核电厂空气净化系统分析

黄 然（上海核工程研究设计院，上海 200233）

核电厂空气净化系统分析

黄 然
（上海核工程研究设计院，上海 200233）

核电厂空气净化系统是核岛辅助系统中的重要系统之一，通过对空气净化系统工作特点和净化原理的分析，以及对主要空气净化专属设备的研究，得到了设计选择核电厂空气净化设备的一些原则。

核电厂；空气；净化

核电厂在运行期间以及在核燃料的存放、放射性化学物质保管和其他操作过程中会产生一些有害的放射性粒子与气体，不能直接排放到大气中去，因此核电站利用空气净化系统过滤和吸附掉这些有害的放射性粒子与气体，保护厂区工作人员、公众和环境免受放射性污染和伤害。

核电厂空气净化系统区别于普通的空气净化系统。在于以下两个方面：

1）核电厂空气净化系统处理的对象是含有放射性物质的空气。放射性物质毒性大、会产生电离辐射。虽然不易察觉，但其产生的活化物与附着物被人接触或者吸收后对人体会造成极大的伤害。

2）核电厂的放射性粒子与气体可能会充满在反应堆厂房、燃料厂房、主次要辅助厂房、固化车间、主控制室甚至应急中心内。由于各区域放射性物质的浓度不同以及需要控制的环境中的热、湿和其他条件的差异，因而对空气净化系统的要求不同，由此构成了核电站空气净化系统的复杂性。

总而言之，核电站的空气净化系统是需要积极采用辐射保护措施和其他相关的安全性措施，统筹规划，全面管理，才能确保环境不被污染，厂区人员与公众不受放射性的威胁。

1 压水堆核电站空气净化系统

我国核电站的主要堆型是压水堆，具体分析压水堆核电站的空气净化系统具有代表意义。压水堆核电站空气净化系统主要包括4个部分[1]：①从容积控制箱排出的气体中分离除氢后的废气衰变排放系统；②厂房换气的排风净化系统；③对付假想事故设置的事故气体处理系统；④主控制室及可居住区的厂外污染净化系统。其示意图如图1所示。

1）废气衰变排放系统中，反应堆的冷却剂添加氢作为腐蚀抑制剂。为保持氢有适当的浓度，在容积控制箱中进行气体置换，并伴以排出置换的废气。氢分离装置内设有钯合金膜分离室，氢和放射性废气在此分离，氢作为容积控制箱的连续净化气可再复用。整个过程里，氢是可循环使用的。放射性气体储存在气体衰减槽中，使放射性浓度降低至排放标准后经过空气过滤器排放。

图1 压水堆核电站空气净化系统示意图Fig.1 The schematic of the air cleaning system of nuclear power plant

2）厂房换气的排风净化系统，可能由于泵、阀门等设备的漏水、漏气，在厂房内的空气中会产生极微量的放射性碘等放射性粒子或放射性气体，因此需要设置预过滤器、高效过滤器以及碘吸附器进行净化。

3）事故气体处理系统，如果有较大事故发生使载热剂和冷却剂流失，为不致使蓄积在燃料棒中的放射性物质排放到环境中，还需设置几层安全对策装置。沉积于反应堆容器壁上，或被压力抑制室的水吸收的放射性粒子与气体通过清洗，用鼓风机抽至排风过滤装置净化后排到排气筒。极少量的通过压力壳的贯通部分泄漏到反应堆厂房内的放射性气体废物也需集中起来进行过滤然后排放。

4）厂外污染净化系统，指如主控制室、可居住区等厂外区域的进排气空气净化系统。保证在毒气和放射性气载污染物的事故释放时，电站的操作人员和居住人员能受到适当的保护，以使他们在事故时仍能使电站安全地运行。

2 预过滤器与高效过滤器

过滤器是一种装有多孔的或纤维状介质的器件。当空气通过过滤介质时，能将悬浮于其中的放射性气溶胶粒子去除掉。

预过滤器[2]为采用玻璃纤维或塑料纤维等过滤材料制成的中效空气过滤器。过滤材料常做成连续的折叠式、袋式或“袜套式”，保证其在最小的横截面上有较大的介质表面。

预过滤器的性能由净化效率（即粒子的去除率）、气流阻力（即压力降）、空气流量和容尘量来决定。选择预过滤器首先要了解净化效率的要求。同时，还需了解过滤器是用什么方法进行净化效率试验的，重量法、比色法，还是粒子计数法，不同的试验方法所得的结果不好相互比较；是用什么试验尘进行试验的；所表示的净化效率是未使用过的清洁过滤器的净化效率还是使用期间过滤器的平均净化效率，以及过滤器芯更换的方法与周期等。此外，合理布置各个过滤器芯在排架上的位置也对预过滤器的净化效率有所影响。

