事故下CAP1000核电厂主控室剂量特征研究

张姗姗，付亚茹，孙大威，梅其良

(上海核工程研究设计院，上海200233)

事故下CAP1000核电厂主控室剂量特征研究

张姗姗，付亚茹，孙大威，梅其良

(上海核工程研究设计院，上海200233)

核电厂事故期间，为使主控室工作人员能够坚守岗位缓解事故后果，必须保证主控室的可居留性。放射性水平作为主控室可居留性的重要考虑因素，主控室人员接受的剂量必须满足相关标准导则的要求。本文以弹棒事故为参考工况，对事故情况下主控室的剂量特征进行了分析，给出了不同通风模式下的剂量结果，不同释放途径和不同核素组对剂量的贡献，以及剂量随时间的变化情况。针对CAP1000主控室非能动应急可居留系统设计，对该系统关键参数对剂量影响的敏感性进行了分析。研究结果为进一步深化事故后主控室剂量分析和可居留性优化改进提供了支持。

CAP1000；设计基准事故；主控室；剂量分析；可居留性

核电厂事故期间，为使主控室工作人员能够坚守岗位缓解事故后果，必须保证主控室有一定的可居留性。放射性水平是主控室可居留性的重要考虑因素，主控室工作人员接受的剂量必须满足相关法规的要求。

CAP1000非能动核电厂主控室设计有其自身的特点，同其他类型的电厂相比，除了传统的能动通风系统外，还配备了非能动的应急可居留系统(VES)。在事故情况下，该系统能够在72h内不依赖厂内外交流电源、运行人员干预和能动部件保持主控室的密封性，防止放射性物质漏入主控室并创造运行人员居留的环境条件。

本文针对CAP1000非能动核电厂主控室的设计特点，分析了事故工况下主控室的剂量特征。给出了不同通风模式下的剂量结果，不同释放途径和不同核素组对剂量的贡献，以及剂量随时间的变化情况。最后，针对CAP1000非能动主控室非能动应急可居留系统设计特点，对该系统关键参数对剂量影响的敏感性进行了分析。

1 分析方法

1.1 事故选择

本文在进行主控室剂量特征研究时，选择弹棒事故作为参考工况。因为该事故在放射性释放途径、放射性来源和持续时间方面具有一定的代表性：释放途径既有安全壳泄漏释放，又有一次侧闪蒸和二次侧蒸汽释放，是7类设计基准事故中释放途径最多样的事故，可以提供不同释放途径对主控室剂量影响分析的条件；放射性来源多样，包括冷却剂放射性、间隙中的放射性和熔化燃料的放射性，可以提供不同释放途径对主控室剂量影响的分析的条件；该事故持续时间为30天，可以很好地满足对主控室剂量特征分析的时间步长要求。

1.2 主控室通风模式

在CAP1000非能动核电厂正常运行情况下，主控室通风采用核岛非放射性通风系统(VBS)正常运行模式，从外界环境中吸入新风。在发生事故产生放射性泄漏的情况下，有两种通风模式，一种是能动的VBS新风过滤模式，另一种为非能动的VES模式。其中VBS新风过滤模式是将环境中吸入新风经过过滤后再进入主控室。VES系统是非能动电厂所特有的，通过空气储存罐持续72h为主控室提供洁净的压缩空气。

1.3 剂量分析模型

本文通过构建主控室剂量分析模型，模拟了不同通风模式下，主控室从外环境吸风、新风过滤、压缩空气罐供风、内循环过滤、主控室排风等过程，分析了采取不同通风模式下主控室的剂量。主控室剂量分析模型如图1所示。

图1 主控室剂量分析模型Fig.1 Dose analysis model of MCR

主控室放射性后果分析得到的有效剂量(包括外照射有效剂量及内照射有效剂量)和甲状腺剂量，计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：Dout——外照射有效剂量，Sv；

Din——内照射有效剂量，Sv；

DT——甲状腺剂量，Sv；

V——主控室的容积，m3；

DCFi，out——核素i的外照射有效剂量转换因子，(Sv·m3)/(Bq·s)；

IARi，j——在时间段j内累积的放射性总量，(Bq·s)/m3；

Oj——时间段j内操纵员在主控室内的居留因子；

DCFi，in——核素i的内照射有效剂量转换因子，Sv/Bq；

BRj——时间段j内工作人员的呼吸率，m3/s；

DCFi，T——核素i的甲状腺剂量转换因子，Sv/Bq。

1.4 大气弥散因子

本文在分析事故后主控室剂量时，考虑放射性物质从源释放到环境后的大气弥散过程，需要大气弥散因子作为输入。放射性释放点包括安全壳和二次侧大气释放阀，放射性进入主控室的接收点包括主控室采暖、通风与空调系统(HVAC)吸风口和附属厂房出入口。根据CAP1000主控室的设计，在VBS正常运行和新风过滤模式时，采用HVAC吸风口处的大气弥散因子；当VES模式时，采用附属厂房出入口处的大气弥散因子。

