相对湿度及运行时间对通风系统中碘吸附器除碘效率的影响*

中国辐射防护研究院 刘鲜丽 陈建利 王坤俊 丘丹圭 侯建荣 乔太飞 李永国 张 渊

0 引言

放射性碘是核设施运行过程中产生的主要有害气体之一，一般以单质碘或有机碘的形式存在，一旦被人体摄入大多浓聚于甲状腺组织内。为保证公众和环境安全，国内外对放射性碘的排放量设有限值[1-2]。在核设施通风系统中，一般采用在气体净化系统中安装碘吸附器的方法来保证放射性碘排放量在规定限值内[3-4]。因此，保证碘吸附器有高除碘效率是控制碘排放量限值的关键[5-6]。

现有研究成果表明碘吸附器的除碘效率取决于其本身的壳体结构、吸附剂、密封胶和运行环境等因素[7-14]。

我国在运行的核电厂主要分布在沿海地区，受气候等条件影响，核燃料厂房通风系统(DVK)、安全壳环廊房间通风系统(DVW)等系统会产生高湿度报警现象，若此时系统启动运行，运行之初系统湿度条件对碘吸附器除碘效率的影响情况及通过除湿等使系统中湿度条件符合设计要求值后，碘吸附器除碘效率的恢复情况均难予评价。实际应用中，在事故或其他特殊工况下[12-18]，也存在碘吸附器可能会在高湿度条件下(即气流相对湿度超过运行系统设计要求值)运行的情况[16]。目前公开发表的研究成果中对活性炭除碘效率与气流相对湿度的关系已有一定的研究基础，但针对全尺寸碘吸附器在运行过程中气流相对湿度及高湿度条件下运行时间对其除碘效率的影响规律可参阅的资料有限。

本文介绍相对湿度和运行时间对碘吸附器除碘效率影响的试验，模拟运行系统可能出现的不同湿度条件，研究了气流相对湿度、48 h运行时间对碘吸附器除碘效率的影响规律，以及在高湿度条件下连续运行的碘吸附器除碘效率的恢复情况。研究结果可以为核设施通风系统中碘吸附器运行系统参数设计及同类试验中碘吸附器除碘效率判断提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验合成甲基碘气体所选试剂碘化钠(NaI)、硫酸二甲酯(C2H6O4S)均为分析纯；所选放射源为碘131标记的碘化钠溶液(Na131I):放化纯度≥95%，核纯度γ杂质<0.1%。所有溶液都用去离子水配制；试验所选碘吸附器的吸附剂材料为浸渍剂处理后的椰壳活性炭。

1.2 试验装置

试验系统如图1所示，主要包括气流供给、扰动、加湿、加热、温湿度监测、甲基碘气体发生、采样、γ计数测量等装置。在受试碘吸附器的入口和出口处分别设置安装有碘采样口、气流温湿度检测点、风速测量点[19-21]。

1.加湿器；2.预过滤器；3.甲基碘发生器；4.电加热器；5.稳流器；6.上游湿度测量装置；7.上游采样装置；8.上游温湿度测量装置；9.受试碘吸附器；10.下游温湿度测量装置；11.下游采样装置；12.后置碘吸附器；13.排风机。图1 试验系统示意图

1.3 试验内容

1.3.1试验条件及方法

参考行业标准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》[19]，结合实际试验目的确定试验条件，见表1。

表1 试验的气流运行条件

1.3.2相对湿度对除碘效率的影响

设计搭建可调节气流相对湿度的碘吸附器整机检验台架，模拟核电厂通风系统在不同湿度条件下运行的工况，调节试验系统中气流相对湿度为24.2%～93.5%，再通过系统加热等手段对试验系统进行除湿，使气流相对湿度由93.5%降到接近40%，区间选取不同湿度点依据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》[19]检测碘吸附器除碘效率，研究除碘效率的变化拐点及规律。

1.3.3运行时间对除碘效率的影响

试验研究了5个湿度条件下，运行48 h对碘吸附器除碘效率的影响规律。试验中碘吸附器分别在气流相对湿度40%、50%、60%、70%、80% 5个条件下连续运行48 h。运行过程中在不同时间点检测除碘效率[19]变化情况，分析研究在不同湿度条件下，运行时间对碘吸附器除碘效率的影响规律。

1.4 数据处理

采用除碘效率评价碘吸附器的除碘性能。除碘效率P指碘吸附器拦截滞留的放射性物质的总活度与进入碘吸附器的放射性物质的总活度的比值[19]，其数学表达式如下：

(1)

式中a为穿过碘吸附器的放射性总活度，Bq；A为进入碘吸附器的放射性总活度，Bq。

2 气流相对湿度对除碘效率的影响

1) 气流相对湿度对碘吸附器除碘效率的影响结果见表2。由表2可见，碘吸附器除碘效率与运行系统中气流相对湿度相关，在不同湿度区间，除碘效率的变化率不同：当气流相对湿度小于或接近60%时，除碘效率随相对湿度的变化不明显；大于70%时，除碘效率随相对湿度的增大明显下降；大于90%时，下降速率更快。

表2 不同相对湿度条件下除碘效率试验结果

2) 模拟核设施通风系统中碘吸附器在湿度高于设计值的条件下短暂运行后，通过加热等手段除湿，使系统中气流相对湿度降到设计要求值的工况，研究碘吸附器除碘效率的变化规律，试验结果见图2。图2中试验结果均在上、下游露点温度差小于1 ℃时测得[19]。

图2 除碘效率随气流相对湿度的变化

由图2可见，碘吸附器除碘效率受气流相对湿度的影响是可逆的，当试验系统中气流相对湿度降到接近60%或40%时，除碘效率与初始试验时在该湿度条件下所得结果为同一水平。由此可见，碘吸附器在高湿系统中短时间运行后，通过降低系统中的气流湿度，可以实现对碘吸附器除碘效率的恢复。

3 运行时间对除碘效率的影响

受试碘吸附器分别在气流相对湿度40%、50%、60%、70%、80%条件下连续运行48 h，区间选择不同时间点检测其除碘效率。试验过程中碘吸附器上、下游气流相对湿度及露点温度变化情况如图3、4所示，除碘效率试验结果如图5所示。

图3 相对湿度与运行时间的关系

图4 露点温度与运行时间的关系

图5 不同湿度条件下碘吸附器连续运行除碘效率

由图5可以看出：碘吸附器在不同湿度条件下运行，48 h内运行时间对除碘效率的影响不明显；在气流相对湿度70%、80%条件下除碘效率曲线波动明显，结合图3分析，此波动主要由试验系统中气流相对湿度的变化所致。因此，气流相对湿度大于70%后，相对湿度的波动对除碘效率的影响较明显。

4 结论

1) 气流相对湿度是影响碘吸附器除碘效率的重要因素，且相对湿度不同对除碘效率的影响不同：当相对湿度小于60%时，除碘效率受湿度条件的影响不明显；接近或大于70%时，除碘效率随气流相对湿度的增大而下降；大于90%时，下降明显加快。气流相对湿度对除碘效率的影响可逆，高湿气流可使碘吸附器除碘效率降低，低湿气流可使受高湿气流影响过的碘吸附器除碘效率显著提高。

2) 运行时间对碘吸附器除碘效率的影响：碘吸附器在系统相对湿度为40%、50%、60%、70%、80%条件下分别连续运行48 h，除碘效率受运行时间的影响不明显。