核电厂通风系统碘吸附器效率试验安全性分析

姚岩岩，高琳锋，吴振龙，赵高昕

(1.阳江核电有限公司，广东 阳江 529941； 2.中国辐射防护研究院，太原 030006；3.辽宁红沿河核电有限公司，辽宁 大连 116001)

核电站通风净化系统中需要安装碘吸附器对工艺排风系统和新风系统气流中可能存在的放射性碘进行滤除，以达到法定的排放要求和新风标准。

碘吸附器除碘过滤是在物理吸附和化学吸附共同作用下将气态放射性碘捕集到吸附介质活性炭中的过程，吸附剂通常为浸渍煤基炭和椰壳炭。

物理吸附是基于活性炭是一种多孔结构吸附介质，与气体分子有较大的有效接触面积，当气流通过吸附介质时，放射性碘分子通过分子间范德华力被吸附到活性炭孔结构表面上的过程。物理吸附主要作用于单质碘。

化学吸附是电子在吸附质和吸附剂表面之间交换或共有而出现的化学反应。活性炭化学吸附作用是利用含有稳定碘化物(K127I 等)、特殊反应试剂浸渍的活性炭通过同位素交换、换位反应的方式去除放射性碘。化学吸附主要针对有机放射性碘分子，浸渍剂一般是碘化钾(KI)和三乙烯二胺(TEDA)。

1 碘吸附器现场试验

1.1 碘吸附器现场试验类别

核电站通风净化系统，为了验证碘吸附器安装到位后整个除碘回路的有效性，必须进行现场试验。根据试验条件和试验目的，现场试验分为工程调试验收试验、周期性监督试验和更换后再鉴定试验三类。

工程调试验收试验目的是验证核空气净化系统中首次安装到位的碘吸附器及回路是否满足除碘设计要求。试验目的主要包括：验证系统试验注入、采样装置与接口的设计是否合理，碘吸附器及整个除碘回路效率是否合格，系统能否按设计要求运行等。

周期性监督试验是指系统投入运行后，定期检查连续、间断、备用等运行工况的系统是否仍保持规定的除碘性能。碘吸附器连续、间断、备用运行过程中，安装框架下沉、密封胶垫老化、吸附剂自身老化及中毒等现象会使系统的除碘效率发生变化。因此，为保证核空气净化系统除碘性能满足规定要求，必须进行定期现场试验。

更换后再鉴定试验是由于某些原因需更换碘吸附器及相关系统部件或引起碘吸附器本身及安装状态改变后进行的运行中的再鉴定试验。再鉴定试验是验证部件更换等原因造成碘吸附器重新安装后系统的除碘性能是否满足规定要求。

1.2 核电厂碘吸附器现场试验方法应用现状

目前，我国在役核电站中，碘吸附器除碘性能试验方法主要包括从美国引进的氟里昂法[1]和从法国引进的放射性甲基碘法[2]。

氟里昂法标准源于美国机械工程师协会编制的ASME N510 《核空气处理系统的试验》。国内依据EJ/T 791—2014《核空气净化系统的现场检验》[3]，以氟利昂(三氯氟甲烷R-11为代表)为示踪剂对试验回路进行机械检漏。现场泄漏率试验合格后，选取有代表性活性炭炭样在实验室依据EJ/T 20056—2014《核级活性炭去除甲基碘性能试验方法》[4]进行除碘效率试验。现场泄漏率试验和实验室除碘效率试验结果合格，碘吸附器可继续使用，否则需更换碘吸附器或活性炭吸附剂，进行再鉴定试验。

碘吸附器泄漏率试验根据示踪剂的注入方式又分为连续注入法和脉冲注入法。连续注入法是指泄漏率试验过程中连续注入示踪气体并持续检测碘吸附器上下游示踪剂浓度的方法，国内一直采用连续注入法。脉冲注入法是脉冲注入示踪气体并且连续检测碘吸附器上下游示踪剂浓度的方法。