2 剂量结果分析

2.1 不同通风方式的剂量结果

弹棒事故发生后30天，主控室在不同通风模式下的累积剂量结果见表1，包括内照射有效剂量、外照射有效剂量、有效剂量(为内照射剂量和外照射剂量之和)和甲状腺剂量。

表1 主控室剂量结果Table 1 Dose results of MCR

由表1可见，与HAD 002/01-2010[1]的验收准则相比，VES模式和VBS新风过滤模式下，主控室的剂量可以满足验收准则的要求，而在正常通风模式下则无法满足。VES模式和VBS新风过滤模式相比正常通风模式，有效剂量分别减少了95%和97%，甲状腺剂量分别减少了94%和97%，事故模式下的通风模式可以显著的降低主控室人员的剂量水平。同时可以看出，三种通风模式下，内照射占有效剂量的比例分别为95%、82%和99%，内照射是有效剂量的主要贡献者，而外照射造成的贡献相对较小。

2.2 剂量随时间的变化

弹棒事故发生后初始时刻到事故后30天，主控室在不同的通风模式下的剂量随时间的变化见图2。

图2 剂量随时间的变化Fig.2 Dose trend with time

事故发生后的前24h剂量增加非常迅速，24h之后到30天变化趋缓，三种模式变化都小于4%。事故发生后的最初24h，是主控室剂量大小的决定时期，该段时间进入到主控室的放射性是造成主控室剂量的关键来源。剂量随时间的变化趋势与通风模式关系不大，不管采用何种通风模式，剂量均在24h临近最大值。

3 剂量的主要组成

3.1 不同途径的贡献

弹棒事故发生时，放射性泄漏途径主要包括三个：安全壳泄漏、闪蒸释放和二次侧蒸汽释放。其中，安全壳的泄漏率在事故开始前24h为0.1%安全壳容积/天，24h到30天泄漏率减半[2]。分析闪蒸释放和二次侧蒸汽释放时，闪蒸流量和蒸汽流量根据热工水力分析结果并保守取值后得到。三种途径对有效剂量的贡献如图3所示。

图3 不同释放途径对有效剂量的贡献Fig.3 Dose contribution of different release paths

由图3可见，对于VES模式和VBS新风过滤模式，闪蒸是主控室剂量的主要贡献者，占总剂量的56%和54%；其次是安全壳泄漏的贡献，两种模式的剂量贡献都为42%；二次侧蒸汽释放的剂量贡献很小，都小于5%。闪蒸主要发生在事故开始的前0.5h，由此可以看出，虽然弹棒事故的放射性释放时间持续30天，但是随着事故后VES模式或VBS补充过滤模式的投入运行，有效阻止了后续主控室放射性的进入，并将主控室内空气进行了内循环净化，降低了事故后期剂量的贡献，事故早期的放射性释放是造成主控室剂量的关键因素。

对于正常通风模式，安全壳泄漏成为主要的剂量贡献者，占总剂量的79%；其次为闪蒸，占总剂量的19%；二次侧蒸汽释放贡献很小，仅为2%。由于该模式是正常运行情况下主控室采用的通风策略，因此不能阻止事故后放射性进入主控室，也没有内循环去除机制，在事故持续的30天内，一直有放射性进入到主控室中，对其中的人员产生照射剂量。由于安全壳泄漏持续的时间很长，为30天，而闪蒸和二次侧蒸汽释放时间相对较短，仅为0.5h，安全壳泄漏成为剂量的主要贡献者。

3.2 不同核素的贡献

弹棒事故释放到环境的放射性核素主要包括三组：碘、惰性气体和碱金属。三组核素对有效剂量的贡献如图4所示。

图4 不同核素组对剂量的贡献Fig.4 Dose contribution of different nuclide groups

由图4可见，对于VES模式，放射性碘是主控室剂量的主要贡献者，占总剂量的83%；其次为碱金属，占总剂量的12%；惰性气体对总剂量的贡献较小，为5%。对于VBS新风过滤模式，放射性碘也是剂量的主要贡献者，占总剂量的72%；但与VES模式不同的是，惰性气体的贡献大于碱金属。主要原因是VES模式下，新风靠压缩空气罐提供，而非从环境中获得，因此新风是干净的，没有放射性污染。而VBS新风过滤模式下，新风从环境中获得，虽然吸入的新风进过了过滤净化，但是主要是针对其中的放射性碘和粒子，惰性气体不能得到去除和净化，因此相对VES模式而言，VBS新风过滤模式的惰性气体对剂量的贡献较大。

