反应堆安全壳整体泄漏率测量阶段持续时间优化研究

刘 锐， 单 强， 梁招瑞， 侯秦脉

（1. 生态环境部核与辐射安全中心， 北京 100082；2. 中广核核电运营有限公司， 广东 深圳 518000；3. 辽宁红沿河核电有限公司， 辽宁 大连 116000）

反应堆安全壳是限制放射性物质向外界环境释放的最后一道安全屏障，在役期间须定期进行安全壳整体泄漏率测量试验，该试验是核电机组建设与在役期间重要的大型综合试验项目。在安全壳整体泄漏率测量试验中，需要用干空气以一定的速率将安全壳充压至试验所要求的压力，并在该压力阶段停留一段时间，以连续测量安全壳内压力、温度和湿度等参数，最后通过理想气体状态方程计算得到安全壳整体泄漏率。目前，国内主流的M310 及其改进型核电机组的试验方法参照法国的RCC-G (86)执行，即安全壳整体泄漏率测量阶段持续时间为固定的24 h[1-2]。由于安全壳整体泄漏率测量试验风险高且位于大修关键路径[3-4]，因此合理地优化安全壳整体泄漏率测量阶段持续时间，以缩短安全壳承压时间，对提高核电厂的安全裕度和经济性具有重要意义。

近年来，学者们对核电厂安全壳整体泄漏率试验的原理及方法进行了深入研究。欧阳钦等[5]根据美国的安全壳整体试验标准ANSⅠ/ANS-56.8-1994，开发了一系列完整的泄漏率计算程序。结果表明：所开发的计算程序在田湾核电厂1／2号机组首次在役整体试验中的应用效果显著。褚英杰等[6]介绍了3 种常用的反应堆安全壳整体泄漏率计算方法，并对不同计算方法的差异及其对结果的影响进行了探讨。结果表明，基于3种计算方法得到的整体泄漏率基本相同。杜宇等[7]对福清核电厂1、2号机组安全壳整体泄漏率试验充压和降压速率的优化进行了研究。综上，目前针对安全壳整体泄漏率试验的研究大多集中于试验程序的开发和不同国家标准对试验结果的影响评价等方面，而对如何确定最优试验持续时间的考虑较少。

为此，笔者在研究国内外相关标准和调研法国同类型核电厂安全壳整体泄漏率测量阶段持续时间修改实践的基础上，提出了适用于我国M310 及其改进型核电机组的安全壳整体泄漏率测量阶段持续时间优化方法，并以20组安全壳打压试验样本为例来计算安全壳整体泄漏率测量阶段的持续时间，以期为反应堆安全壳整体泄漏率测量方案的修改提供指导。

1 不同标准对安全壳整体泄漏率测量阶段持续时间的要求

现阶段，国内压水堆核电厂安全壳整体泄漏率试验所参考的标准主要来源于法国、美国和中国。例如：M310 及其改进型CPR1000、ACPR1000 和VVER 机组主要参考法国的RCC-G(86)[2]；AP1000机组参考美国的ANSⅠ/ANS-56.8-1994[8]；华龙一号机组参考我国的NB/T 20018—2010《核电厂安全壳密封性试验》[9]和GB/T 51323—2018《核电厂建构筑物维护及可靠性鉴定标准》[10]。上述标准对安全壳整体泄漏率测量阶段持续时间的要求如表1 所示。

表1 不同标准对安全壳整体泄漏率测量阶段持续时间的要求Table 1 Requirements for integrated leakage rate measurement satge duration of containment in different standards

2 法国的安全壳整体泄漏率测量阶段持续时间调整方案

实践证明，法国的RCC-G (86)所规定的安全壳整体泄漏率测量阶段的持续时间为固定的24 h是偏保守的。这主要是因为在安全壳内压力上升和下降期间，材料中气体吸附与解析以及变形波动均会影响泄漏率。为此，法国电力集团对安全壳整体泄漏率测量阶段的持续时间进行了调整，主要包括以下两部分。

1）修改整体泄漏率测量阶段持续时间。

法国电力集团对安全壳整体泄漏率测量试验的所有历史数据进行了重新计算和分析，并对比了不同测量阶段所对应的整体泄漏率数据。结果表明，整体泄漏率测量阶段持续时间为16 h的计算结果与持续时间为24 h的结果可以等效，故可将整体泄漏率测量阶段的持续时间调整为16 h。