连续注入和脉冲注入两者只是注入方式的区别。国内，王坤俊等人[5]对两种方法进行了对比研究，在常规检测中脉冲注入法泄漏率试验结果与连续注入法一致。当示踪剂快速穿透碘吸附器活性炭层(局部炭层变薄或活性炭老化、中毒等部分失效)与炭层存在较小泄漏时，脉冲注入法上下游检测曲线峰值位置较连续注入法区分更加明显(存在小泄漏时上下游检测曲线峰值位置完全一致，快速穿透但无泄漏时下游峰值位置比上游峰值位置略有延后)。另外，脉冲注入法氟利昂示踪剂用量更少，这在一定程度上减小了对臭氧层的危害。

碘吸附器泄漏率试验示踪剂选择方面，以R-11为代表的传统示踪剂虽然具有价格低廉，易于检测等优点，但其对臭氧层的破坏在环保方面产生负面的影响。基于传统示踪剂环保方面的考虑，在满足美国机械工程师协会核空气与气体处理规范(ASME AG-1)对R-11替代物要求的标准下，Kevin等[6]研究了十氟戊烷(Vertrel-XF)、全氟烷烃类PFT(包括全氟甲基环戊烷PMCP、全氟甲基环己烷PMCH、全氟二甲基环己烷PDCH等试剂)代替R-11来检测活性炭层机械泄漏率的可行性。国内，梁飞等[7]也探讨了十氟戊烷(Vertrel-XF)、全氟烷烃类PFT等试剂作为示踪剂用于碘吸附器机械泄漏率检验的可行性，分析了示踪剂的分子量、沸点，试验温度、气流比速、湿度等条件以及活性炭含水量等因素下示踪气体对活性炭解吸的影响。另外，俞杰等[8-9]采用环己烷作为示踪剂，通过气体采集袋定量采集样品，光离子化气相色谱仪分析样品的方式计算得出碘吸附器机械泄漏率。

氟利昂法不同示踪剂在碘吸附器泄漏率试验方面均有一定的可取之处，其中环己烷作为示踪剂的检测方法在检测灵敏度、稳定性、环保性方面表现良好，并在核电现场应用中得到验证。碘吸附器泄漏率试验不同示踪剂的特性比较列于表1。

表1 氟利昂法不同示踪剂试验比较Tab.1 Comparison of different tracer tests of the Freon method

吸附介质活性炭除碘性能试验方面，美国材料与测试学会标准ASTM D 4069—95 (Reapproved 2014)[10]规定了对单批次的均匀浸渍活性炭随机抽取的三个样品需进行的旨在确定针对指定用途适用性的“鉴定试验”，对每一批同样级别或类型的浸渍活性炭的代表性样品进行的旨在确定该批活性炭是否符合指定规范需进行“批试验”。美国机械工程师协会标准ASME AG-1—2015《核空气和气体处理规范FF篇》[11]规定了鉴定试验和批试验的条件及参数，具体按照ASTM D 3803[12]标准进行。

放射性甲基碘法标准源于法国机械标准委员会编制的AFNOR NF M62-206《碘吸附器净化系数的测定方法》。国内依据EJ/T 1183—2005《核空气净化系统碘吸附器净化系数的测定 放射性甲基碘法》[13]，以放射性甲基碘作示踪剂对试验回路进行检验。放射性甲基碘法是对整个试验回路包括机械泄漏和碘吸附器吸附效率在内的总的除碘效率值的检测，试验结果合格则继续使用，否则更换碘吸附器或活性炭吸附剂，进行再鉴定试验。

放射性甲基碘法按示踪剂制备方式可分为：采用放射性碘化钠溶液和硫酸二甲酯反应制备示踪剂的常规方法；孔海霞等[14-15]开发的以三甲基氯硅烷和碘化钠作为去烷基化试剂与磷酰基乙酸三甲酯在乙腈溶液中反应制备放射性甲基碘的试验方法；高琳锋等[16-17]开发的在均相溶液中非放射性甲基碘和放射性碘化钠通过碘同位素交换制备放射性甲基碘的试验方法。

基于放射性甲基碘示踪剂不同的制备方式，三种试验方法在示踪剂产率、试剂物性(毒性、腐蚀性、粘度等)、操作风险、试剂管理及残液处理等方面各有特点(见表2)。其中同位素交换法因在示踪剂产率、试剂毒性、操作风险等方面具有良好表现，在核电现场得到迅速推广及应用。但是由于采用方法较多，电站通风系统设计复杂多样，碘吸附器现场试验安全性方面存在一些问题，值得探讨。

