核電廠通風系統運行風量對碘吸附器性能的影響

中國輻射防護研究院 陳建利

福建福清核電有限公司 陳榮添

中國輻射防護研究院 高琳鋒 李永國 韓麗紅 梁 飛 李彥樟 張治權

0 引言

核電廠通風系統中設置碘吸附器，用于去除氣流中的氣態放射性碘物質，以確保氣體的達標排放和事故工況下主控室的可居留性[1]。系統的性能除了受碘吸附器自身凈化能力和系統的泄漏量影響外，還受到氣流相對濕度、溫度、運行風量等參數的影響。文獻[2-4]對氣流相對濕度、溫度的影響進行了研究，但運行風量對系統性能影響的報道較少。

含碘吸附器系統在運行和定期試驗時一般要求運行風量與額定風量的偏離小于額定風量的10%[5]。但有時為了保證廠房的負壓要求，通風系統需在偏離額定風量較大條件下運行，此時系統的性能該如何評價，能否滿足核電廠放射性碘的排放要求？在某些特殊情況下又需要考慮在低風量條件下進行現場試驗，此時所獲取的試驗結果該如何轉化為額定風量下的數據？因此探討運行風量對系統性能的影響具有現實意義。

含碘吸附器系統的現場性能常用凈化系數(效率)或泄漏率表示，凈化系數一般用放射性甲基碘法進行測量，泄漏率采用氟利昂法測量[6]。本文推導了碘吸附器單體凈化系數性能、系統凈化系數和泄漏率三者之間的關系，用放射性甲基碘法[7]實測了不同運行風量下碘吸附器自身凈化系數和存在泄漏時系統的凈化系數，并用公式計算了對應風量下的泄漏率，分析了風量對系統性能的影響趨勢和原因。

1 理論推導

碘吸附器安裝不當、通風小室墻體缺陷或者某些貫穿件密封不嚴等情況將可能導致少量氣體直接經泄漏孔洞進入到下游風管，即系統存在一定的泄漏，見圖1。泄漏率η的定義式為

(1)

式中q為經泄漏孔洞流過的氣流體積流量，m3/h；Q為系統的運行風量(體積流量)，m3/h。

圖1 碘吸附器系統性能影響示意圖

假定系統的凈化系數為CE，碘吸附器自身的凈化系數為Ce，泄漏率為η，則泄漏的氣體體積流量為Qη，碘吸附器的流量為Q-Qη。

下游氣體中活度由泄漏及碘吸附器的不完全吸附兩部分疊加產生，則下游的總活度為

γdQ=Qηγu+Q(1-η)γ′d

(2)

式中γd、γu分別為系統上、下游單位體積放射性活度，Bq/m3；γ′d為經碘吸附器凈化后單位體積放射性活度，Bq/m3。

根據碘吸附器自身凈化系數Ce的定義式：

(3)

則式(2)可簡化為

(4)

根據系統凈化系數CE的定義，可將式(4)整理為

(5)

系統的泄漏率可表示為

(6)

通過實驗測得CE和Ce，用式(6)計算系統的泄漏率η。

式(5)、(6)未體現通風系統運行風量對凈化系數、泄漏率的影響，下面通過實驗測量的方式研究系統性能隨風量的變化。

2 實驗

2.1 實驗方法

采用放射性甲基碘法，以放射性碘131作為示蹤劑，注入到系統中，并分別在碘吸附器上/下游合適位置取樣，并用γ譜儀分析上/下游樣品的放射性活度，進而計算得到碘吸附器或系統的凈化系數。

2.2 實驗裝置

實驗在碘吸附器整機性能系統上進行，其流程圖見圖2。該裝置主要由過濾器、加熱器、混合器、測試臺架、風量調節閥、后備碘吸附器及風機等組成，在風管相應位置設計有放射性甲基碘的注入、采樣口及測風口。實驗用碘吸附器安裝在測試臺架中，后備碘吸附器用于去除氣流中剩余的放射性碘。運行風量通過風量調節閥進行調節。

圖2 實驗裝置流程圖

該實驗裝置在碘吸附器整機檢驗中使用多年，其可靠性、取樣代表性、氣流穩定性等均滿足要求。

2.3 實驗儀器設備

所用儀器設備均滿足標準EJ/T 1183—2005《核空氣凈化系統碘吸附器凈化系數的測定 放射性甲基碘法》的要求，主要儀器設備有：甲基碘氣體發生器、上下游采樣設備、折疊式碘吸附器、HPGe多道γ譜儀、風速儀、溫濕度儀。

