文丘里洗涤过滤型FCVS性能评价述评及建议

张计荣,陆 彬,王 稹,梁 飞,李世军,吴 波

(1.中国辐射防护研究院环境工程技术研究所，太原 030006；2.福建宁德核电有限公司技术部，福建 宁德 355200)

前 言

核电作为一种清洁能源，正常情况下几乎不会对环境造成污染，已成为电力工业的重要组成部分，积极推进核电建设已成为我国能源建设的一项重要国策。当核电站发生超设计基准的严重事故时，核反应堆安全壳内的压力会不断升高，有可能使得安全壳完整性受到破坏，导致大量气载放射性污染物释放对环境及人员产生巨大不利影响，如2011年发生的日本福岛核事故，仅向大气环境中释放的放射性131-I就近1.6×1017Bq[1]。安全壳过滤排放系统(Filtered Containment Venting System,简称FCVS)是核电站应对严重事故的有效缓解措施之一，通过主动泄压实现反应堆安全壳内的压力不超过承载限值，以维持安全壳的完整性，净化单元对气流中的放射性污染物进行净化以降低其对环境造成的危害。文丘里洗涤过滤型FCVS因其性能优越而被广泛认可与应用，已成为安全壳过滤排放系统的发展趋势。对国内外文丘里洗涤过滤型FCVS性能评价的现状进行了阐述与比较，指出了国内开展性能评价是不全面的，需进一步开展相关性能评价研究；此外，作为严重事故工况的过滤系统，也应开展现场试验研究，以验证其功能和性能满足要求。

1 文丘里洗涤过滤型FCVS简介

文丘里洗涤过滤型FCVS较成熟的设计制造方有美国Westinghouse公司和法国AREVA公司，美国Westinghouse公司设计的多管文丘里洗涤过滤型FCVS，存在文丘里管数量多、造价高且不利于维修的弊端，本文不做进一步讨论。法国AREVA公司设计的高速滑压文丘里洗涤过滤型FCVS，不同工况下流经文丘里洗涤器的体积流量相对恒定，长短期运行均能对气载放射性污染物保持较高的过滤效率，被世界上多个国家实际应用或国产化研制。标准高速滑压文丘里洗涤过滤型FCVS由文丘里洗涤器、金属纤维过滤器净化单元组成，其中文丘里洗涤器中是含有一定量NaOH和Na2S2O3成分的水洗液，去除排放气体中较大粒径的放射性气溶胶、单质碘和有机碘；而金属纤维过滤器则用于去除细小粒径的气溶胶；后由于安全、环境、管理等要求的提高，AREVA公司对标准高速滑压文丘里洗涤过滤型FCVS进行了改进，在金属纤维过滤器之后又增设了分子筛吸附器净化单元，使得有机碘的去除效率进一步提高。图1给出了最先进三模块组合文丘里洗涤过滤型FCVS的流程示意[2]。

图1 文丘里洗涤过滤型FCVS(三模块)Fig.1 Venturi scrubbing and filtration type FCVS

2 国外文丘里洗涤过滤型FCVS性能评价现状

核反应堆安全壳的完整性分析及应对严重事故确保其完整性措施的研究与评估由来已久，核技术应用领先的法国，在上世纪70年代发布的核反应堆安全分析报告，认为有潜在的风险导致安全壳破裂从而使其完整性得到破坏[3]；美国三里岛核事故后，通过主动泄压使得安全壳内的压力不超过其承载限值，以缓解和消除其完整性受到破坏的威胁，成为了国际研究机构一致的设计理念；前苏联切尔诺贝利核事故造成巨大的不利环境影响后，对核反应堆FCVS的改进、评价与应用更是引起了世界各国的广泛关注；日本福岛核事故后，各个国家再次进一步启动了适用于缓解严重事故的FCVS的性能研究与评估工作。

在文丘里洗涤过滤型FCVS性能评价方面，早期AREVA公司仅对文丘里喷嘴进行BaSO4气溶胶去除效率试验，参考法国AFNOR NF 44-011标准[4]对金属纤维过滤器进行荧光素钠气溶胶去除效率试验,并不开展元素碘、有机碘去除效率评价测试。目前AREVA公司具备了在不同压力(0.02～1.0)MPa、流量、气体组分条件下，应用宽粒径范围的BaSO4、SnO2、CsI、MnO、DOP、荧光素钠等开展气溶胶去除效率评价；此外，还可以进行元素碘、有机碘的去除性能评价测试。其标准及改进后的文丘里洗涤过滤型FCVS性能评价后给出的技术指标[5]见表1。