表2 三种试验方法综合性能比较Tab.2 Comparison of comprehensive performances of three test methods

2 现场试验安全性分析

碘吸附器现场效率试验安全性主要包括试验过程相关的安全性、系统运行条件相关的安全性以及除碘回路失效三部分。

2.1 试验过程安全性分析

碘吸附器现场效率试验过程主要包括试剂配制及示踪剂制备、示踪剂发生及采样、试验结果分析以及试验废物处理等环节。

氟里昂法机械泄漏率检验所用试剂氟利昂为成品试剂，试剂本身无放射性及毒害作用，试验过程也无放射性及危险性物质产生与残留，设备操作相对简单，现场试验风险较低。

放射性甲基碘法(以硫酸二甲酯法分析)通过强腐蚀性毒性物质硫酸二甲酯和放射性碘化钠溶液发生化学反应制备放射性甲基碘示踪气体。试验过程安全性包括放射性试剂和毒性试剂存储管理，放射性试剂和毒性试剂配制及现场运输、试剂及设备现场操作以及放射性废液存储及处理等过程的风险。

核电现场碘吸附器效率试验放射性试剂为非密封放射性碘化钠溶液，所购50 mCi Na131I溶液根据原国家环境保护总局公告(2005年第62号)《关于发布放射源分类办法的公告》放射源分类原则，属于Ⅴ类放射源。Na131I试剂审批、购买、运输、管理等过程应该按照Ⅴ类放射源规定进行。

碘吸附器效率试验Na131I溶液单次最大使用活度为1.11×108Bq，试剂毒性组别为中毒，修正因子0.1。试剂操作方式为简单操作，放射源状态为液态，操作方式与放射源状态修正因子为1。依据国标GB 18871—2002《电离辐射防护与辐射源安全标准》放射性核素日等效操作量等于放射性核素的实际日操作量(Bq)与该核素毒性组别修正因子的积除以与操作方式有关的修正因子所得的商。Na131I溶液日等效最大操作量为1.11×107Bq，按照非密封源工作场所放射性核素日等效最大操作量分级，工作场所级别不低于丙级(日等效最大操作量为豁免活度值以上直到2×107Bq)，工作场所的安全管理不低于Ⅲ类放射源管理要求。

碘吸附器效率试验Na131I溶液试剂放射性活度的配制在负压手套箱中进行，通过含铅手套物理隔离的方式操作。试剂操作过程中可能产生含碘放射性气溶胶和气体的泄漏，建议试剂操作过程中人员佩戴除碘面罩、铅眼镜、铅围裙以及纸衣等必要的辐射防护用品，避免放射性内污染和表面沾污风险，并将外照射风险降到可接受范围。

碘吸附器效率试验中试剂硫酸二甲酯的管理参照危险化学品五双管理制度：双人收发、双人记帐、双人双锁、双人运输、双人使用。硫酸二甲酯属于强腐蚀性毒性试剂，试剂操作过程需佩戴防毒面罩、护目镜、防酸碱手套、鞋套，必要时穿戴防化服等附加防护用品。

非密封放射性物质Na131I溶液在核电厂现场运输时采取单独运输的方式。Na131I溶液密封于高硼西林小瓶内，西林小瓶置于内衬缓冲层的辐射屏蔽铅罐中，铅罐装于泡沫保护的不锈钢箱内。多层密封和缓冲防护确保非密封放射性物质Na131I溶液安全运输到试验现场。

通风系统碘吸附器效率试验现场试剂操作在甲基碘发生器[6]内进行，通过硫酸二甲酯与碘化钠溶液在西林小瓶内发生化学反应制备放射性甲基碘示踪气体。甲基碘发生器有三级负压装置，能最大限度确保试验过程产生的放射性甲基碘气体注入到试验系统管路中。但由于试验过程试剂操作为开放式操作，存在放射性碘化钠液体、硫酸二甲酯试剂以及反应生成的放射性甲基碘气体泄漏的风险，试验人员需佩戴除碘面罩、乳胶手套、纸衣等完备的防护用品，谨防放射性内污染、表面沾污，腐蚀性试剂伤人风险以及试验场地污染风险。另外，现场需配置碘监测仪对环境中气载放射性碘进行实时监测。如有气载放射性碘的泄漏，需投用碘净化小车对空气污染房间进行气体除碘净化。

