核电站主控室内漏率试验案例研究

田 雷，陈文强

(上海核工程研究设计院有限公司，上海 200233)

核电站主控室是核电站正常运行和应急事故工况下的指挥中心，对核电站的运行起着至关重要的作用。先进压水堆核电站一般要求在事故工况下主控室应急可居留的时间为30 min或72 h，具体时间根据堆型设计而定。为了保证运行人员在事故工况下免受辐射危害，主控室需要维持与相邻区域的压差为微正压，以免放射性物质扩散至主控室，但由于空气涡流等因素的存在，仍会有无过滤空气(漏入空气)扩散至主控室，使主控室人员受到辐射伤害，而维持主控室正压并不能定量的表征主控室的安全特性。随着国家对核电安全越来越重视，国家核安全局规定先进的压水堆核电站都需要对进入主控室的无过滤空气量进行定量测量，即进行主控室内漏率试验[1-2]，以保证事故工况下主控室人员受到的辐射在可接受范围内。

美国ASTM E741—2011[3]推荐了三种测量空间泄漏率的方法，即：(1)浓度衰减法；(2)恒量注入法；(3)恒定浓度法。根据相关论文论证[4-5]，此三种方法均可对主控室的内漏率进行测量，综合对比三种试验方法的优缺点和国内相关行业借鉴经验[6]，主控室内漏率试验采用恒量注入法进行测量。本文主要针对内漏率试验的原理、试验过程和问题处理及改进进行研究，对于试验方法等其他论文已经论证过的内容不再重复说明。

1 主控室内漏率测量基本原理介绍

主控室内漏率试验主要定量测量事故工况下，进入主控室的无过滤空气量，以保证在设计基准事故下，运行人员受到的辐射在可接受范围内。

主控室通风系统在事故工况下的运行方式如图1所示。

图1 事故工况下主控室通风运行方式

正常工况下，新风通过空气处理机组直接供给主控室，当检测到高放射性信号时，通风系统自动切换为事故工况运行，新风通过空气净化机组去除放射性物质并与主控室的回风混合，经过空气处理机组调节温度后供给主控室，同时维持主控室的微正压环境。

把主控室、空气处理机组、空气净化机组及其连接风管看成一个整体，对于这个整体，进入的物料为新风和漏入的空气，排出的物料为漏出的空气，根据物料平衡原理，二者相等，其中漏入的空气主要为涡流带入作用和系统负压段进入的空气。主控室的物料平衡原理如图2所示。

图2 主控室物料平衡原理图

主控室内漏率试验的计算原理如下：

(1)事故工况下，主控室维持恒定的微正压，根据物料平衡原理(忽略空气密度变化)，可以得出：Q漏出=Q新风+Q漏入,因此，Q漏入=Q漏出-Q新风。

(5)因此：主控室内漏率

(1)

式中，Q为空气体积流量，m3/h;Q′为示踪气体流量，m3/h;C为示踪剂体积浓度，ppb(10-9)。

2 主控室内漏率测量案例研究

2.1 主控室参数

试验核电站主控室的空气容积为3 810 m3，空气处理机组、空气净化机组连同风管的容积为200 m3，以上两项的总容积为4 010 m3。

2.2 示踪气体的选择

常用的示踪气体有氢气、氦气、一氧化碳、二氧化碳、六氟化硫、一氧化二氮、乙烷、甲烷、八氟环丁烷、一溴三氟甲烷、氟利昂-12、二氯四氟甲烷等。

考虑到主控室内漏率试验必须在主控室内设备正常运行、人员正常活动的情况下执行，且该试验要求示踪气体分析仪对示踪气体有高灵敏度，故示踪气体的选取应满足以下几方面的要求：无毒、不易燃、惰性气体、空气中本底浓度极低、极低浓度时可测量、不易被各种类型的材料吸收、主控室内存在的材料不会释放出此类气体等。因此，本试验采用六氟化硫作为试验用示踪气体。

2.3 示踪剂注入点研究

表1 新风风量测量表

2.4 示踪剂注入速率研究

(2)

试验过程中发现主控室的SF6浓度长时间不能达到平衡，400 min后主控室SF6的浓度仍在持续增加，试验时间处于不可控状态。经过研究发现，由于主控室的自由容积达到4 010 m3，如果持续使用649.40 ppm的注入浓度，平衡时间将大大增加，影响主控室运行人员的正常工作。因此需要改变示踪剂的初始注入浓度，当达到平衡点附近时，再改为以649.40 ppm的浓度注入，以维持示踪剂在主控室的平衡状态。

经过多次试验不同浓度的注入，选定初始注入浓度为3 000 ppm，47 min后主控室示踪剂浓度可以达到初步平衡，然后改用649.40 ppm的浓度注入，以使主控室的浓度达到ASTM E741—2011[3]要求的平衡状态。采用3 000 ppm初始注入浓度的平衡监测曲线如图3所示。

