態(tài)的CsI存在，4.85%為元素碘，僅0.15%為有機(jī)碘。因此系統(tǒng)核心目標(biāo)是氣溶膠過濾效率不小于 99.9%，元素碘過濾效率不小于99%。

2 綜合試驗(yàn)平臺

為了驗(yàn)證文丘里水洗器單獨(dú)的過濾效率以及和金屬纖維過濾器在串聯(lián)工作下的過濾效率，根據(jù)安全殼過濾排放系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，設(shè)計(jì)并建造了安全殼過濾排放系統(tǒng)試驗(yàn)平臺，如圖1所示。

該試驗(yàn)平臺由蒸汽供給系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、文丘里水洗器試驗(yàn)體、金屬纖維過濾器試驗(yàn)體、高性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。為模擬嚴(yán)重事故條件下安全殼內(nèi)的大氣環(huán)境，該系統(tǒng)配備了氣溶膠、碘和有機(jī)碘的配送系統(tǒng)，能夠向試驗(yàn)回路內(nèi)配送一定壓力、濃度的氣溶膠、碘和有機(jī)碘。同時(shí)，該試驗(yàn)平臺還配備了氣溶膠、碘和有機(jī)碘的取樣測量系統(tǒng)，能夠保證過濾設(shè)備前后氣體的取樣和濃度的準(zhǔn)確測量，從而完成文丘里水洗器和金屬纖維過濾器的綜合過濾性能試驗(yàn)。

根據(jù)前期文丘里管流動(dòng)和過濾試驗(yàn)結(jié)果，文丘里管喉部氣速在220 m/s的條件下，其過濾效率最高，綜合性能最優(yōu)[3]。已知額定工況下系統(tǒng)排氣總流量為4 kg/s，計(jì)算所需文丘里管數(shù)量為 36根。36根文丘里管完全一致，且通過設(shè)計(jì)保證流量分配的均勻性，因此選擇一根文丘里管進(jìn)行試驗(yàn)即可，故試驗(yàn)在1/36排放流量條件下進(jìn)行測試。

圖1 安全殼過濾排放系統(tǒng)試驗(yàn)平臺示意圖Fig.1 The flow chart of the test platform for the containment filtration and exhaust system1—空壓機(jī)；2—儲氣罐；3—截止閥；4—電鍋爐；5—截止閥；6—混合罐；7—調(diào)節(jié)閥；8—文丘里水洗器試驗(yàn)樣機(jī)；9—截止閥；10—金屬纖維過濾器試驗(yàn)樣機(jī)；11—截止閥；12—限流孔板

2.1 氣溶膠過濾性能試驗(yàn)

為了驗(yàn)證系統(tǒng)對氣溶膠的過濾性能，需要將氣溶膠樣品配送至試驗(yàn)系統(tǒng)，然后在系統(tǒng)的上下游取樣測量，分析濃度變化計(jì)算過濾效率。

為了滿足不同氣溶膠濃度的測量需求，本試驗(yàn)中系統(tǒng)入口氣溶膠濃度采用濾膜稱重法測量，而出口濃度采用粒子計(jì)數(shù)法測量。以此驗(yàn)證文丘里水洗器和整體過濾排放系統(tǒng)對氣溶膠的過濾效率。

2.2 碘過濾性能試驗(yàn)

為了驗(yàn)證系統(tǒng)對單質(zhì)碘的吸收性能，需要將碘蒸氣配送至試驗(yàn)系統(tǒng)，然后在系統(tǒng)的上下游取樣測量，分析濃度變化計(jì)算吸收效率。

碘檢測系統(tǒng)分別設(shè)置在文丘里水洗器的進(jìn)、出口，用以監(jiān)測進(jìn)、出口碘的濃度，以此驗(yàn)證文丘里水洗器的碘過濾效率。

3 文丘里水洗器樣機(jī)單獨(dú)試驗(yàn)結(jié)果

文丘里水洗器試驗(yàn)樣機(jī)用于測試文丘里水洗器的過濾效率，內(nèi)部安裝有文丘里水洗器的一個(gè)文丘里管樣件，樣件尺寸參數(shù)與原型機(jī)相同，運(yùn)行參數(shù)以及流動(dòng)參數(shù)也與原型機(jī)中所使用的文丘里管相同。

