核電廠空氣凈化系統(tǒng)分析

黃 然（上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海 200233）

核電廠空氣凈化系統(tǒng)分析

黃 然
（上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海 200233）

核電廠空氣凈化系統(tǒng)是核島輔助系統(tǒng)中的重要系統(tǒng)之一，通過對空氣凈化系統(tǒng)工作特點(diǎn)和凈化原理的分析，以及對主要空氣凈化專屬設(shè)備的研究，得到了設(shè)計(jì)選擇核電廠空氣凈化設(shè)備的一些原則。

核電廠；空氣；凈化

核電廠在運(yùn)行期間以及在核燃料的存放、放射性化學(xué)物質(zhì)保管和其他操作過程中會產(chǎn)生一些有害的放射性粒子與氣體，不能直接排放到大氣中去，因此核電站利用空氣凈化系統(tǒng)過濾和吸附掉這些有害的放射性粒子與氣體，保護(hù)廠區(qū)工作人員、公眾和環(huán)境免受放射性污染和傷害。

核電廠空氣凈化系統(tǒng)區(qū)別于普通的空氣凈化系統(tǒng)。在于以下兩個方面：

1）核電廠空氣凈化系統(tǒng)處理的對象是含有放射性物質(zhì)的空氣。放射性物質(zhì)毒性大、會產(chǎn)生電離輻射。雖然不易察覺，但其產(chǎn)生的活化物與附著物被人接觸或者吸收后對人體會造成極大的傷害。

2）核電廠的放射性粒子與氣體可能會充滿在反應(yīng)堆廠房、燃料廠房、主次要輔助廠房、固化車間、主控制室甚至應(yīng)急中心內(nèi)。由于各區(qū)域放射性物質(zhì)的濃度不同以及需要控制的環(huán)境中的熱、濕和其他條件的差異，因而對空氣凈化系統(tǒng)的要求不同，由此構(gòu)成了核電站空氣凈化系統(tǒng)的復(fù)雜性。

總而言之，核電站的空氣凈化系統(tǒng)是需要積極采用輻射保護(hù)措施和其他相關(guān)的安全性措施，統(tǒng)籌規(guī)劃，全面管理，才能確保環(huán)境不被污染，廠區(qū)人員與公眾不受放射性的威脅。

1 壓水堆核電站空氣凈化系統(tǒng)

我國核電站的主要堆型是壓水堆，具體分析壓水堆核電站的空氣凈化系統(tǒng)具有代表意義。壓水堆核電站空氣凈化系統(tǒng)主要包括4個部分[1]：①從容積控制箱排出的氣體中分離除氫后的廢氣衰變排放系統(tǒng)；②廠房換氣的排風(fēng)凈化系統(tǒng)；③對付假想事故設(shè)置的事故氣體處理系統(tǒng)；④主控制室及可居住區(qū)的廠外污染凈化系統(tǒng)。其示意圖如圖1所示。

1）廢氣衰變排放系統(tǒng)中，反應(yīng)堆的冷卻劑添加氫作為腐蝕抑制劑。為保持氫有適當(dāng)?shù)臐舛?，在容積控制箱中進(jìn)行氣體置換，并伴以排出置換的廢氣。氫分離裝置內(nèi)設(shè)有鈀合金膜分離室，氫和放射性廢氣在此分離，氫作為容積控制箱的連續(xù)凈化氣可再復(fù)用。整個過程里，氫是可循環(huán)使用的。放射性氣體儲存在氣體衰減槽中，使放射性濃度降低至排放標(biāo)準(zhǔn)后經(jīng)過空氣過濾器排放。

圖1 壓水堆核電站空氣凈化系統(tǒng)示意圖Fig.1 The schematic of the air cleaning system of nuclear power plant

2）廠房換氣的排風(fēng)凈化系統(tǒng)，可能由于泵、閥門等設(shè)備的漏水、漏氣，在廠房內(nèi)的空氣中會產(chǎn)生極微量的放射性碘等放射性粒子或放射性氣體，因此需要設(shè)置預(yù)過濾器、高效過濾器以及碘吸附器進(jìn)行凈化。