图3 恒量注入法主控室平衡监测曲线

2.5 平衡判断研究

对主控室空间进行取样，以确定浓度的均一性和变化趋势，但是由于试验是在主控室正常使用期间进行的，房门开启无法避免，浓度变化无法绝对趋于零，因此恒量注入法的平衡判定直接采用ASTM E741—2011[3]的标准公式：

(3)

当主控室自由容积内部示踪气体初始本底浓度为零时，以恒定速率向主控室内注入示踪气体，主控室自由容积内浓度达到95%平衡时间为：

(4)

式中，T95%平衡为达到95%平衡浓度所需时间，h；A为主控室换气率(根据主控室人数确定)，1/h。

试验初始以3.09SLM的速率向新风管线注入3 000 ppm的示踪剂，47 min后以同样的速率切换注入浓度为649.40 ppm的示踪剂直至试验结束，期间每隔20 min取样测量主控室示踪剂的浓度。

根据公式(3)，计算平衡判定的依据为1.50×10-9，主控室示踪剂平衡判定表列于表2，示踪剂平衡监测曲线见图3。

表2 主控室示踪剂平衡判定表

当主控室示踪剂浓度达到平衡时，主控室示踪剂的浓度为79.90 ppb，根据公式(1)可得主控室的内漏率，结果列于表3。

表3 主控室内漏率测试结果

主控室示踪剂浓度平衡时，测得机械间的示踪剂本底浓度为23.78 ppb，通过修正因子修正后的主控室内漏率列于表4。

表4 主控室内漏率修正结果

修正后的内漏率为38.04 cfm小于验收标准75 cfm，因此判定本次内漏率试验为合格。

2.6 试验关键因素研究

本试验最初内漏率试验并未合格，检查主控室的门窗和贯穿件，发现全部密封良好。由于空气净化机组、空气处理机组及其风管也是内漏率试验的边界，因此将重点放到主控室外系统的检查。经过对整个系统的检查，发现影响试验的关键因素为系统负压段存在漏点，包括空气处理机组和风管的负压段，存在严重的泄露，无过滤空气通过这些负压段的漏点直接进入主控室，导致主控室的内漏率不合格。

检查整个系统，发现有如下几种类型的泄露：

(1)试验边界阀门泄露：试验边界阀门内管道与主控室构成试验空间，边界阀门为试验边界，其是否泄露直接影响试验结果。此边界阀门泄露为设计缺陷，需要更换零泄漏率阀门；

(2)空气处理机组疏水管道泄露：为设计缺陷，U型管水封高度不够导致泄露，需要增加水封高度；

(3)空气处理机组检修门和面板泄露：为设备缺陷，需要重新打胶密封泄漏点；

(4)风管及其检修门泄露：为建安缺陷，需要重新做风管的严密性试验，找到漏点并封堵；

(5)系统上仪表管泄露：为建安缺陷，需要重新检查仪表的安装质量。

经过缺陷的整改，再次试验合格。由于主控室内漏率试验需要每6年执行一次，而空气处理机组的面板是采用密封胶形式密封，6年内密封胶是否耐久和开裂是本试验存在的最大隐患，也是主控室人员可能受到辐射的潜在风险。因此，已建议电站定期检查空气处理机组的密封情况或缩短试验时间，建议厂家对空气处理机组的密封进行改进，比如采用焊接等方式。

2.7 试验重现性研究

恒量注入法的理论研究其他论文[4-6]已经有所论述，本次应用于主控室内漏率试验，通过试验的方式进一步证明了其可行性，为了证明试验结果的非偶然性，使用不同的仪器和操作人员采用相同的方法再次进行了试验，如果此试验具有良好的重现性，则可以在国内核电站的新建或改造时推广使用。

在示踪剂对主控室的影响消除后，再次进行了主控室内漏率试验，重现性监测曲线如图4所示。

图4 恒量注入法重现性监测曲线

当主控室示踪剂浓度达到平衡时，主控室示踪剂的浓度为91.35 ppb，根据公式(1)可计算主控室的内漏率，修正因子修正后的测试结果列于表5。

表5 重现试验内漏率修正结果

修正后的内漏率为29.01 cfm，两次试验结果都远小于验收准则75 cfm，证明恒量注入法有很好的重现性，可以在核电站主控室内漏率试验时推广使用。

3 结论

本文通过恒量注入法在核电站主控室内漏率试验中的应用研究，使该方法从纸面走向实际应用，并取得了良好的试验效果，针对试验中存在的问题，优化了试验方法并解决了设计和建安中存在的问题，为后续核电站主控室内漏率试验提供了良好的经验，具有推广价值。本试验采用的恒量注入法只是三种试验方法中的一种，期待后续能够将其他方法应用到试验中，或开发新的试验方法，以便通过实际试验的方式比较各方法的优劣。