將空氣與蒸汽按照一定配比通入文丘里水洗器試驗(yàn)樣機(jī)，使溶液的溫度升高，并最終穩(wěn)定在相應(yīng)分壓力所對應(yīng)的飽和溫度，然后通過調(diào)節(jié)過濾排放系統(tǒng)出口閥門的開度，來控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行壓力。

在額定入口壓力和溫度條件下，文丘里水洗器樣機(jī)對氣溶膠的過濾效率在 99%以上，滿足水洗器的單級過濾效率要求。

試驗(yàn)中在額定溫度和壓力條件下對文丘里水洗器樣機(jī)的碘吸收效率進(jìn)行測試，碘過濾效率在額定入口參數(shù)條件下，去除效率達(dá)到99.5%以上，滿足過濾排放系統(tǒng)的技術(shù)要求。

4 金屬纖維過濾器樣機(jī)試驗(yàn)方法和結(jié)果

4.1 金屬纖維過濾器的組成

金屬纖維過濾器主要用于去除未被文丘里水洗器滯留的微細(xì)氣溶膠和隨氣流攜帶出的微米級霧滴，要求同時(shí)滿足除濕、除塵和容塵三方面性能要求。經(jīng)過理論分析和初步試驗(yàn)，金屬纖維過濾器采用預(yù)過濾單元和精過濾單元兩級過濾的方式。預(yù)過濾單元主要起除濕和容塵的作用，精過濾單元進(jìn)一步提高過濾效率，以保證能對亞微米級的氣溶膠微粒進(jìn)行有效去除。預(yù)過濾單元選用絲徑為約20 μm的不銹鋼纖維為濾層材料，精過濾單元選用約6 μm的不銹鋼纖維。

4.2 試驗(yàn)方式簡介

除濕性能試驗(yàn)主要采用稱重法測量經(jīng)過被測預(yù)過濾單元時(shí)過濾下來的液體質(zhì)量，將這部分液體質(zhì)量與輸入的總的液體質(zhì)量進(jìn)行比較，就可以獲得預(yù)過濾單元的除濕效率。

在對纖維過濾器容塵性能研究時(shí)，參考目前國內(nèi)外相關(guān)的容塵標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合金屬纖維過濾器的容塵量要求，確定容塵終止條件，并通過試驗(yàn)分析不同絲徑的纖維組合結(jié)構(gòu)及氣溶膠濃度的改變對金屬纖維過濾器容塵量及阻力特性的影響。在此基礎(chǔ)上，確定滿足容塵量技術(shù)指標(biāo)要求的金屬纖維過濾器纖維濾層組合結(jié)構(gòu)。

除塵效率試驗(yàn)采用高效空氣過濾器的性能試驗(yàn)方法，首先對平均粒徑大約0.3 μm的氣溶膠過濾效率開展試驗(yàn)。為了進(jìn)一步提高金屬纖維過濾器的過濾效率，又繼續(xù)開展了對最易穿透粒徑0.1～0.3 μm氣溶膠的過濾效率檢測。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果及說明

本項(xiàng)目研究了不同纖維組合工況下濾層厚度對除濕效率和阻力的影響，以及迎面風(fēng)速變化對除濕效率的影響。通過除濕性能試驗(yàn)篩選，初步確定預(yù)過濾單元的濾層纖維組合。通過容塵性能試驗(yàn)研究，適當(dāng)調(diào)整了預(yù)過濾單元部分濾層的厚度。通過除塵效率試驗(yàn)研究確定精過濾單元的濾層組合。試驗(yàn)結(jié)果表明除濕、容塵和除塵三個(gè)方面的性能均滿足技術(shù)要求。對平均粒徑大于 0.3 μm 氣溶膠的過濾效率可達(dá)到99.7%以上；當(dāng)氣溶膠平均粒徑大于0.5 μm時(shí)，其過濾效率可達(dá)到 99.9%以上；當(dāng)迎面風(fēng)速為0.25 m/s時(shí)，即使在最易穿透粒徑 0.1～0.3 μm的范圍內(nèi)，過濾效率可達(dá)到99.9%以上。

5 水洗液穩(wěn)定性試驗(yàn)

