安全壳过滤排放系统专利技术综述

周桂芳

摘 要：核电站安全壳过滤排放系统（Containment Filtration and Exhaust System）是防止放射性产物释放到环境中的最后一道屏障，它的完整性对环境保护具有相当大的作用。本文对CFES专利申请从申请量、区域分布、技术主题和主要申请人等方面进行了分析。

关键词：安全壳；卸压；过滤

当发生堆芯熔融事故后，堆芯熔融物与水及混凝土底板发生反应，产生大量的不凝结气体，使安全壳内压力升高，若达到安全壳压力承载限值，会导致放射性物质逸出。对此，核电站配有安全壳过滤排放系统，通过主动卸压使安全壳内压力不超过承载限值，同时在卸压管线上安装过滤系统和辐射监测系统。

一、数据库选择和检索

为了解安全壳过滤排放系统的专利申请状况，在CNABS、VEN检索获得统计分析的样本。检索关键词为：安全壳，containment；过滤，水洗，洗涤，净化，filter，filtration，scrubbing，wash，purify；排放，排气，exhaust，discharge，vent；泄压，卸压，降压， pressure release， pressure relief。检索分类号为G21C、G21D、G21F。

二、技术发展状况

安全壳过滤器排放系统大致历经了三个阶段：砂床过滤排放，金属纤维过滤排放，湿式过滤排放。

1.申请量趋势

年度申请量如图1所示，从1958年至1981年全球申请量徘徊在较低水平，年均不到20件；经过前期数十年的技术积累，1981年之后迎来一个短暂的申请量增长期，至1993年达到一个小高峰，为67件；从1993年之后，尽管全球申请量在1999年至2011年有一个小回落，但仍然呈现缓慢增长的趋势，尤其是2012年至今申请量陡增，这主要得益于中国近年来重视知识产权的投入。

2.区域分布

申请量区域分布如图2所示，日本申请量为174件，占比53.5%，这一点也可从表1看出。位居其次的是美国和中国，二者总申请量不相上下。尽管最早在核电站采用安全壳过滤器的是法国：砂床过滤器，但是其专利申请量却位居第四，且集中在早期。同样，金属纤维过滤器的最早开发者和使用者均属于德国，该方面的专利申请量仍增长不足。

3.技术主题分析

安全壳过滤排放系统主要部件为过滤器，因此其大部分申请是过滤器本体结构的改进。其次，经过过滤器的放射性气体需要经过放射性活度监测达标后才可排放至大气，该系统的主要功能是为安全壳卸压，因此样本中涉及有放射性活度监测、安全壳卸压策略、预防氢气爆炸以及放射性物质的过滤方式等技术主题，下面分别就以上几个方面对有关安全壳过滤系统的专利申请进行分析。

（1）过滤器本体改造

在过滤器本体结构改造的专利申请中，大多集中在湿式过滤排放系统，例如其需不间断地向过滤器容器中添加滤碘溶液，如DE102013205524A1、US2006/0188055A1；例如增大放射性气体与滤碘溶液的接触面积，以使二者充分混合，提高过滤效率，如CN104412328A將文丘里管的喷嘴设计为V型；安全壳过滤排放系统还肩负着排出放射性气体的衰变热的功能，如CN103111211A中将从安全壳排出的气体首先通过浸没在冷却池中的螺旋型的紫铜管移除衰变热，然后再进入过滤器；过滤器中的金属纤维需要定期更换，而金属纤维中聚集大量放射性物质，因此更换金属纤维会使工作人员遭受辐照，CN203750313U提出的过滤器装配简单省时，减少了工作人员受辐照的时间。

（2）放射性物质活度监测

经过过滤器的放射性气体在排放到大气之前，需要测量其放射性活度，以确保不会造成环境污染。排入大气的气体中含有的放射性元素包括131Xe、90Sr、137Cs、131I等，上述放射性核素会对人体器官造成伤害。因此，需要严格监测排入大气的气体放射性活度。有关核素放射性活度监测方式的专利申请主要集中在提高监测的精度及监测效率上，如DE102013207595B3、DE0523396A1及CN203338771U中所述。

（3）卸压策略

需要合理设计安全壳排放系统的启动压力，以确保安全壳失效概率很低；在确保安全壳失效概率很低的前提下，又需要推迟安全壳过滤排放系统的启动时间，以减少放射性物质释放到环境中。中国专利申请CN201310293436.X通过调节打开安全壳排放系统的开启压力、开启的时间间隔及开启次数，既可以确保安全壳不会超压失效，又可以尽量减少放射性物质排放量。

（4）降低H2浓度

核电厂发生事故时，生长的氧化锆与反应堆内的水反应生成氢气，随氢气浓度升高，可能使安全壳内爆炸。因此，在堆芯熔毁时安全壳过滤排放系统除了主动降压和排放放射性气体，还需及时降低氢气浓度。通常的方法是向安全壳内输送惰性气体，如CO2、N2等，但是这使得安全壳内压力增大，导致超压失效。一种方式是将混合有氢气的气体排到过滤器容器中，然后向过滤器容器中输入惰性气体，如专利CN1195419A 及CN204407019U中所述。

4.主要申请人分布

主要申请人申请量及排名分布如表1所示。

参考文献：

[1]付嫚，董强等，核电站安全壳过滤排放系统国内外研究概况[J]，船舰防化，2011（4）.