表1 AREVA公司文丘里洗涤过滤型FCVS及其性能参数Tab.1 Performance parameters of scrubbing and filtration type FCVS produced by AREVA company

注:S:Standard;P:Plus;a:小粒径气溶胶粒子;b:大粒径气溶胶粒子。

福岛核事故后，日本对将安装在柏琦-卡里瓦核电站的文丘里洗涤过滤型FCVSP进行了高温蒸汽流条件下的气溶胶净化系数试验、轻微过热条件下的甲基碘净化系数试验；韩国自2013年起启动了文丘里洗涤过滤类型FCVS的研制工作，性能评价分为净化组件性能测试、整体测试及第三方验证[6]，其中在FNC技术有限公司开展净化组件性能测试[7]，在韩国原子能研究院(KAERI)开展去除气溶胶、碘的整体效率测试，最终FCVS的可用性由瑞士保罗谢尔研究院(PSI)开展了第三方验证试验；印度也开展了应用于FCVS的实验室规模文丘里洗涤器除单质碘性能研究[8]。

目前，上述国外研究机构建立的文丘里洗涤过滤型FCVS性能评价系统[9]及其可开展的试验项目见表2，由此可见，国外多家研究机构开展了FCVS对气溶胶、元素碘及有机碘的去除效率性能评价研究，以此判断FCVS去除放射性气溶胶、碘的效率是否达到了设计要求。

表2 国外FCVS性能评价实验系统汇总Tab.2 Summary of foreign FCVS performance evaluation experiment

3 国内文丘里洗涤过滤型FCVS性能评价现状

目前，国内核电站配备的安全壳过滤排放系统以文丘里洗涤过滤型FCVS为主[10]，供货方即为AREVA公司，除成本高以外，如有国际贸易争端等将有可能导致无法采购到该类型产品，且不利于我国核电的自主化与走出去。因此，国内有部分科研院所、高校开展了文丘里洗涤过滤型FCVS的国产化研制与性能评价工作，成果较为突出的主要是中船重工第七一八所、哈尔滨工程大学等。

中船重工第七一八所开发了文丘里洗涤过滤型FCVS[11]，并制定了安全壳过滤排放装置企业标准[12]，其性能评价含外观检查、去除气溶胶试验和过滤容器的压力试验，其中去除气溶胶效率试验的条件与要求见表3。由此可见，去除气溶胶效率测试仅局限于大粒径的气溶胶去除效率测试，且未在安全壳过滤排放系统实际工况下进行效率测试，此外，也不要求对安全壳过滤排放装置开展除碘性能评价。

表3 气溶胶效率试验条件及要求Tab.3 Conditions and requirements of aerosol efficiency test

哈尔滨工程大学也对文丘里洗涤过滤型FCVS开展了研制与性能评价工作，建立了1/6大尺寸整体性能试验系统和鼓泡层实验台架，用于研究系统的水力学和过滤性能，鼓泡层对CH3I的过滤性能[9]，哈尔滨工程大学在此方面较突出的研究成果如下。

3.1 气溶胶去除效率性能评价

基于满足效率试验验证结果的有效性与保守性原则，综合考虑试验的安全性与可操作性，确定了试验用气溶胶为BaSO4、TiO2，质量中值直径为1μm，粒径分布的几何偏差为(1～2)，配送压力为(0.1～0.65)MPa，主管道配送浓度为(50～900)mg/m3[13]；结合严重事故工况安全壳过滤排放系统的启动压力、运行时间，研制了基于气力输送原理的固体粉末气溶胶发生装置[14]，可实现在高压模式下、连续不间断、发生质量浓度可调节地供给试验用气溶胶；在气溶胶取样测试技术研究方面，采用了基于滤膜称重法原理的气溶胶过滤效率测试技术[15]，为了避免采样滤膜吸湿后对滤膜称重结果的影响，采样滤膜选取了疏水性的聚四氟乙烯滤膜，在200℃条件下将滤膜在采样前后分别烘干2h至恒重，并采取了措施避免静电现象对测量结果的影响。

