核电厂的放射性废液收集设计与优化

□杨梦倩 林佳逸 叶欣楠

一、引言

安全性尤其是辐射安全是核电厂与其他常规电厂的主要区别之一，因此核电厂内各系统的设计都应围绕确保辐射安全、避免辐射污染危害的角度开展。在此过程中，系统设计、辐射防护、管道布置、土建结构等专业沟通配合，以实现可靠的放射性污染防治措施，缩小放射性污染范围，保证公众和环境的安全。

核电厂在正常运行及大修期间，由于管道的“跑”、“冒”、“滴”、“漏”以及检修时设备疏排和清洗等原因，导致一定量带有放射性的废液排放到房间地面上。放射性废液长期滞留在地面，在妨碍人员通行的同时，也给运行人员带来受辐射的风险。同时，由于放射性液体的蒸发是最常见的大气污染源，因此放射性废液在地面上滞留也可能导致房间空气污染，对运行人员带来危害[1]。

为了有效收集地面排水，核电厂设置地漏将滞留在地面上的放射性废液进行收集后疏排[2]，由于目前核电厂的运行经验反馈，地面地漏在收集过程中，存在地面放射性废液滞留的问题，可能影响运行人员的正常操作。因此合理的地漏设置，能够针对地漏所在核电厂的功能区域以及辐射分区，最大程度地避免地漏的重复设置、空气串通而导致的污染以及由于疏水不畅导致放射性废液的滞留。从而成为保障整个核电厂排水系统的安全稳定运行的条件之一，达到核电厂的安全目标。

另一方面，内置换料水箱在设计上为带有钢覆面的混凝土结构水池，需要设置专门的泄漏监测及收集系统来监控内置换料水箱钢敷面是否泄漏；事故工况下反应堆厂房内的水源存在泄漏的可能，并最终进入安全壳底层，因此在底层设置液位监测仪表监测水淹高度，为运行人员了解安全壳底层水淹情况，判断水淹源提供支持是非常有必要的。而目前的地坑尚未考虑这方面的工艺设计。

为了有效监控，本文介绍的泄露监测方法在疏水坑内设置专门的泄漏监测仪表，用于监测主管道及主蒸汽管道的泄漏情况；在安全壳底层以及内置换料水箱钢敷面下设置专门的泄漏监测地坑并设置监测液位计，用于监测内置换料水箱的泄漏情况；在安全壳底层设置液位计，用于监测事故工况下安全壳底层液位。

二、核电厂放射性废液地漏收集设计中存在的问题

(一)不设置收集立管。在目前现有的核电厂放射性废液地漏收集系统设计[3]中，出于布置和施工的简易上，一般不设置收集立管汇总收集放射性废液。

图1 目前核电厂地漏收集系统设计示意图(1地漏及其连接管；2收集地坑)

在设计上，存在上层一个地漏的连接管道直接排入到下层地漏上，或存在上层多个地漏连接管道同时排入下层同一个地漏上，而不通过封闭的管路疏排。这样的布置非常容易造成疏水不畅，从而使上层的放射性废液在下层地面的滞留。

同时，由于上层的地漏跨层不采用设置收集立管的方式，可能导致每个楼层均需要设置地漏用于接收上层地漏连接管道中的放射性废液。不仅导致地漏的重复设置，也造成了因为布置原因而导致的开放口增加的问题，从而使得倒流或污染上层房间的可能性加大。

(二)房间空气的污染。由于核电厂区别于其他民用住宅设施，不同的楼层、不同的房间的功能区域或辐射分区可能不同，放射性废液在地面滞留后蒸发产生的气体是最常见的大气污染源。在地漏收集放射性废液过程中，由于地漏的重复设置，导致地漏相同的房间和楼层进行串气的可能性增大，可能引来被事故漏液污染的空气，导致空气串通而污染原本房间干净的空气。核电厂的运行人员在运行过程中可能受到因为蒸发而导致的气体污染的威胁，不利于核电厂安全目标。

