核電站安全殼泄漏率計算模型與分析

李曉庚

摘 要：安全殼是核反應堆的第三道安全屏障，外形為帶圓穹頂的圓柱形筒體，自由容積達5萬立方米，屬于大型容器設備，由于安全殼結構上貫穿件數量眾多加之混凝土氣孔和裂縫的泄漏客觀存在，核反應堆正常運行期間需實時監測安全殼內氣體泄漏率，以確保泄漏率在限值內。文章簡要介紹M310型核反應堆運行期間監測安全殼泄漏率的計算模型和方法，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算系統設置的合理、有效。

關鍵詞：安全屏障 容器設備 泄漏率 計算模型

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

1 安全殼泄漏率計算模型

安全殼是帶有鋼襯里的預應力鋼筋混凝土結構，作為核電廠防止放射性物質外泄的最后一道實體屏障，在功率運行期間實時監測其泄漏率顯得尤為重要。目前國內外M310型核電機組多數安裝由法國EDF/DTG開發的安全殼泄漏率在線監測系統的第二代產品（SEXTEN2）[1]或由中核控制自主研發的EPP系統，兩者的計算基本原理一致，均將安全殼內的氣體近似的認為是理想氣體，根據波義爾定律及查理定律，安全殼內的氣體遵守規律。即用理想氣體狀態方程來計算整個安全殼內總氣體質量的變化率。[2]圖1為安全殼內的氣體質量平衡原理圖。

由圖1可知，故安全殼每日的平均泄漏率，可從現場安裝的儀表SAR001MD實時監測和讀取，而對的計算可根據理想氣體狀態方程轉化為濕空氣標準體積變化的求解，就是曲線的斜率。

2 計算方法

2.1 數據的采集及處理

溫度、濕度、壓力和流量測量數據是每半小時內不斷的采集數據，1 s內采集不低于10次，取半小時采集數據的平均值作為測量值，并計算一次安全殼內平均溫度、平均濕度、安全殼內平均壓力和平均流量，通過大量采集數據的均值濾波，保證了每次所采集到數據的有效性，每次采集到的和計算出的上述參數立即提交計算程序進行安全殼內濕空氣標準體積的變化的計算。

2.2 計算方法

2.2.1 干空氣標準體積VNS計算

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

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

（其中：VNS表示干空氣的標準體積）

故有：

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

2.2.2 干-濕空氣標準體積轉換計算

安全殼內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充滿安全殼時形成的分壓，結合理想氣體狀態方程可推算出干-濕空氣標準體積轉換公式：

式中：為安全殼內濕空氣的標準體積；為對應的水蒸氣飽和壓力。

2.2.3 安全殼泄漏率計算

在任一時刻t通過泄漏交換的濕空氣總量等于經過濕度修正的交換干空氣總量。根據干-濕空氣標準體積轉換公式可得到t時刻由泄漏引起的濕空氣變化為：

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

2.3 特殊情況下泄漏率曲線的處理

在核反應堆功率運行期間，由于運行瞬態及ETY系統排放等因素的存在，安全殼內的氣體狀態不可能每天都保持平穩狀態，導致曲線不平滑，誤差較大，進而導致計算出的斜率不具真實性。如何識別并剔除這些因素的影響精準的計算出泄漏率是從系統設計到實際應用的關鍵，所以特殊情況下，需要對曲線進行分段處理。

2.3.1 一天內曲線斜率的改變

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，如果不進行分段處理，計算出的泄漏率為3 ，如果分段處理，計算出的結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，所以要剔除數據點，對曲線進行分段處理，分段的原則是：選擇分段點，使所分的兩段的泄漏率誤差都小于剔除限值。在這一天里應選擇誤差小的值作為這一天的泄漏率數據。同時給出斜率變化的時刻，便于技術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，曲線也可能發生跳躍，例如在運行瞬態和溫度瞬態期間。如果全天用一條曲線進行泄漏率計算，其結果必定失真。系統需根據分段原則將這一天分成兩段來計算，這種情況下可得出兩個結果相近的泄漏率值，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據。

2.3.3 ETY排放

當安全殼內壓力過高時需進行ETY排放操作，安全殼內壓快速下降是其最明顯的特點，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，曲線具有負的斜率。

（2）排放過程中：伴隨排放，安全殼內空氣質量減少明顯。

（3）排放后階段：由于負壓，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，計算系統探測是否是ETY排放的準則為在4 h內安全殼內壓力降低3 kPa，則認為ETY系統排放。如確認為排放則將排放日分成三段（排放前、排放和排放后），排放期間測量的數據在計算中不考慮，分別計算排放前和排放后的泄漏率數值，選擇偏差相對較小的一組數據作為該日的泄漏率。但事實上，如果泄漏條件相同，這兩組數據都是有準確且有意義的。

3 結語

通過上述對核電站安全殼泄漏率計算模型及方法的介紹，可得出以下結論：

核電站設置的安全殼泄漏率計算系統使第三道安全屏障的完整性處于實時監測中。

泄漏率計算系統對運行瞬態及ETY系統排放等因素對計算精度的影響進行了優化，完全可以保證泄漏率計算數據的精確性，計算系統的設置是合理有效的。

參考文獻

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

[2] 陳亮，蘇國權，孫瑜，等.核電站安全殼泄漏率在線監測系統硬件設計與實現[J].中國儀器儀表，2016（2）：68.