2）提出需要满足的准则。

法国电力集团给出了一个基于最近一次安全壳整体泄漏率测量数据的评价准则：只要核电机组最近一次的安全壳整体泄漏率测量试验数据符合式(1)，则该机组后续的安全壳整体泄漏率测量阶段持续时间均可调整为16 h，具体如下：

式中：Fm(16 h)、Fm(24 h)分别表示最近一次安全壳整体泄漏率试验中第16 小时、第24 小时的整体泄漏率，%/24h；UFm(24 h)表示最近一次安全壳整体泄漏率试验中第24 小时的整体泄漏率不确定度，%/24h。

图1所示为法国电力集团核电机组安全壳整体泄漏率试验的执行工期。由图1可以看出，安全壳整体泄漏率测量阶段持续时间可调整至16 h。

图1 法国电力集团核电机组安全壳整体泄漏率试验的执行工期Fig.1 Execution schedule of integrated leakage rate measurement test for containment of French Power Group nuclear power units

3 安全壳整体泄漏率测量阶段持续时间优化方法

为了使反应堆安全壳整体泄漏率的测量结果更加保守和可信，在满足法国适用标准的基础上，参考国内的NB/T 20018—2010 和GB/T 51323—2018，增加安全壳内空气稳定判定准则和整体泄漏率测量终止判定准则。拟采用的安全壳整体泄漏率测量阶段持续时间的优化方法具体如下。

步骤1 先决条件判断。

根据法国电力集团优化的判定公式，判断核电机组是否满足优化条件，即最近一次的安全壳整体泄漏率试验数据是否满足式(1)的条件。若不满足，则该机组不执行安全壳整体泄漏率测量阶段持续时间优化方法；若满足，则该机组后续的安全壳整体泄漏率试验按下述步骤实施。

步骤2 开始试验。

当安全壳内达到设计压力后，将泄漏率测量系统开始采集的时刻记为T0。

步骤3 安全壳内空气稳定判定。

根据历年来多次安全壳整体泄漏率试验的实际情况，可知空气稳定过程一般不超过4 h。因此，当泄漏率测量系统采集满4 h后，即可开始判断安全壳内空气的稳定性。若同时满足式(2)和式(3)的条件，则认为安全壳内空气已经稳定，并将空气稳定的时刻记为T1。

式中：L1h、L2h分别表示判定前利用最后1 h、2 h内的测量数据计算得到的整体泄漏率，%/24h；La表示在试验工况下安全壳的最大允许整体泄漏率，%/24 h。

步骤4 安全壳整体泄漏率测量终止判定。

当泄漏率测量系统采集数据满16 h后，开始判断函数曲率和数据分布，以确定测量数据的变化趋势和判断测量数据是否分散。若同时满足函数曲率准则和数据分布准则，则认为试验可终止，并将试验终止时刻记为T2。

1）函数曲率准则。函数在满足曲率要求的情况下，可认为其线性度可接受。若测量数据的拟合函数满足式(4)至式(6)中的任意一个，则满足函数曲率要求。

其中：

式中：F表示F检验，F(1,n-3, 0.95)表示查表得到的95%置信水平对应的F值，Lam表示整体泄漏率的估计值；A'表示最小二乘法回归抛物线的一次项系数，B'表示最小二乘法回归抛物线的截距，C'表示最小二乘法回归抛物线的二次项系数，A表示最小二乘法回归直线的斜率，B表示最小二乘法回归直线的截距，n表示测量数据组数，Wi表示ti时刻对应的安全壳内干空气质量；ti表示第i组测量数据对应的时间。

若满足式(4)，则说明安全壳内干空气质量的二次多项式拟合曲线的二次项不重要，满足函数曲率要求；

若满足式(5)，则说明安全壳内干空气质量的二次多项式拟合曲线的变化趋势是上凹的，即整体泄漏率随时间的变化达到高峰后呈回落趋势，满足函数曲率要求；

若满足式(6)，则说明安全壳内干空气质量的二次多项式拟合曲线的二次项与整体泄漏率估计值和最大允许整体泄漏率之差的比低于所设阈值（25%），满足函数曲率要求。

2）数据分布准则。安全壳内干空气质量数据点相对于回归直线的分散程度应在可接受范围内。对回归直线的相关系数γ进行检验，若γ2满足式(7)，则说明数据满足离散程度的要求。