根据滤膜称重法的原理，影响气溶胶过滤效率计算的另外一个参数是气体取样体积，而对于空气与水蒸气混合介质的取样，目前没有可用于混合气体积测量的流量计，基于气溶胶在载气中均匀分布、进入气体流量计前水蒸气被完全冷凝的前提，气溶胶浓度则仅与空气的取样体积有关。因此，在满足取样段的保温、进入气体流量计前水蒸气的充分冷凝条件下，科学地设计了图2所示的气溶胶取样系统，实现了气体体积的准确计量。

1.采样器;2.压力变送器;3.数据采集板;4.凝液罐;5.换热器;6.减压阀;7.加热带;8.温控仪图2 气溶胶取样系统Fig.2 Aerosol sampling system

3.2 放射性碘去除效率性能评价

严重事故工况下，事故安全壳内释放的气体中不仅仅携带有放射性气溶胶，还有放射性元素碘、有机碘等物质。哈尔滨工程大学在开展文丘里洗涤过滤型FCVS研制时，开展了文丘里洗涤器净化单元对元素碘、甲基碘去除效率的影响因素及改进等方面做了研究，主要是引射量、气相流量、碘浓度、温度、喉部气流速度及淹没层深度等因素对碘过滤性能的影响[16-17]。气态元素碘的采样通过KI溶液将其吸收，然后用分光光度法测量，并开展了放置时间、方式及温度[18]对吸收液吸光度的变化规律研究；对于有机碘代表性的甲基碘去除性能测试研究方面，以去离子水和碱性硫代硫酸钠溶液为吸收液，在吸收液温度、浓度不同条件下开展了甲基碘的去除效率研究，对物理传质、化学反应等[19]不同甲基碘去除机理及影响做了研究；此外，哈尔滨工程大学曾申请了一个专利，提及了元素碘、有机碘的配送及取样[20]；设计了一体式安全壳过滤排放系统[21]，增设银沸石过滤器净化单元用于改善有机碘过滤效率，但调研到的现有公开文献并没有最终的整体除碘性能评价结果报告。

从目前调研到的公开资料来看，我国在文丘里洗涤过滤型FCVS性能评价方面已经取得了相当不错的进展，但在某些性能评价方面仍未开展，特别是与AREVA公司相比仍有一定的差距。中船重工七一八所起草的企业标准，仅局限于大粒径的气溶胶去除效率测试，且未在安全壳过滤排放系统实际工况下进行效率测试，此外，也不要求对安全壳过滤排放装置开展除碘性能评价；哈尔滨工程大学以文丘里洗涤过滤型FCVS中的文丘里洗涤器净化单元性能研究为主，开展了文丘里洗涤器净化单元去除大粒径气溶胶、去除碘效率评价研究。所有调研到的公开资料，未表明开展过金属纤维过滤器净化单元去除小粒径气溶胶粒子效率评价技术研究。

4 开展FCVS现场试验评价技术研究的必要性分析

安装到现场的FCVS，安装质量如何，随着时间的推移其性能变化如何，是有必要通过现场试验验证其性能和功能的。中国国家核安全局发布修订的HAF102-2016第6.9.5条指出：为使气载放射性物质向环境的释放保持在规定的限值以内，净化设备必须具备必需的滞留因子，过滤系统必须具有测试其效率的条件，能够在寿期内定期监测其性能和功能；作为严重事故工况下的过滤排放系统，理应定期监测其性能和功能；但制约于目前评价技术不全面、现场模拟严重事故工况不可行性，我国现有的行业标准[22]对FCVS的试验和检查做了相关规定，不要求对整个系统的过滤性能进行评价；管理部门已经逐渐意识到了该工作的必要性，国内已有多家核动力厂就FCVS现场性能评价技术提出了需求。因此，开展FCVS现场试验评价技术研究是必要的。

5 结论与建议

国内文丘里洗涤过滤型FCVS性能评价研究尚不全面，需进一步开展相关性能评价研究，以完善安全壳过滤排放系统的性能评价技术；此外，目前所开展的评价技术研究仅仅局限于安全壳过滤排放系统的出厂验收试验，建议进一步探讨实施现场性能评价的可行性，并研究切实可行的现场试验评价技术，以便定期对其功能及性能进行验证以掌握系统性能的变化，以便采取相应的措施维持其应有的功能及性能。