安全殼過濾排放系統(tǒng)采用的是質(zhì)量濃度0.5%的NaOH與0.2%的Na2S2O3的水洗溶液。水洗溶液的熱穩(wěn)定性和輻照穩(wěn)定性是影響水洗效率的關(guān)鍵指標(biāo)。0.5%的 NaOH與 0.2%的Na2S2O3的水洗溶液在常溫下具有很好的穩(wěn)定性。在溶液被加熱到 180 ℃的情況下，水洗溶液放置 15天，除碘能力是新溶液除碘能力的98.9%。將 0.5%NaOH + 0.2%Na2S2O3的標(biāo)準(zhǔn)水洗溶液放入恒溫爐，并將溫度控制在 160 ℃，放入鈷源房中進(jìn)行輻照?！叭A龍一號”堆型嚴(yán)重事故后水洗液可能遭受的輻照累積劑量約為3 × 105Gy，試驗(yàn)表明在累積劑量約 4 × 105Gy時(shí)，水洗液仍然保持著較高的濃度，在高溫下表現(xiàn)出較好的耐輻照性能。

6 整體試驗(yàn)方案和結(jié)果

在串聯(lián)條件下對系統(tǒng)的氣溶膠、碘和有機(jī)碘的過濾性能以及氣溶膠和碘的再懸浮性能進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)中以文丘里管喉部流速和金屬纖維截面表觀流速作為參考量，在設(shè)計(jì)參數(shù)范圍內(nèi)改變系統(tǒng)溫度和壓力，驗(yàn)證不同條件下系統(tǒng)的過濾性能。驗(yàn)證試驗(yàn)分為常溫常壓和高溫高壓兩種工況。

6.1 氣溶膠過濾性能驗(yàn)證

6.1.1氣溶膠過濾效率驗(yàn)證

在常溫空氣介質(zhì)和高溫空氣—水蒸氣介質(zhì)條件下，安全殼過濾排放系統(tǒng)的氣溶膠過濾效率均達(dá)到了99.99%以上。

6.1.2氣溶膠再懸浮率驗(yàn)證

為了研究溶液中氣溶膠的再懸浮特性，試驗(yàn)中采用電加熱的方法來模擬衰變熱功率，并對系統(tǒng)出口的氣體進(jìn)行取樣，測量氣流中氣溶膠的濃度，進(jìn)而獲取氣溶膠的再懸浮率結(jié)果。

根據(jù)三次測量結(jié)果所得濃度的平均值，作為系統(tǒng)靜置過程中再懸浮氣體中的氣溶膠濃度平均值，根據(jù)試驗(yàn)中的加熱功率下液體蒸發(fā)攜帶出氣溶膠的總量，計(jì)算得到氣溶膠的再懸浮率為0.001%，該再懸浮率低于試驗(yàn)技術(shù)要求的懸浮率0.003 4%。

6.2 碘過濾性能驗(yàn)證

6.2.1碘過濾效率驗(yàn)證

文丘里水洗器與金屬纖維過濾器在串聯(lián)條件下對碘的去除效率試驗(yàn)主要包括常溫常壓和高溫高壓兩部分，在文丘里水洗器和金屬纖維過濾器串聯(lián)后碘的過濾效率同樣維持在 99.5%以上。

6.2.2碘再懸浮性能驗(yàn)證

與氣溶膠的再懸浮試驗(yàn)相同，測量氣流中碘的濃度，進(jìn)而獲取碘的再懸浮率結(jié)果。根據(jù)測量結(jié)果，在測量儀器檢測限范圍內(nèi)，出口碘濃度為 0。為了進(jìn)一步保守計(jì)算，假設(shè)出口碘吸收液的吸光度為分光光度計(jì)的檢測限0.001，由此計(jì)算碘的再懸浮率約為 0.06%。該再懸浮率遠(yuǎn)小于試驗(yàn)技術(shù)要求懸浮率0.1%。

7 結(jié)論

針對文丘里容器和金屬纖維過濾器的過濾性能所開展的研究工作表明，試驗(yàn)方法、試驗(yàn)過程合理有效，試驗(yàn)結(jié)果可以接受，設(shè)備的配置和設(shè)計(jì)方案滿足“華龍一號”核電機(jī)組的系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

前期文丘里管流動(dòng)和過濾試驗(yàn)結(jié)果表明文丘里管喉部流速約220 m/s時(shí)，過濾效率最高，綜合性能最優(yōu)。對于金屬纖維過濾器，供貨商按照金屬纖維過濾器規(guī)格書要求進(jìn)行金屬纖維的組合，無需再進(jìn)行性能試驗(yàn)。因此對于下一個(gè)華龍項(xiàng)目而言，僅需要對文丘里管的流速進(jìn)行測量和驗(yàn)證，而不需要再進(jìn)行其他性能試驗(yàn)，測量文丘里管喉部速度是否滿足要求即可。