对于VBS正常通风模式，放射性碘对剂量的贡献为78%，其次为碱金属为21%，惰性气体的贡献很小为1%。由于该模式是正常运行情况下主控室采用的通风策略，不能阻止事故后放射性进入主控室，也没有内循环去除机制，因此各类核素的贡献与其自身的释放量和剂量效果密切相关。由于放射性碘和碱金属可以造成外照射有效剂量和内照射有效剂量，惰性气体仅造成外照射有效剂量，而根据2.1节的分析，内照射有效剂量是有效剂量的主要贡献者，因此该模式下惰性气体对有效剂量的贡献就相对较小了。

4 应急可居留系统设计对剂量影响的敏感性

VES系统是非能动电厂所特有的非能动应急可居留系统，包括32个空气储存罐，可以以60cfm的流量持续72h为主控室供气，保持主控室的轻微的正压，防止未过滤的污染气体进入主控室。同时压缩空气诱导主控室室内气流经非能动过滤机组，经过滤后送至主控室。当事故发生产生放射性泄漏，主控室内放射性达到一定的水平时，VES系统启动，防止气载放射性进入主控室。以下将对气罐储气量、内循环风量、辅助风机风量、VES模式切换前新风量、非过滤渗入率等参数，对该系统设计对剂量的敏感性进行分析。

4.1 VES气罐流量

本文分别分析了储气罐流量为60cfm(CAP1000设计值)、90cfm和120cfm的情况下，主控室的剂量后果，如图5所示。

图5 VES气罐流量的敏感性分析Fig.5 Sensitivity analysis of VES bottled air flow rate

由图5可见，储气罐流量为60cfm、90cfm和120cfm时，事故后30天的主控室剂量分别为5.86mSv、5.44mSv和5.08mSv，随着流量的增加，主控室的剂量有所降低。这主要是由于在进入主控室污染空气量不变的情况下，流量的增加使主控室排出的空气量有所增加，一定程度上对主控室内空气起到了净化稀释的效果。当流量分别增加为原来的1.5倍和2倍时，剂量分别减为原值的93%和87%，随着流量的增加，剂量减少的非常缓慢。因此，储气罐流量对剂量的敏感性比较低，不宜采取提高流量的方式来降低主控室的剂量。

4.2 VES内循环风量

本文分别分析了内循环过滤流量为600cfm(CAP1000设计值)、900cfm和1200cfm的情况下，主控室的剂量后果，见图6。

图6 VES内循环风量的敏感性分析Fig.6 Sensitivity analysis of VES filtered recirculation air flow rate

由图6可见，内循环过滤流量分别为600cfm、900cfm和1200cfm时，事故后30天的主控室剂量分别为5.86mSv、4.39mSv和3.56mSv，随着内循环流量的增加，主控室的剂量有所降低。这主要是由于内循环过滤可以将进入主控室的放射性碘和粒子进行净化，内循环过滤流量越大，相当于单位时间内可以净化的主控室内空气流越多，因此剂量随着流量的增加而降低。当流量分别增加为原来的1.5倍和2倍时，剂量分别减为原值的75%和61%，剂量减少的较为显著。因此，内循环过滤流量对剂量的敏感性较高，可以将提高内循环过滤流量作为降低主控室的剂量的一种选择。

4.3 72h后辅助风机风量

VES开始运行后，空气储存罐储以恒定流量持续72h为主控室供气，72h以后主控室门打开，通过辅助风机向主控室引入新风，直到168h后VES恢复投入。本文分别分析了辅助风机流量为850cfm、1700cfm(CAP1000设计值)和2550cfm的情况下，主控室的剂量后果，如图7所示。

图7 72 h后风量的敏感性分析Fig.7 Sensitivity analysis of flow rate after 72 h

由图7可见，辅助风机流量分别为850cfm、1700cfm和2550cfm时，事故后30天的主控室剂量都为5.86mSv，随着流量的增加，主控室的剂量基本没有变化。其主要原因是由于，事故发生后24h放射性的进入是造成主控室剂量的关键来源，而辅助风机在VES模式运行72h后才使用，已错过了事故开始的24h，因此辅助风机流量与剂量敏感性很低，不宜采取改变辅助流量的方式来降低主控室的剂量。

4.4 VES模式切换前吸风量

当主控室通风系统检测到主控室中空气放射性达到高位整定值，触发VES模式启动信号，再经过信号传输和系统动作延迟时间，完成VBS正常运行模式向VES模式的切换。对于释放到环境中的放射性相同的情况下，切换到VES模式前不同的吸风量将导致进入主控室的放射性量不同。本文分别分析了VES模式切换前流量为650cfm、1040cfm、1300cfm(CAP1000设计值)和1560cfm的情况下，主控室的剂量后果，如图8所示。