三、放射性废液地漏收集优化方案

由于核电厂的特殊性，在核电厂内设置可靠的放射性废液地漏收集系统显得尤为重要，它成为了保证核电厂安全目标，建立并保持对放射性危害的有效防御的重要措施。

针对现有设计中存在的缺陷，对地漏收集系统进行优化设计。由于放射性介质和环境会对管道材料产生变性、腐蚀等影响，因此在放射性废液收集系统设计上应考虑选用的材料及管件的连接方式。核电厂内的辐射会导致塑料管材高分子断链、材料碎裂，因此不应选用塑料管材。由于不锈钢管材的辐照性能较好，因此放射性区域一般选择不锈钢管材[4]。同时放射性废液一般含有腐蚀性介质，因此排水管材和管件需要选用防腐蚀的管材，如不锈钢管材(S30403或S31603)。

(一)设置收集立管汇总收集放射性废液。收集立管采用大直径的不锈钢管道，收集后直接排入厂房最底层的收集地坑或与地坑相连的地沟中。收集立管顶端通过管帽封闭，避免夹带房间内的空气进入收集立管中，进而污染其他房间空气。防止了原有设计中空气串通的问题。

上层地漏连接管不直接排入下层地漏上，而连接到收集立管上，防止放射性废液在不同楼层地面的滞留。地漏的连接管道采用DN50-80的不锈钢管，以防止发生腐蚀。根据工程经验，以华龙一号的核电厂为例，地漏及连接管中的连接管设计坡度不小于5mm/m(5‰)，对于小直径管道，以1cm/m(1%)为宜，确保管道中的放射性废液尽快流入收集立管中而不滞留；所属的收集立管最多可连接5个同一楼层上的地漏及其连接管道，使放射性废液在收集立管中流动时不出现水塞流，引起较大的管道压力波动。

(二)设计收集地沟。与收集立管所连接的收集地沟设计宽度不小于150mm，设计深度不小于100mm，坡度不小于5mm/m(5‰)，设计保证放射性废液能尽快流入收集地坑中，收集立管下端与收集地坑的最高液面距离不小于100mm，以免出现排水立管超压导致管内放射性空气通过地漏带入房间内，导致夹带空气污染房间空气。

同时为了防止放射性由高放射性区域向低放射性区域扩散，设置地沟沿途房间应遵循由放射性水平低的区域流向放射性水平高的区域，并防止倒流，采用的倒流措施需要得到辐射安全专业的认可[4]，避免将放射性废液地沟设置至非控制区域(即白区)。

(三)设计收集地坑。放射性废液的收集地坑应设置不锈钢覆面及不锈钢盖板。其中，设置不锈钢覆面的目的是为了防止收集到地坑内的放射性废液渗入混凝土中，便于今后退役；同时设置不锈钢盖板减少放射性废液蒸发，并起到防止操作人员不慎跌落的作用。

图2 放射性废液地漏收集系统设计示意图(1收集立管；2管帽；3地漏及其连接管；4最高液面距离；5收集地沟；6收集地坑；7不锈钢覆面及盖板)

四、地坑泄漏监测设计优化

一般来说，目前核电厂的反应堆换料水池和乏燃料水池冷却和处理系统将换料水箱设置在安全壳内底层。换料水箱位于安全壳内能减少外部灾害对换料水箱安全性的影响，提高事故后应急水源的可靠性，进而提高电厂的安全性。

非内置的换料水箱检漏方式是运行人员定期对换料水箱进行巡检，但华龙一号换料水箱设置在安全壳内底层，运行人员在核电站运行期间无法进入，因此需要设置专门的泄漏监测及收集系统来监控内置换料水箱。当内置换料水箱钢覆面意外泄漏时，该系统可以用于提醒运行人员采取必要的措施并将泄漏水收集排出，防止因换料水箱内水装量减少、泄漏水滞留并腐蚀设备和结构而影响电厂安全。