3）事故氣體處理系統(tǒng)，如果有較大事故發(fā)生使載熱劑和冷卻劑流失，為不致使蓄積在燃料棒中的放射性物質(zhì)排放到環(huán)境中，還需設(shè)置幾層安全對策裝置。沉積于反應(yīng)堆容器壁上，或被壓力抑制室的水吸收的放射性粒子與氣體通過清洗，用鼓風(fēng)機(jī)抽至排風(fēng)過濾裝置凈化后排到排氣筒。極少量的通過壓力殼的貫通部分泄漏到反應(yīng)堆廠房內(nèi)的放射性氣體廢物也需集中起來進(jìn)行過濾然后排放。

4）廠外污染凈化系統(tǒng)，指如主控制室、可居住區(qū)等廠外區(qū)域的進(jìn)排氣空氣凈化系統(tǒng)。保證在毒氣和放射性氣載污染物的事故釋放時，電站的操作人員和居住人員能受到適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)，以使他們在事故時仍能使電站安全地運(yùn)行。

2 預(yù)過濾器與高效過濾器

過濾器是一種裝有多孔的或纖維狀介質(zhì)的器件。當(dāng)空氣通過過濾介質(zhì)時，能將懸浮于其中的放射性氣溶膠粒子去除掉。

預(yù)過濾器[2]為采用玻璃纖維或塑料纖維等過濾材料制成的中效空氣過濾器。過濾材料常做成連續(xù)的折疊式、袋式或“襪套式”，保證其在最小的橫截面上有較大的介質(zhì)表面。

預(yù)過濾器的性能由凈化效率（即粒子的去除率）、氣流阻力（即壓力降）、空氣流量和容塵量來決定。選擇預(yù)過濾器首先要了解凈化效率的要求。同時，還需了解過濾器是用什么方法進(jìn)行凈化效率試驗(yàn)的，重量法、比色法，還是粒子計(jì)數(shù)法，不同的試驗(yàn)方法所得的結(jié)果不好相互比較；是用什么試驗(yàn)塵進(jìn)行試驗(yàn)的；所表示的凈化效率是未使用過的清潔過濾器的凈化效率還是使用期間過濾器的平均凈化效率，以及過濾器芯更換的方法與周期等。此外，合理布置各個過濾器芯在排架上的位置也對預(yù)過濾器的凈化效率有所影響。

為了保證空氣凈化的完整性，某些情況下在凈化系統(tǒng)的出風(fēng)口還設(shè)置一層后置過濾器，為平均效率不低于95%的纖維濾材中效過濾器，用于滯留炭吸附器下游的炭粒子。

高效過濾器[2]為透過率＜0.01%，阻力≤250 Pa，耐溫≥200 ℃的高效的空氣過濾器，主要濾除≤1 ?m的亞微米粒子。對于粒徑為0.3 ?m的粒子，過濾效率不低于99.97%。在核空氣凈化技術(shù)中，其過濾材料一般采用合成纖維濾料或超細(xì)玻璃纖維濾紙。

高效過濾器按其結(jié)構(gòu)和使用特點(diǎn)可以分為很多種，如排風(fēng)過濾器、框架式過濾器、折疊式過濾器和套筒式過濾器等。在具體使用時需根據(jù)工作環(huán)境、工作效率、要達(dá)到的目的以及濾材的性能來加以選擇。必要時還需進(jìn)行通風(fēng)量與系統(tǒng)平衡的計(jì)算，一般來說高效過濾器的效率（或透過率）直接影響整個凈化系統(tǒng)的效率。值得一提的是，在高效過濾器制造完工以后，一般要進(jìn)行效率試驗(yàn)，也即制造廠的性能試驗(yàn)。在過濾器安裝后，要進(jìn)行驗(yàn)收試驗(yàn)。過濾器在線運(yùn)行時，要進(jìn)行監(jiān)督試驗(yàn)。驗(yàn)收試驗(yàn)和監(jiān)督試驗(yàn)統(tǒng)稱為現(xiàn)場試驗(yàn)。試驗(yàn)的方法[3]目前有鈉焰法、DOP法和熒光素鈉法三種，考慮試驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)因素、核設(shè)施本身的條件與試驗(yàn)方法的不相容性以及國家標(biāo)準(zhǔn)和管理導(dǎo)則的限制，綜合考慮后選用一種試驗(yàn)方法即可。