图8 VES切换前风量的敏感性分析Fig.8 Sensitivity analysis of flow rate before transition to VES

由图8可见，VES模式切换前流量为650cfm、1040cfm、1300cfm和1560cfm时，事故后30天的主控室剂量分别为4.05mSv、5.14mSv、5.86mSv、6.70mSv，随着流量的增加，主控室剂量有所增加。吸风量分别为设计值的0.5倍、0.8倍和1.2倍时，剂量分别为设计值的69%、88%和114%。其原因主要是因为，虽然VES模式切换前流量越大，进入主控室的放射性越多，达到高位整定值的时间越短，但是信号产生时间与系统动作延迟相比是很小的，切换时间主要受到延迟时间的影响。因此切换前不同流量情况下实际切换到VES模式的时间相差并不大，而进入到主控室的放射性却与流量密切相关，切换前流量越大，进入的放射性量越多，因此切换前吸风流量越大，主控室剂量也就越大。由此可见，VES模式切换前流量对剂量的敏感性较高，可以将降低该流量作为降低主控室的剂量的一种选择。

4.5 非过滤渗入率

由于人员进出主控室，以及主控室压力边界存在一定的泄漏，外界环境中的气载放射性可以通过非过滤渗入的方式进入主控室。该渗漏率与主控室的设计和施工质量密切相关。本文分别分析了非过滤泄漏率为10cfm、15cfm(CAP1000设计值)和20cfm的情况下，主控室的剂量后果，如图9所示。

图9 非过滤渗入率的敏感性分析Fig.9 Sensitivity analysis of unfiltered inleakage flow rate

由图9可见，VES模式下非过滤泄漏率为10cfm、15cfm和20cfm时，事故后30天的主控室剂量分别为5.41mSv、5.86mSv、6.31mSv，随着非过滤渗入率的增加，主控室剂量有所增加。根据参考文献[3]，约30%的获得许可的电厂在1991—2001年间进行的压力边界完整性实验中，除一个电厂之外其余全部的实测泄漏率大于设计值，部分电厂的实测值甚至比设计值大几个数量级。因此，虽然剂量增加速度随非过滤渗入率的增加不是很快，但是在主控室设计中必须考虑非过滤渗入对主控室剂量的影响，并严格控制施工质量，建成后进行泄漏率实测，以验证设计值是否合理。

5 结语

本文根据CAP1000非能动核电厂主控室的设计特点，选择弹棒事故作为参考事故工况，对主控室剂量特征进行了分析，主要结论如下：事故情况下，内照射是主控室人员剂量的主要贡献者；事故后24h主控室剂量接近最大值，该段时间进入的放射性物质是造成主控室剂量的关键来源；对于不同的通风模式，对剂量有主要贡献的释放途径和核素不同；VES模式下，气罐储气量和辅助风机风量对剂量的敏感性比较低，不宜通过调整这两个参数来降低主控室的剂量，而内循环风量和VES模式切换前新风量对剂量的敏感性较高，可以通过调整这两个参数来达到主控室剂量降低的目的，并且主控室剂量分析中必须考虑非过滤渗入率的影响。

[1] 国家核安全局. HAD 002/01-2010. 核动力厂营运单位的应急准备和应急响应[S]. 北京， 2010.

[2] U.S. Nuclear Regulatory Commission. RG 1.183. Alternative Radiological Source Terms for Evaluating Design Basis Accidents at Nuclear Power Reactors [S]. Washington， DC， 2000.

[3] U.S. Nuclear Regulatory Commission. RG 1.196. Control Room Habitability at Light-Water Nuclear Power Reactors [S]. Washington， DC， 2007.

Study on Dose Characteristics of CAP1000 Main Control Room in Accident Condition

ZHANG Shan-shan， FU Ya-ru， SUN Da-wei， MEI Qi-liang

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

In order to keep workers stay in main control room(MCR) and take emergency measures to relieve accident under accident conditions at nuclear power plants，main control room must be habitable. Because radiation level is important for habitability， the receiving radiation dose of workers must be within the limits of the regulations. This paper analyzes the dose characteristics of MCR under ejection rod accident as an example， explains the dose results of different ventilation modes， the dose contribution of different release paths and nuclide groups， and the dose trend with time. Sensitivity analysis of dose affected by the VES design parameters are performed based on the design characteristics of CAP1000. The result of this paper sustains the further dose analysis and habitability improvement of MCR.

CAP1000； Design basis accident (DBA)； Main control room(MCR)； Dose analysis； Habitability

2016-11-19

国家科技重大专项课题(2013ZX06004-008)

张姗姗(1984—)，女，山东人，工程师，硕士，现从事事故放射性后果分析工作

TL48

A 文章编号：0258-0918(2017)01-0094-07