为了保证空气净化的完整性，某些情况下在净化系统的出风口还设置一层后置过滤器，为平均效率不低于95%的纤维滤材中效过滤器，用于滞留炭吸附器下游的炭粒子。

高效过滤器[2]为透过率＜0.01%，阻力≤250 Pa，耐温≥200 ℃的高效的空气过滤器，主要滤除≤1 ☒m的亚微米粒子。对于粒径为0.3 ☒m的粒子，过滤效率不低于99.97%。在核空气净化技术中，其过滤材料一般采用合成纤维滤料或超细玻璃纤维滤纸。

高效过滤器按其结构和使用特点可以分为很多种，如排风过滤器、框架式过滤器、折叠式过滤器和套筒式过滤器等。在具体使用时需根据工作环境、工作效率、要达到的目的以及滤材的性能来加以选择。必要时还需进行通风量与系统平衡的计算，一般来说高效过滤器的效率（或透过率）直接影响整个净化系统的效率。值得一提的是，在高效过滤器制造完工以后，一般要进行效率试验，也即制造厂的性能试验。在过滤器安装后，要进行验收试验。过滤器在线运行时，要进行监督试验。验收试验和监督试验统称为现场试验。试验的方法[3]目前有钠焰法、DOP法和荧光素钠法三种，考虑试验的经济因素、核设施本身的条件与试验方法的不相容性以及国家标准和管理导则的限制，综合考虑后选用一种试验方法即可。

预过滤器和高效过滤器在净化装置中安装时应一前一后串联布置。如此布置主要是为了防止高效过滤器过早更换而采取的一种预防措施。如果预过滤器与高效过滤器在迎风面断面上尺寸一致，并且排架结构相同时，工作效率将达到最高。而且，在核空气净化技术中，预过滤器与高效过滤器的使用、试验及技术指标验证等，还需参考国家标准GB/T 17939—2008《核级高效空气过滤器》以及核工业行业标准EJ 915—1994《核级亚高效空气粒子过滤器》和EJ 916—1994《核级中效空气粒子过滤器》。

3 碘吸附器

除了放射性气溶胶粒子污染核电站空气以外，还有放射性碘的污染同样也需引起重视。在核电站空气净化系统中，过滤放射性碘的设备是碘吸附器。核工业采用的碘吸附器主要有两种形式，即折叠式和抽屉式。

折叠式碘吸附器的外形尺寸与高效空气过滤器的外形尺寸相仿，额定风量也一致。这类碘吸附器，除了在管道系统中单独使用外，在大风量排架系统中一般很少使用。

抽屉式碘吸附器由多个抽屉吸附器盒堆叠而成，大小规格同高效空气过滤器相匹配。通常，抽屉式碘吸附器需与预过滤器及高效过滤器一起联合使用，迎风断面尺寸需与前面各过滤器的迎风断面尺寸一致，额定风量也需相同。由于这类吸附器的炭床厚、单位重量轻、安装、更换简单方便、运行安全可靠，所以在核电站空气净化系统中被广泛应用。

采用活性炭来作为吸附介质过滤放射性碘是经过多年的试验和研究后的正确选择。20世纪50年代末，ORNL和Harwell等研究所进行过很多的实验，证实了活性炭过滤器对无机碘具有良好的吸附性能，但在潮湿空气中放射性碘有一部分会转变为有机碘（主要成分是甲基碘），用活性炭过滤器难于充分捕集。而后又经过数年的研究才使这个问题得以解决。当在活性炭中加入少量的碘化钾（或者碘）或者添加胺类时，吸附器即使在潮湿空气的条件下，也可以有效地捕集甲基碘。目前使用的活性炭过滤器，大多都是采用这类活性炭作为填充材料。

式中：c和0c——分别为放射性碘在吸附器炭床出

口和入口的浓度；

λ——放射性元素的衰变常数，s-1；

L——滞留床高度，cm；

ρ——活性炭装填密度，g/cm3；

K0——活性炭对该放射性元素稳定同位素的吸附系数，mL/g ；

Vs——载气流线速度，cm/s ；

H——炭床高度，cm。

同样，碘吸附器在制造时需做滤材试验，制造完成后需做整机试验，工作时需做现场试验。试验方法有整体效率试验和机械泄漏试验两种，但两者都不全面，测量数据各有偏差。因此，目前最合理的方法是采用试验室试验来测定现场取回的炭样的除碘效率。试验方法有甲基碘法和氟利昂法。