2.4 實驗內容

本實驗選擇了1臺折疊式碘吸附器(該碘吸附器在核電廠通風系統中大量使用)，模擬泄漏點示意圖見圖3，額定風量為1 200 m3/h，核電廠通風系統一般采用多臺碘吸附器并聯的方式實現滿足不同運行風量的要求。實驗在額定風量20%～140%的范圍進行設計，實驗內容主要有以下2個方面：

圖3 模擬泄漏點示意圖

1) 測量不同風量下碘吸附器凈化系數，代表無泄漏條件下的凈化系數：選取合適的折疊式碘吸附器，將其安裝在測試臺架內，注意檢查碘吸附器的密封圈與接觸面的形變量，以排除可能存在的機械泄漏。啟動風機，調節系統的風量，并分別控制為碘吸附器額定風量的20%、40%、60%、80%、90%、100%、110%、120%、140%，用放射性甲基碘法分別測定對應風量下的凈化系數。

2) 測量有泄漏時不同風量條件下的系統凈化系數：該泄漏通過在碘吸附器密封圈與臺架接觸面之間添加內徑為2 mm的不銹鋼管，以模擬核電廠系統中存在的微小機械泄漏，如圖3所示。不銹鋼管在碘吸附器上、下游之間形成了通路，使得少量氣體未經碘吸附器的凈化而直接進入到下游氣流中。然后改變風量，按照上述條件再次進行凈化系數的測量。

3 實驗結果分析與討論

實驗測定了在20%～140%額定風量范圍內碘吸附器的凈化系數和添加泄漏點后系統的凈化系數，并利用式(6)計算了各風量下的泄漏率，結果見表1。下面分別對碘吸附器凈化系數Ce、系統的凈化系數CE及泄漏率進行討論。

表1 凈化系數、泄漏率隨風量的變化(額定風量Q0為1 200 m3/h)

3.1 碘吸附器凈化系數隨運行風量的變化

由表1可以看出，本實驗風量范圍內，碘吸附器自身的凈化系數Ce普遍較高，碘吸附器的凈化系數隨風量增大而減小。原因為風量增大使得氣流在碘吸附器中的停留時間縮短，導致碘吸附器不能有效吸附氣流中的放射性碘物質，引起凈化系數的減小。

3.2 通風系統凈化系數隨運行風量的變化

本實驗設置的泄漏點尺寸固定不變，獲得的系統凈化系數見表1中的CE。相比不泄漏工況，各風量下的凈化系數均有顯著減小，這是因為泄漏的存在使得少量氣流未經碘吸附器的凈化而直接進入到了下游。

試驗條件下隨風量的增大，系統的凈化系數增大，本實驗結果與文獻[8]提到的穿透率變化趨勢相一致。

3.3 通風系統泄漏率的變化

在實驗風量范圍內，通風系統的泄漏率小于0.1%，而凈化系數均明顯減小，表明微小的泄漏即可對系統凈化系數造成顯著的不利影響。對于固定尺寸的泄漏點，其泄漏率并不是固定不變的，而是隨著風量的增大，泄漏率減小。另外，本文又用氟利昂法測量了另一含碘吸附器通風系統的泄漏率數據，其泄漏率隨風量的變化趨勢相同，結果見表2。

表2 氟利昂法測量的系統的泄漏率(額定風量Q0為1 200 m3/h)

泄漏率含義為機械泄漏的氣體體積流量除以系統風量，一般來講系統風量(流速)增大，碘吸附器的阻力呈線性增長[9]，而泄漏點的阻力與流速的平方呈線性關系[10]。當系統流速(流量)增大時，系統泄漏點處的阻力應等于碘吸附器的阻力，但泄漏引起的流速增加值小于碘吸附器的流速增加值，導致系統的泄漏率降低。

盡管碘吸附器自身凈化系數隨風量增大而減小，但泄漏影響超過了碘吸附器自身性能對系統凈化系數減小的影響，造成系統凈化系數隨風量的增大而變大。

4 結論

1) 碘吸附器凈化系數、通風系統的凈化系數與泄漏率之間存在關系η=(Ce-CE)/[CE(Ce-1)]，可利用該公式計算系統的泄漏率。

2) 在實驗風量范圍內，通風系統的凈化系數隨運行風量的增加而變大，凈化系數越大表明系統對放射性氣體的去除效果越好，因而更有利于系統運行。

3) 在實驗條件下，通風系統的泄漏率隨風量增加而降低，即低風量下的泄漏率偏大。若降風量(低于額定風量)進行泄漏率實驗，所得結果偏大。