基于核电事故的释放放射性物质建模介绍

2018-12-07张磊曲莎

商品与质量 2018年49期

张磊曲莎

中国中原对外工程有限公司北京 100044

1 介绍

为了确定核电厂严重事故条件下的适当决策，核电厂响应分析对于获取安全和风险边际至关重要。由于热力学的影响，裂变产物在不同事故下的释放情况复杂，因此，在严重事故中研究裂变产物在安全壳内的行为是必不可少的。在LOCA期间，气态形式的放射性碘是最重要的源核素之一，因为它具有高反应性、高裂变产率、环境流动性。本文介绍一种分析模型对反应堆建筑物内的空气中气态碘进行模拟的方法，用于研究元素碘的物理行为。

2 模拟方法

2.1 压水反应堆的特征

双回路压水反应堆冷却系统，包括一个反应堆压力容器，两个冷却剂回路，两个蒸汽发生器和一个连接在其中一个回路中的稳压器。轻水用作反应堆的冷却剂和慢化剂。二回路包括主给水系统、主蒸汽系统等。关键堆芯安全设备系统包括紧急堆芯冷却系统，余热排出系统和应急给水箱等[1]。反应堆堆芯包含69个控制棒组件和177个燃料组件。每个组件中有208个燃料棒。堆芯燃料棒长度为3.66米，其中反应堆容器的高度为12.42米，含水量为113.55立方米。控制棒由Ag-Ln-Cd组成，浓度分别为85%Ag，10%In和5%Cd。燃料棒外径为1.092厘米，而燃料棒间距为1.443厘米。燃料芯块的总体实质尺寸与标准燃料芯块的尺寸相同。

2.2 严重事故的假设

本文考虑了严重事故情况下的LOCA损失，高压喷射系统和低压喷射系统等无法使用等情况。由于阀门故障，应急储水箱也被认为不可用。在LOCA期间，安全壳的大气温度和压力由蒸汽产生速率、冷却速率和系统的几何形状决定。在LOCA之后不久，预计安全壳的温度达到80℃，压力达到7.533Pa[2]。

2.3 数学建模

介绍在安全壳内释放的半动力学模型碘活性，以研究在严重事故情况下的内含碘行为。数学模型是一组耦合线性方程。这些线性方程只是容器内体积活度增益和体积活度损失差异的平衡方程。体积活动的增加是由于受损燃料中碘的持续释放和自由表面的再悬浮。另一方面，体积活动的损失是由于自然衰变、再循环过滤，通过喷雾系统去除，从容器中泄漏，以及沉积在壁和自由表面上的碘损失。因此，该模型需考虑由于自然衰变而去除碘的衰减常数，在容纳表面上的碘沉积而导致的损失项，喷雾的损失，通过再循环过滤的损失，由于排气系统泄漏导致的损失[3]。

液滴收集效率需考虑元素碘的气相传质系数、液相传质系数、安全壳空气中的液滴暴露时间、液滴蒸汽中的碘扩散系数、液滴直径、扩散元素碘的分子量、液体水的粘度等。

无遏制表面上的表面活性也具有增益项和损失项，需考虑表面活度的变化率。影响变化率的因素包括碘在自由表面上的沉积速率，重新悬浮碘。在核电厂正常运行期间，自由表面和空气中的标称活动量可以忽略。因此可忽略事故进展的初始表面活动。核电站常规操作引起的安全壳空气中的标称空气活动通过吹扫和清洁系统不断清理。因此，与意外释放的活动相比，这种空中活动可以忽略不计。因此，初始意外释放体积空气传播活动可以通过燃料释放部分、冷却剂释放部分及堆芯损伤等因素来表达。

本文假设只有10%-20%的活动是随着事故的进展而立即活动。在混合冷却剂与混合速率之后，剩余的活动在封闭空气中传播。作为时间的函数，活动通过受损燃料的冷却剂不断进入密闭空气。因此，损伤燃料是一种连续的来源，有助于遏制空气中的活动。因为，当LOCA启动时，泄漏率瞬间达到非常高的值，因此，随着抽吸释放，该冷却剂活动立即在空气中传播。即使具有如此高的泄漏率，也只能有20%-25%的总冷却剂损失。

2.4 计算方法

模型需对如下方面进行考虑：体内碘容纳活动：需评估在反应堆安全壳正常条件下的碘的空气传播体积活度，即没有喷雾的正常排气和再循环速率；堆芯损伤效果：需模拟安全壳内碘的体积活动的堆芯损伤效应；瞬时释放效果：LOCA是由于冷却液管道的不受控制的泄漏造成的，冷却剂爆发释放导致放射性碘立即逃逸，需模拟安全壳内碘的体积活度以获得各种瞬时爆发释放值；混合率对碘活性的影响：需模拟各种混合速率的延迟堆芯释放，其通过冷却剂有助于空气传播的体积活动，碘在水中具有复杂的化学性质；泄漏率的影响：抑制压力显著影响碘活性的量化，由于蒸汽和氢气的产生，安全壳中的压力升高，这可能导致安全壳泄漏增加，因此，需模拟不同排气率值的碘的体积活度；再循环率的影响：模拟了安全壳内碘的体积活度，以获得90%的再循环过滤效率的各种再循环值；喷射流量对安全壳容积活动的影响；再循环过滤器效率对体积活动的影响：在传统的压水堆安全壳设计中，安全壳清洗和清洁系统与炭过滤器一起使用。炭过滤器可有效收集元素碘，并且收集碘的效率为99.9%。然而木炭本质上是吸湿的，其效率随时间降低。在事故期间，还产生蒸汽，其引导碘流动导致收集效率降低，因此需模拟碘对各种过滤效率值的空气传播活动；喷雾液滴对碘活性的影响：在LOCA期间，安全气氛温度开始上升，并在几分钟内达到80℃。喷雾系统的验收标准是随着温度和压力的升高而激活的。此外，喷雾收集效率还取决于容纳空气的温度，因为它取决于碘（元素和有机物）的扩散。