預(yù)過濾器和高效過濾器在凈化裝置中安裝時應(yīng)一前一后串聯(lián)布置。如此布置主要是為了防止高效過濾器過早更換而采取的一種預(yù)防措施。如果預(yù)過濾器與高效過濾器在迎風(fēng)面斷面上尺寸一致，并且排架結(jié)構(gòu)相同時，工作效率將達(dá)到最高。而且，在核空氣凈化技術(shù)中，預(yù)過濾器與高效過濾器的使用、試驗(yàn)及技術(shù)指標(biāo)驗(yàn)證等，還需參考國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17939—2008《核級高效空氣過濾器》以及核工業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)EJ 915—1994《核級亞高效空氣粒子過濾器》和EJ 916—1994《核級中效空氣粒子過濾器》。

3 碘吸附器

除了放射性氣溶膠粒子污染核電站空氣以外，還有放射性碘的污染同樣也需引起重視。在核電站空氣凈化系統(tǒng)中，過濾放射性碘的設(shè)備是碘吸附器。核工業(yè)采用的碘吸附器主要有兩種形式，即折疊式和抽屜式。

折疊式碘吸附器的外形尺寸與高效空氣過濾器的外形尺寸相仿，額定風(fēng)量也一致。這類碘吸附器，除了在管道系統(tǒng)中單獨(dú)使用外，在大風(fēng)量排架系統(tǒng)中一般很少使用。

抽屜式碘吸附器由多個抽屜吸附器盒堆疊而成，大小規(guī)格同高效空氣過濾器相匹配。通常，抽屜式碘吸附器需與預(yù)過濾器及高效過濾器一起聯(lián)合使用，迎風(fēng)斷面尺寸需與前面各過濾器的迎風(fēng)斷面尺寸一致，額定風(fēng)量也需相同。由于這類吸附器的炭床厚、單位重量輕、安裝、更換簡單方便、運(yùn)行安全可靠，所以在核電站空氣凈化系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。

采用活性炭來作為吸附介質(zhì)過濾放射性碘是經(jīng)過多年的試驗(yàn)和研究后的正確選擇。20世紀(jì)50年代末，ORNL和Harwell等研究所進(jìn)行過很多的實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了活性炭過濾器對無機(jī)碘具有良好的吸附性能，但在潮濕空氣中放射性碘有一部分會轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)碘（主要成分是甲基碘），用活性炭過濾器難于充分捕集。而后又經(jīng)過數(shù)年的研究才使這個問題得以解決。當(dāng)在活性炭中加入少量的碘化鉀（或者碘）或者添加胺類時，吸附器即使在潮濕空氣的條件下，也可以有效地捕集甲基碘。目前使用的活性炭過濾器，大多都是采用這類活性炭作為填充材料。

式中：c和0c——分別為放射性碘在吸附器炭床出

口和入口的濃度；

λ——放射性元素的衰變常數(shù)，s-1；

L——滯留床高度，cm；

ρ——活性炭裝填密度，g/cm3；

K0——活性炭對該放射性元素穩(wěn)定同位素的吸附系數(shù)，mL/g ；

Vs——載氣流線速度，cm/s ；

H——炭床高度，cm。

同樣，碘吸附器在制造時需做濾材試驗(yàn)，制造完成后需做整機(jī)試驗(yàn)，工作時需做現(xiàn)場試驗(yàn)。試驗(yàn)方法有整體效率試驗(yàn)和機(jī)械泄漏試驗(yàn)兩種，但兩者都不全面，測量數(shù)據(jù)各有偏差。因此，目前最合理的方法是采用試驗(yàn)室試驗(yàn)來測定現(xiàn)場取回的炭樣的除碘效率。試驗(yàn)方法有甲基碘法和氟利昂法。

除了采用活性炭作為碘吸附劑以外，最近新開發(fā)的無機(jī)銀吸附器，在后處理工廠的排氣處理中，對長半衰期的129I能牢固地化學(xué)吸附，并且對NOx等致毒作用小的雜質(zhì)的吸附效果也較好，所以應(yīng)用前景比較看好。

