核电厂通风系统运行风量对碘吸附器性能的影响

中国辐射防护研究院 陈建利

福建福清核电有限公司 陈荣添

中国辐射防护研究院 高琳锋 李永国 韩丽红 梁 飞 李彦樟 张治权

0 引言

核电厂通风系统中设置碘吸附器，用于去除气流中的气态放射性碘物质，以确保气体的达标排放和事故工况下主控室的可居留性[1]。系统的性能除了受碘吸附器自身净化能力和系统的泄漏量影响外，还受到气流相对湿度、温度、运行风量等参数的影响。文献[2-4]对气流相对湿度、温度的影响进行了研究，但运行风量对系统性能影响的报道较少。

含碘吸附器系统在运行和定期试验时一般要求运行风量与额定风量的偏离小于额定风量的10%[5]。但有时为了保证厂房的负压要求，通风系统需在偏离额定风量较大条件下运行，此时系统的性能该如何评价，能否满足核电厂放射性碘的排放要求？在某些特殊情况下又需要考虑在低风量条件下进行现场试验，此时所获取的试验结果该如何转化为额定风量下的数据？因此探讨运行风量对系统性能的影响具有现实意义。

含碘吸附器系统的现场性能常用净化系数(效率)或泄漏率表示，净化系数一般用放射性甲基碘法进行测量，泄漏率采用氟利昂法测量[6]。本文推导了碘吸附器单体净化系数性能、系统净化系数和泄漏率三者之间的关系，用放射性甲基碘法[7]实测了不同运行风量下碘吸附器自身净化系数和存在泄漏时系统的净化系数，并用公式计算了对应风量下的泄漏率，分析了风量对系统性能的影响趋势和原因。

1 理论推导

碘吸附器安装不当、通风小室墙体缺陷或者某些贯穿件密封不严等情况将可能导致少量气体直接经泄漏孔洞进入到下游风管，即系统存在一定的泄漏，见图1。泄漏率η的定义式为

(1)

式中q为经泄漏孔洞流过的气流体积流量，m3/h；Q为系统的运行风量(体积流量)，m3/h。

图1 碘吸附器系统性能影响示意图

假定系统的净化系数为CE，碘吸附器自身的净化系数为Ce，泄漏率为η，则泄漏的气体体积流量为Qη，碘吸附器的流量为Q-Qη。

下游气体中活度由泄漏及碘吸附器的不完全吸附两部分叠加产生，则下游的总活度为

γdQ=Qηγu+Q(1-η)γ′d

(2)

式中γd、γu分别为系统上、下游单位体积放射性活度，Bq/m3；γ′d为经碘吸附器净化后单位体积放射性活度，Bq/m3。

根据碘吸附器自身净化系数Ce的定义式：

(3)

则式(2)可简化为

(4)

根据系统净化系数CE的定义，可将式(4)整理为

(5)

系统的泄漏率可表示为

(6)

通过实验测得CE和Ce，用式(6)计算系统的泄漏率η。

式(5)、(6)未体现通风系统运行风量对净化系数、泄漏率的影响，下面通过实验测量的方式研究系统性能随风量的变化。

2 实验

2.1 实验方法

采用放射性甲基碘法，以放射性碘131作为示踪剂，注入到系统中，并分别在碘吸附器上/下游合适位置取样，并用γ谱仪分析上/下游样品的放射性活度，进而计算得到碘吸附器或系统的净化系数。

2.2 实验装置

实验在碘吸附器整机性能系统上进行，其流程图见图2。该装置主要由过滤器、加热器、混合器、测试台架、风量调节阀、后备碘吸附器及风机等组成，在风管相应位置设计有放射性甲基碘的注入、采样口及测风口。实验用碘吸附器安装在测试台架中，后备碘吸附器用于去除气流中剩余的放射性碘。运行风量通过风量调节阀进行调节。

图2 实验装置流程图

该实验装置在碘吸附器整机检验中使用多年，其可靠性、取样代表性、气流稳定性等均满足要求。

2.3 实验仪器设备

所用仪器设备均满足标准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》的要求，主要仪器设备有：甲基碘气体发生器、上下游采样设备、折叠式碘吸附器、HPGe多道γ谱仪、风速仪、温湿度仪。

