安全殼過濾排放系統(tǒng)專利技術(shù)綜述

周桂芳

摘 要：核電站安全殼過濾排放系統(tǒng)（Containment Filtration and Exhaust System）是防止放射性產(chǎn)物釋放到環(huán)境中的最后一道屏障，它的完整性對環(huán)境保護(hù)具有相當(dāng)大的作用。本文對CFES專利申請從申請量、區(qū)域分布、技術(shù)主題和主要申請人等方面進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：安全殼；卸壓；過濾

當(dāng)發(fā)生堆芯熔融事故后，堆芯熔融物與水及混凝土底板發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生大量的不凝結(jié)氣體，使安全殼內(nèi)壓力升高，若達(dá)到安全殼壓力承載限值，會(huì)導(dǎo)致放射性物質(zhì)逸出。對此，核電站配有安全殼過濾排放系統(tǒng)，通過主動(dòng)卸壓使安全殼內(nèi)壓力不超過承載限值，同時(shí)在卸壓管線上安裝過濾系統(tǒng)和輻射監(jiān)測系統(tǒng)。

一、數(shù)據(jù)庫選擇和檢索

為了解安全殼過濾排放系統(tǒng)的專利申請狀況，在CNABS、VEN檢索獲得統(tǒng)計(jì)分析的樣本。檢索關(guān)鍵詞為：安全殼，containment；過濾，水洗，洗滌，凈化，filter，filtration，scrubbing，wash，purify；排放，排氣，exhaust，discharge，vent；泄壓，卸壓，降壓， pressure release， pressure relief。檢索分類號為G21C、G21D、G21F。

二、技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

安全殼過濾器排放系統(tǒng)大致歷經(jīng)了三個(gè)階段：砂床過濾排放，金屬纖維過濾排放，濕式過濾排放。

1.申請量趨勢

年度申請量如圖1所示，從1958年至1981年全球申請量徘徊在較低水平，年均不到20件；經(jīng)過前期數(shù)十年的技術(shù)積累，1981年之后迎來一個(gè)短暫的申請量增長期，至1993年達(dá)到一個(gè)小高峰，為67件；從1993年之后，盡管全球申請量在1999年至2011年有一個(gè)小回落，但仍然呈現(xiàn)緩慢增長的趨勢，尤其是2012年至今申請量陡增，這主要得益于中國近年來重視知識產(chǎn)權(quán)的投入。

2.區(qū)域分布

申請量區(qū)域分布如圖2所示，日本申請量為174件，占比53.5%，這一點(diǎn)也可從表1看出。位居其次的是美國和中國，二者總申請量不相上下。盡管最早在核電站采用安全殼過濾器的是法國：砂床過濾器，但是其專利申請量卻位居第四，且集中在早期。同樣，金屬纖維過濾器的最早開發(fā)者和使用者均屬于德國，該方面的專利申請量仍增長不足。

3.技術(shù)主題分析

安全殼過濾排放系統(tǒng)主要部件為過濾器，因此其大部分申請是過濾器本體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。其次，經(jīng)過過濾器的放射性氣體需要經(jīng)過放射性活度監(jiān)測達(dá)標(biāo)后才可排放至大氣，該系統(tǒng)的主要功能是為安全殼卸壓，因此樣本中涉及有放射性活度監(jiān)測、安全殼卸壓策略、預(yù)防氫氣爆炸以及放射性物質(zhì)的過濾方式等技術(shù)主題，下面分別就以上幾個(gè)方面對有關(guān)安全殼過濾系統(tǒng)的專利申請進(jìn)行分析。

（1）過濾器本體改造

在過濾器本體結(jié)構(gòu)改造的專利申請中，大多集中在濕式過濾排放系統(tǒng)，例如其需不間斷地向過濾器容器中添加濾碘溶液，如DE102013205524A1、US2006/0188055A1；例如增大放射性氣體與濾碘溶液的接觸面積，以使二者充分混合，提高過濾效率，如CN104412328A將文丘里管的噴嘴設(shè)計(jì)為V型；安全殼過濾排放系統(tǒng)還肩負(fù)著排出放射性氣體的衰變熱的功能，如CN103111211A中將從安全殼排出的氣體首先通過浸沒在冷卻池中的螺旋型的紫銅管移除衰變熱，然后再進(jìn)入過濾器；過濾器中的金屬纖維需要定期更換，而金屬纖維中聚集大量放射性物質(zhì)，因此更換金屬纖維會(huì)使工作人員遭受輻照，CN203750313U提出的過濾器裝配簡單省時(shí)，減少了工作人員受輻照的時(shí)間。

（2）放射性物質(zhì)活度監(jiān)測

經(jīng)過過濾器的放射性氣體在排放到大氣之前，需要測量其放射性活度，以確保不會(huì)造成環(huán)境污染。排入大氣的氣體中含有的放射性元素包括131Xe、90Sr、137Cs、131I等，上述放射性核素會(huì)對人體器官造成傷害。因此，需要嚴(yán)格監(jiān)測排入大氣的氣體放射性活度。有關(guān)核素放射性活度監(jiān)測方式的專利申請主要集中在提高監(jiān)測的精度及監(jiān)測效率上，如DE102013207595B3、DE0523396A1及CN203338771U中所述。

（3）卸壓策略

需要合理設(shè)計(jì)安全殼排放系統(tǒng)的啟動(dòng)壓力，以確保安全殼失效概率很低；在確保安全殼失效概率很低的前提下，又需要推遲安全殼過濾排放系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間，以減少放射性物質(zhì)釋放到環(huán)境中。中國專利申請CN201310293436.X通過調(diào)節(jié)打開安全殼排放系統(tǒng)的開啟壓力、開啟的時(shí)間間隔及開啟次數(shù)，既可以確保安全殼不會(huì)超壓失效，又可以盡量減少放射性物質(zhì)排放量。

（4）降低H2濃度

核電廠發(fā)生事故時(shí)，生長的氧化鋯與反應(yīng)堆內(nèi)的水反應(yīng)生成氫氣，隨氫氣濃度升高，可能使安全殼內(nèi)爆炸。因此，在堆芯熔毀時(shí)安全殼過濾排放系統(tǒng)除了主動(dòng)降壓和排放放射性氣體，還需及時(shí)降低氫氣濃度。通常的方法是向安全殼內(nèi)輸送惰性氣體，如CO2、N2等，但是這使得安全殼內(nèi)壓力增大，導(dǎo)致超壓失效。一種方式是將混合有氫氣的氣體排到過濾器容器中，然后向過濾器容器中輸入惰性氣體，如專利CN1195419A 及CN204407019U中所述。

4.主要申請人分布

主要申請人申請量及排名分布如表1所示。

參考文獻(xiàn)：

[1]付嫚，董強(qiáng)等，核電站安全殼過濾排放系統(tǒng)國內(nèi)外研究概況[J]，船艦防化，2011（4）.