放射性废液收集设计优化上在内置换料水箱钢衬里外侧主焊缝处设置有若干个泄漏监测管或泄漏收集槽；同时，设置了泄漏收集总管将泄漏监测管或泄漏收集槽收集到的泄漏水汇总收集后，流入泄漏监测地坑中。将两个泄漏监测地坑设置在安全壳底层与排水环沟相连接的位置。地坑内设置有液位计，用于监测地坑内是否有泄漏水流入地坑。液位变送器设置液位报警，当泄漏水流入地坑中达到一定液位后会触发液位报警，提醒运行人员内置换料水箱钢敷面可能出现泄漏。

由于泄漏监测地坑与安全壳底层排水环沟相连接，当地坑中液位达到一定高度后可以通过环沟自流进入同样与环沟相连接的安全壳底层疏水坑，防止泄漏水溢出泄漏监测地坑后，在地面上滞留而威胁其他机械及电器设备的使用。安全壳底层疏水坑内设置有地坑泵，可以将泄漏水外排至废液处理系统进行处理。图3为内置换料水箱泄漏监测的流程简图。

图3 地坑泄漏监测的流程简图(1内置换料水箱；2泄漏收集总管；3液位变送器；4地坑①；5环沟；6疏水地坑②；7地坑泵；8-11泄漏监测管或收集槽)

同时因为泄露监测对地坑内的液位仪表的精度提出了更高的要求，因此在仪表选择上也进行了优化，一般来说，地坑内两台液位开关以及一台液位变送器，用于监测液位变化并联锁控制地坑中地坑泵的启停，当液位达到限值时进行报警。现重新进行仪表的选型，最终在每个地坑内设置了两台更高精度要求的液位变送器。现有的两台液位仪表不仅执行原有三台仪表的功能，同时实现泄露监测的要求。此外，两台液位仪表均为抗震设计，在地震后既可保持设备不受到损坏又能保持功能的正常运作。表1提供了设计优化前后液位仪表的变化对比。

表1 设计前后地坑内液位仪表设计变化

五、设计方案的优点

能够从布置方案上避免疏水不及时而导致在地面的滞留，从而避免妨碍运行人员通行，为运行人员提供便利；减少了运行人员受滞留地面的放射性废液所带来的辐射污染，也减少了其他楼层的房间内运行人员因空气串流而受到的环境气体污染。另一方面，采用密封管道的方式接收放射性废液，减少了设计中的“开放口”，避免了放射性废液夹带的放射性废气通过地漏污染其他房间空气，避免了放射性废气的进一步扩散，防止对运行人员产生危害。保障了核电厂废液收集系统的安全运行。

通过合理的地沟设置，能够有效避免放射性废液由高放射性区域向低放射性区域扩散，保证了本放射性废液地漏收集系统的辐射安全性，使得放射性废液能够通过布置的方式，有效地收集到底层地坑中，从而被收集处理。

在底层地面设计带不锈钢覆面及不锈钢盖板的地坑，能够防止放射性废液渗入混凝土中，也可以避免运行人员不慎掉入。

地坑增设了泄露监测的设计，能够监测事故工况下安全壳底层水淹情况；设计优化后，地坑可以在事故工况下监测安全壳底层的液位。根据所测得的液位，运行人员可以对水淹情况有基本的判断，有利于运行人员采取措施缓解事故所造成的危害。

对地坑内的液位仪表进行优化，通过对比优化前后的液位仪表，提高液位仪表的精度要求，减少仪表的使用量。同时，仪表均为抗震设计，能够在地震后保持设备不受到损坏又能保持功能的正常运作。提高了核电厂的安全设计水平。

六、结语

本文提出了核电厂放射性废液收集系统的设计优化，主要包括地漏设计和地坑功能设计；通过合理的地漏规划设计，针对地漏所处的功能区域或辐射分区的不同，在设计中通过设置收集立管，将放射性废液汇总后直接排入底层地坑或与地坑连接的地沟中；同时通过在地坑内增设测量仪表，优化液位测量液位计的仪表精度，给地坑承担泄露监测提供设计思路。该系统设计与过去的核电厂排水系统中地面收集设计原则相比存在诸多优点，为今后新建核电厂的放射性废液收集系统设计提供思路，提高了核电厂的安全设计水平。