除了采用活性炭作为碘吸附剂以外，最近新开发的无机银吸附器，在后处理工厂的排气处理中，对长半衰期的129I能牢固地化学吸附，并且对NOx等致毒作用小的杂质的吸附效果也较好，所以应用前景比较看好。

4 气体废物后处理

从能量－安全保证的观点看，乏燃料的后处理在完成核燃料循环中占有重要的位置。但是气体废物的后处理不同于液体或固体废物的后处理，其放射性物质分散、剂量低、分离回收程序复杂，回收周期长，因此对气体废物的后处理不能采用简单掩埋的手段。目前世界各国的气体核废料后处理工厂，都是以分离回收碘为前提的，回收方法有蒸馏法、吸附法、离子分离法、隔膜法和热扩散法等。仅次于碘回收的还有氪和氙等的回收。此外，对使用过的废弃过滤器与吸附器，根据其特点可以按照固体废物的处理方法处置。

5 空气净化设备的选择

对于核电站空气净化系统来说，影响其过滤效果的关键之处在于空气净化设备的正确选择。可以说如果没有正确的空气净化设备，就没有可靠的核空气净化技术。空气净化设备的选择主要需把握七点原则：

1）能满足所需的净化效率，并进行通风方式的选择以及通风量与平衡的计算。

2）滤料应具备足够的张力；抗水性和阻燃性良好；并具备耐辐照性与可裂解性；满足后处理的要求。

3）高效空气过滤器必须满足《核级高效空气过滤器》GB/T 17939—2008的要求。

4）粗、中效预过滤器应能满足物料回收的要求；碘吸附器应有较小的透过率，并保证对放射性碘具有较高的吸附效率。

5）净化设备能耐少量氟化氢及氮氧化物的腐蚀，设备表面易去污。

6）每台净化设备应设置运行监测装置，投入正常工作前需进行现场试验。

7）净化设备应便于操作和维修，废弃的净化部件应便于回收。

6 总结与展望

核电厂空气净化系统是一个非常复杂的空气净化处理系统，除了上述几点之外还有排风净化室的土建设计、排风管道设计以及空气净化设备的检测和维护等也需要加以考虑。但相信在不久的将来，随着科学技术的发展，采用更多的性能优良的新材料或新方法，必将会使核电厂的空气净化与利用提高到一个新的层次。

[1] 天沼倞，阪田贞弘. 放射性废物处理处置的研究开发[M]. 北京：中国环境科学出版社，1988.（天沼倞,阪田贞弘. R&D on Radioactive Waste Treatment and Disposal [M]. Beijing: China Environmental Science Press, 1988.）

[2] 张性旦. 核通风与空气净化[M]. 北京：原子能出版社，1993.（ZHANG Xing-dan. Nuclear Ventilation and Air Cleaning [M]. Beijing: Atomic Energy Press, 1993.）

[3] 刘群. 核电站空气净化系统中HEPA过滤器和碘吸附器的现场试验方法[J]. 辐射防护通讯，1994，14.（LIU Qun. On-site Testing Method for HEPA Filter and Iodine Absorber in Nuclear Power Plant Air Cleaning System [J]. Radiation Protection Newsletter, 1994，14.）

[4] US Nuclear Regulatory Commission, Calculation of Releases of Radioactive Materials in Gaseous and Liquid Effluents from Pressurized Water Reactors, NUREG-0017. Washington, D.C，1980.10.

The Analysis for the Air Cleaning System of Nuclear Power Plant

HUANG Ran
(Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute, Shanghai 200233，China)

The air cleaning system of nuclear power plant is an important system of nuclear island auxiliary system. According to the analysis of working characteristic and cleaning theory of the air cleaning system of nuclear power plant, and the study on some special air cleaning equipment concretely, a few principles of design and selection of air cleaning equipment are put forward.

nuclear power plant；air；cleaning

TM623 Article character: A Article ID: 1674-1617(2013)01-0041-04

TM623

A

1674-1617(2013)01-0041-04

2012-04-25

黄 然（1976—），男，湖北人，工程师，硕士，从事装换料工艺及非标设备设计。