放射性废液处理方面，放射性131I半衰期为8.04天，试验残液属于含毒性试剂的短半衰期放射性废液。根据GB 14500—2002《放射性废物管理规定》18项(核技术应用废物的管理)规定，对含有较短半衰期核素的废物应实行贮存衰变管理。碘吸附器效率试验产生的放射性废液通过贮存衰变的方式处理。放射性废液小瓶转存于碘源柜内，碘源柜安装有圆筒高效过滤器和碘吸附器，去除存储衰变过程中可能逃逸出废液小瓶的含碘放射性气溶胶和气体。放射性碘废液衰变为免管废物或极低放废物后，再进行无害化处理。

国内由于引进的核电机组类型不同，核通风系统碘吸附器除碘性能试验需采用不同的试验方法。氟利昂法具有现场操作简单、风险低等优点，但其系统设计及调试阶段需综合考虑气流均衡、取样代表性等多种因素的影响。另外，氟利昂法除碘效率采用泄漏率试验和除碘性能试验分步的方式进行，存在系统实际除碘效率与试验值有偏差以及时效性差的缺点。放射性甲基碘法试验则真实地反映了包括系统机械泄漏在内的总的除碘效率，但该方法具有现场操作风险高，经济代价大等缺点。另外，放射性甲基碘法不能分辨机械泄漏和碘吸附器效率，可能因机械泄漏导致碘吸附器提前报废，降低了碘吸附器的正常使用寿命。氟利昂法与放射性甲基碘法详细比较列于表3。

表3 氟利昂法与放射性甲基碘法安全性比较Tab.3 Comparison of safety between the Freon method and the radioactive methyl iodide method

上述比较分析表明：放射性甲基碘法试验过程涉及非密封放射性物质碘化钠和毒性物质硫酸二甲酯试剂的配制、运输、现场操作以及试验放射性废液的处理，现场试剂开放式操作存在放射性物质和毒性物质泄漏造成人员伤害和环境污染的风险。碘吸附器现场效率试验必须严格执行作业程序，工作人员秉持严谨的工作态度、具有熟练的工作技巧，操作时采取必要的防护措施，以确保试验过程的安全。

2.2 系统条件安全性分析

核电厂通风净化系统主要包括人员可居留区的新风净化系统和工艺尾气处理及排气系统。本文以M310型号机组以及国产CPR1000型号机组为例进行试验条件安全性分析。

人员可居留区的新风系统包括主控室新风系统(DVC、DCL等系统)和应急楼新风系统(DWM等系统)。放射性甲基碘法示踪剂为放射性甲基碘气体，当碘吸附器失效、风管有机械泄漏等情况时，存在放射性气体泄漏的风险，会对人员居留空间工作人员健康和环境产生危害。

主控室和应急楼新风系统现场试验有独立的试验回路，正常情况下放射性示踪气体经碘吸附器吸附过滤后排到外部大气中。但是，当存在碘吸附器失效且风机下游风管有机械泄漏时，由于风机后风管内压力相对环境为正压，存在泄漏的风险。另外，部分核电机组主控室新风系统除碘回路风管及箱体位于主控室正常送风回路房间内(房间作为部分送风风道)，该房间在主控室正常通风气流条件下相对外部环境呈负压状态。此时如启动除碘回路风机进行碘吸附器效率试验，风机前端部分管路内气压相对该房间呈正压状态，当管路存在机械泄漏(随着运行时间的增加风管连接部位的松动、连接密封胶老化以及管路在可能存在的高湿度气流、带腐蚀性离子气流长期侵蚀下形成局部机械泄漏)时放射性示踪气体会泄漏到房间被正常送风系统输送到主控室人员可居留区域。

工艺尾气处理及排气系统按照碘吸附器与风机安装相对位置分为负压系统和正压系统。负压系统风机位于碘吸附器排架下游，风机上游管路内压力小于环境压力，避免了碘吸附器除碘效率试验时风管机械泄漏造成放射性示踪剂泄漏的风险。

工艺尾气处理及排气正压系统风机位于碘吸附器排架上游，以ETY系统(安全壳内大气监测系统)为例，除碘效率试验示踪剂放射性甲基碘注入碘吸附器上游风管后气流相对环境压力呈正压状态。当风管以及风管连接部件存在机械泄漏时会有放射性气体扩散出管路造成人员放射性内污染以及环境污染的风险。