2.4 实验内容

本实验选择了1台折叠式碘吸附器(该碘吸附器在核电厂通风系统中大量使用)，模拟泄漏点示意图见图3，额定风量为1 200 m3/h，核电厂通风系统一般采用多台碘吸附器并联的方式实现满足不同运行风量的要求。实验在额定风量20%～140%的范围进行设计，实验内容主要有以下2个方面：

图3 模拟泄漏点示意图

1) 测量不同风量下碘吸附器净化系数，代表无泄漏条件下的净化系数：选取合适的折叠式碘吸附器，将其安装在测试台架内，注意检查碘吸附器的密封圈与接触面的形变量，以排除可能存在的机械泄漏。启动风机，调节系统的风量，并分别控制为碘吸附器额定风量的20%、40%、60%、80%、90%、100%、110%、120%、140%，用放射性甲基碘法分别测定对应风量下的净化系数。

2) 测量有泄漏时不同风量条件下的系统净化系数：该泄漏通过在碘吸附器密封圈与台架接触面之间添加内径为2 mm的不锈钢管，以模拟核电厂系统中存在的微小机械泄漏，如图3所示。不锈钢管在碘吸附器上、下游之间形成了通路，使得少量气体未经碘吸附器的净化而直接进入到下游气流中。然后改变风量，按照上述条件再次进行净化系数的测量。

3 实验结果分析与讨论

实验测定了在20%～140%额定风量范围内碘吸附器的净化系数和添加泄漏点后系统的净化系数，并利用式(6)计算了各风量下的泄漏率，结果见表1。下面分别对碘吸附器净化系数Ce、系统的净化系数CE及泄漏率进行讨论。

表1 净化系数、泄漏率随风量的变化(额定风量Q0为1 200 m3/h)

3.1 碘吸附器净化系数随运行风量的变化

由表1可以看出，本实验风量范围内，碘吸附器自身的净化系数Ce普遍较高，碘吸附器的净化系数随风量增大而减小。原因为风量增大使得气流在碘吸附器中的停留时间缩短，导致碘吸附器不能有效吸附气流中的放射性碘物质，引起净化系数的减小。

3.2 通风系统净化系数随运行风量的变化

本实验设置的泄漏点尺寸固定不变，获得的系统净化系数见表1中的CE。相比不泄漏工况，各风量下的净化系数均有显著减小，这是因为泄漏的存在使得少量气流未经碘吸附器的净化而直接进入到了下游。

试验条件下随风量的增大，系统的净化系数增大，本实验结果与文献[8]提到的穿透率变化趋势相一致。

3.3 通风系统泄漏率的变化

在实验风量范围内，通风系统的泄漏率小于0.1%，而净化系数均明显减小，表明微小的泄漏即可对系统净化系数造成显著的不利影响。对于固定尺寸的泄漏点，其泄漏率并不是固定不变的，而是随着风量的增大，泄漏率减小。另外，本文又用氟利昂法测量了另一含碘吸附器通风系统的泄漏率数据，其泄漏率随风量的变化趋势相同，结果见表2。

表2 氟利昂法测量的系统的泄漏率(额定风量Q0为1 200 m3/h)

泄漏率含义为机械泄漏的气体体积流量除以系统风量，一般来讲系统风量(流速)增大，碘吸附器的阻力呈线性增长[9]，而泄漏点的阻力与流速的平方呈线性关系[10]。当系统流速(流量)增大时，系统泄漏点处的阻力应等于碘吸附器的阻力，但泄漏引起的流速增加值小于碘吸附器的流速增加值，导致系统的泄漏率降低。

尽管碘吸附器自身净化系数随风量增大而减小，但泄漏影响超过了碘吸附器自身性能对系统净化系数减小的影响，造成系统净化系数随风量的增大而变大。

4 结论

1) 碘吸附器净化系数、通风系统的净化系数与泄漏率之间存在关系η=(Ce-CE)/[CE(Ce-1)]，可利用该公式计算系统的泄漏率。

2) 在实验风量范围内，通风系统的净化系数随运行风量的增加而变大，净化系数越大表明系统对放射性气体的去除效果越好，因而更有利于系统运行。

3) 在实验条件下，通风系统的泄漏率随风量增加而降低，即低风量下的泄漏率偏大。若降风量(低于额定风量)进行泄漏率实验，所得结果偏大。