步骤5 第16小时的测量数据若满足函数曲率准则和数据分布准则，则试验结束；若不满足，则试验继续，并重复步骤4，以对后续采集的数据进行持续验证。

当采用持续时间为16 h的测量阶段时，扣除4 h的空气稳定时间后，对于剩余12 h的整体泄漏率采集时间，根据每5分钟采集一次的频率，采样数据可达144组，满足整体泄漏率计算所需样本数的要求[11-13]。安全壳整体泄漏率测量阶段持续时间的优化策略如图2 所示。图中：CTT（containment pressure test）表示安全壳打压试验。

图2 安全壳整体泄漏率测量阶段持续时间的优化策略Fig.2 Optimization strategy for integrated leakage rate measurement stage duration for containment

4 实测数据验证

4.1 优化条件判定

根据法国电力集团给出的标准，针对国内M310 及改进型核电机组的安全壳整体泄漏率数据进行测算（共20 组打压试验样本），结果如表2所示。

表2 安全壳整体泄漏率测量阶段持续时间优化条件判断Table 2 Determination of optimization condition for integrated leakage rate measurement stage duration for containment单位：%/24h

表2 结果表明，共有3 组打压试验样本的安全壳整体泄漏率数据不满足优化的先决条件，即持续时间为16 h的安全壳整体泄漏率测量值与持续时间为24 h的整体泄漏率测量值的偏差较大，超过了整体泄漏率不确定度的范围，则下一次安全壳整体泄漏率试验的测量阶段依然持续24 h。其余打压试验样本的第16 小时整体泄漏率测量值与第24 小时整体泄漏率测量值的偏差在整体泄漏率不确定度范围内，具备将整体泄漏率测量阶段持续时间优化为16 h的条件，则可在后续安全壳整体泄漏率试验中实施优化。

4.2 安全壳内空气稳定判定

根据安全壳内空气稳定判定准则[14-15]中空气稳定性的判断公式，对历史数据进行了验算，结果分别如图3和图4所示。结果显示，安全壳内空气基本在4 h内达到稳定标准。

图3 基于空气稳定性判据1的安全壳整体泄漏率验算结果Fig.3 Calculation results of integrated leakage rate of containment based on air stability criterion 1

图4 基于空气稳定性判据2的安全壳整体泄漏率验算结果Fig.4 Calculation results of integrated leakage rate of containment based on air stability criterion 2

4.3 安全壳整体泄漏率测量终止判定

安全壳整体泄漏率测量终止判定结果如表3所示。采用安全壳整体泄漏率测量阶段持续时间优化方法中的测量终止判定准则[16-19]进行判断，发现有2 组试验样本的第16 小时的测量数据不满足终止准则，须延长试验时间。其中：样本2未满足函数曲率准则，持续时间为19.25 h 时才满足全部的验收准则；样本14 同样也未满足函数曲率准则，持续时间为18.25 h 时才满足全部的验收准则。结果表明，本文所提出的优化方法比法国的方法更为保守、可信。

表3 安全壳整体泄漏率测量终止判定结果Table 3 Ⅰntegrated leakage rate measurement termination determination results for containment

5 结 论

优化反应堆安全壳整体泄漏率测量阶段持续时间可以提高核电安全裕度，增加发电效益。目前，法国电力集团核电机组安全壳整体泄漏率测量阶段的持续时间已调整为16 h。本文所提出的优化方法在满足法国适用标准的基础上，增加了安全壳内空气稳定判定准则和安全壳整体泄漏率测量终止判定准则。对国内M310及其改进型核电机组的20组打压试验样本进行测算，结果表明，共有17组样本的测量数据满足优化条件，其中15 组样本的第16 小时的测量数据满足整体泄漏率测量终止判定准则，其余2组样本分别在第19.25小时和第18.25小时满足全部的验收准则。综上，本文优化方法比法国的方法更为保守、可信。