上述分析表明：人员可居留区的新风净化系统和工艺尾气处理及排气正压系统，由于系统特殊的设计要求以及功能特征，在进行除碘效率试验前，建议实施系统管路密封性打压试验或进行其它管路密封性检查等措施，从而减小碘吸附器效率试验以及正常运行时系统可能存在放射性气体泄漏造成的不良影响。另外，对于DVC系统除碘回路进行效率试验时，如有必要，在核电运行规范允许的前提下，协商临时停运主控室正常回路送排风风机，确保除碘回路碘吸附器前端管路相对于环境呈负压状态，降低放射性示踪剂泄漏以及示踪剂抽吸到主控室可居留区域的风险。

2.3 除碘回路失效分析

碘吸附器除碘效率降低主要原因包括机械泄漏和吸附剂失效两种情况。

机械泄漏包括碘吸附器安装排架以及墙体或箱体、管路贯穿孔缝等造成的泄漏，碘吸附器安装不到位造成的泄漏，碘吸附器本身产生泄漏等。

随着运行时间的增加，碘吸附器安装排架紧固件松动、排架与墙体连接密封胶垫老化、墙体贯穿件孔洞密封胶老化、碘吸附器密封胶垫老化以及碘吸附器压紧装置松动是造成机械泄漏的主要原因。另外，碘吸附器活性炭装填不密实致使炭床塌陷形成沟流或薄层，碘吸附器活性炭吸附剂在气流长期冲刷下吸附剂颗粒磨损造成的吸附剂下沉以及碘吸附器构件加工质量低等原因也可能产生机械泄漏。

吸附剂失效主要包括活性炭老化、中毒，浸渍剂挥发，活性炭孔结构被覆盖等影响因素。核电厂通风系统的碘吸附器效率降低与其浸润剂KI氧化等呈现的老化现象相关，也与被过滤物的毒化有关。潮湿空气、有机溶剂、油漆类气体与活性炭发生反应或被碘吸附器吸收，使碘吸附器随运行时间逐渐老化、中毒，从而降低对碘的吸附能力。新的核电机组，安装调试阶段施工和试验中释放的有机气体，对碘吸附器带来的毒化作用，会在较短的运行时间内出现效率显著降低或效率不合格的情况。其次，气流冲刷使吸附剂中浸渍剂挥发也造成吸附效率降低。

另外，碘吸附器在长期运行时活性炭孔结构会被气流中以灰尘为主的微米级颗粒覆盖，特别是TEG系统(核岛废气处理系统)，碘吸附器前没有安装预过滤器、高效过滤器过滤气流中的颗粒物，颗粒物极易覆盖活性炭表面及内部孔结构，使活性炭吸附表面积下降，造成除碘效率降低。

针对除碘回路机械泄漏，建议对安装排架紧固件以及碘吸附器压紧装置、密封胶垫、孔洞密封胶等进行定期检查、修复、更换，从而减小机械泄漏对除碘效率的影响。对于碘吸附器吸附剂失效，建议在有机溶剂、油漆类使用过程中尽量避开除碘回路运行期间。另外，新建核电机组运行初期应加强核岛内核清洁，降低颗粒物对碘吸附器的影响。

3 思考与建议

作为事故条件下辐射防护除碘过滤的安全边界，核电厂通风系统碘吸附器及相关设备的有效运行起着重要的作用。碘吸附器现场效率试验是确保除碘回路的正常运行、也是核电厂安全运行的必备条件之一。对于其现场试验安全建议如下：①碘效率试验涉及放射性试剂和毒性试剂的使用以及放射性废物处理，试验人员必须秉持严谨的工作态度、具有熟练的工作技能，严格执行作业文件，操作时采取必要的防护措施。②人员可居留区的新风净化系统和工艺尾气处理及排气正压系统试验前通风管路需进行严格的密封性检查。③在延缓、避免除碘回路失效方面，定期排查碘吸附器安装压紧装置和密封孔洞形成的机械泄漏，避免有机试剂在除碘回路运行期间大量使用，增加必要的核清洁次数，从而延长碘吸附器的使用时间。