4 氣體廢物后處理

從能量－安全保證的觀點(diǎn)看，乏燃料的后處理在完成核燃料循環(huán)中占有重要的位置。但是氣體廢物的后處理不同于液體或固體廢物的后處理，其放射性物質(zhì)分散、劑量低、分離回收程序復(fù)雜，回收周期長，因此對氣體廢物的后處理不能采用簡單掩埋的手段。目前世界各國的氣體核廢料后處理工廠，都是以分離回收碘為前提的，回收方法有蒸餾法、吸附法、離子分離法、隔膜法和熱擴(kuò)散法等。僅次于碘回收的還有氪和氙等的回收。此外，對使用過的廢棄過濾器與吸附器，根據(jù)其特點(diǎn)可以按照固體廢物的處理方法處置。

5 空氣凈化設(shè)備的選擇

對于核電站空氣凈化系統(tǒng)來說，影響其過濾效果的關(guān)鍵之處在于空氣凈化設(shè)備的正確選擇。可以說如果沒有正確的空氣凈化設(shè)備，就沒有可靠的核空氣凈化技術(shù)?？諝鈨艋O(shè)備的選擇主要需把握七點(diǎn)原則：

1）能滿足所需的凈化效率，并進(jìn)行通風(fēng)方式的選擇以及通風(fēng)量與平衡的計(jì)算。

2）濾料應(yīng)具備足夠的張力；抗水性和阻燃性良好；并具備耐輻照性與可裂解性；滿足后處理的要求。

3）高效空氣過濾器必須滿足《核級高效空氣過濾器》GB/T 17939—2008的要求。

4）粗、中效預(yù)過濾器應(yīng)能滿足物料回收的要求；碘吸附器應(yīng)有較小的透過率，并保證對放射性碘具有較高的吸附效率。

5）凈化設(shè)備能耐少量氟化氫及氮氧化物的腐蝕，設(shè)備表面易去污。

6）每臺凈化設(shè)備應(yīng)設(shè)置運(yùn)行監(jiān)測裝置，投入正常工作前需進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。

7）凈化設(shè)備應(yīng)便于操作和維修，廢棄的凈化部件應(yīng)便于回收。

6 總結(jié)與展望

核電廠空氣凈化系統(tǒng)是一個非常復(fù)雜的空氣凈化處理系統(tǒng)，除了上述幾點(diǎn)之外還有排風(fēng)凈化室的土建設(shè)計(jì)、排風(fēng)管道設(shè)計(jì)以及空氣凈化設(shè)備的檢測和維護(hù)等也需要加以考慮。但相信在不久的將來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，采用更多的性能優(yōu)良的新材料或新方法，必將會使核電廠的空氣凈化與利用提高到一個新的層次。

[1] 天沼倞，阪田貞弘. 放射性廢物處理處置的研究開發(fā)[M]. 北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，1988.（天沼倞,阪田貞弘. R&D on Radioactive Waste Treatment and Disposal [M]. Beijing: China Environmental Science Press, 1988.）

[2] 張性旦. 核通風(fēng)與空氣凈化[M]. 北京：原子能出版社，1993.（ZHANG Xing-dan. Nuclear Ventilation and Air Cleaning [M]. Beijing: Atomic Energy Press, 1993.）

[3] 劉群. 核電站空氣凈化系統(tǒng)中HEPA過濾器和碘吸附器的現(xiàn)場試驗(yàn)方法[J]. 輻射防護(hù)通訊，1994，14.（LIU Qun. On-site Testing Method for HEPA Filter and Iodine Absorber in Nuclear Power Plant Air Cleaning System [J]. Radiation Protection Newsletter, 1994，14.）

[4] US Nuclear Regulatory Commission, Calculation of Releases of Radioactive Materials in Gaseous and Liquid Effluents from Pressurized Water Reactors, NUREG-0017. Washington, D.C，1980.10.

The Analysis for the Air Cleaning System of Nuclear Power Plant

HUANG Ran
(Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute, Shanghai 200233，China)

The air cleaning system of nuclear power plant is an important system of nuclear island auxiliary system. According to the analysis of working characteristic and cleaning theory of the air cleaning system of nuclear power plant, and the study on some special air cleaning equipment concretely, a few principles of design and selection of air cleaning equipment are put forward.

nuclear power plant；air；cleaning

TM623 Article character: A Article ID: 1674-1617(2013)01-0041-04

TM623

A

1674-1617(2013)01-0041-04

2012-04-25

黃 然（1976—），男，湖北人，工程師，碩士，從事裝換料工藝及非標(biāo)設(shè)備設(shè)計(jì)。