核電廠主控室可居留性評價相關(guān)研究問題綜述

吳楠　劉新建

【摘 要】為了增加核電廠對事故工況下反應(yīng)堆的控制能力，緩解事故造成的影響，主控室在設(shè)計、建造、運行的過程中需要對可居留性進行充分評價。本文結(jié)合目前我國主控室可居留性評價中遇到的一些問題，從精細(xì)流場模擬、非過濾泄漏評估、事故新風(fēng)量敏感性分析及非放射性事故的可居留性評價等方面，對主控室可居留性評價的相關(guān)研究內(nèi)容進行了闡述并提出了初步研究思路，以進一步指導(dǎo)主控室可居留系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化，增強主控室在事故工況下的可居留性。

【關(guān)鍵詞】主控室；可居留性；計算流體動力學(xué)

0 引言

主控室是核電廠正常運行和事故工況下實施控制的中心，也是應(yīng)急響應(yīng)期間運行控制組的工作場所，能夠集中監(jiān)測并控制電廠的運行狀態(tài)和事故狀態(tài)，提供電廠運行參數(shù)，并在事故應(yīng)急響應(yīng)期間對事故工況進行診斷、分析和預(yù)測，采取控制措施緩解事故或使電廠恢復(fù)到安全狀態(tài)[1]。作為核電廠的主要應(yīng)急設(shè)施之一，主控室應(yīng)通過屏蔽和通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計保證工作人員的可居留性，防止事故工況下形成的過量照射或有毒有害物質(zhì)威脅工作人員的健康和安全。

為了增加核電廠對事故工況下，特別是嚴(yán)重事故工況下反應(yīng)堆的控制能力，緩解事故造成的影響，主控室在設(shè)計、建造、運行的過程中需要對可居留性進行充分評價，論證其是否滿足相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的要求，并為主控室可居留系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化提供指導(dǎo)。鑒于此，本文結(jié)合當(dāng)前主控室可居留性評價中所面臨的問題，對可居留性評價的相關(guān)研究內(nèi)容進行了歸納總結(jié)，以進一步推動主控室可居留系統(tǒng)和主控室設(shè)計水平的提升，提高設(shè)施應(yīng)對自然災(zāi)害、有毒有害氣體和放射性釋放的能力。

1 精細(xì)流場模擬研究

主控室可居留性評價中，能否準(zhǔn)確描述放射性核素或其他有毒有害物質(zhì)向主控室的遷移擴散過程對于評價主控室內(nèi)污染物的濃度特征有著重要的影響。目前可居留性評價中采用大氣彌散因子對這一過程進行定量描述。我國主要采用美國核管會（NRC）推薦的方法開展主控室大氣彌散因子計算，先后經(jīng)歷了墨菲-坎普模型[2]、基于統(tǒng)計學(xué)方法的新尾流模式和組合尾流模式[3]，以及基于直線高斯煙羽模型的ARCON95[4]與ARCON96模型。其中，ARCON96模型由于通過場地實驗數(shù)據(jù)對擴散參數(shù)進行了修正，對靜風(fēng)條件與近距離處的大氣彌散因子的估計比以往計算模型更貼近實際[5]，該模型已經(jīng)逐漸成為我國主控室大氣彌散因子計算的主流工具。

盡管ARCON96模型應(yīng)用簡單，但由于高斯模式不能很好的解釋風(fēng)同建筑物、地形相互作用所產(chǎn)生的湍流擴散過程，以及風(fēng)同釋放物質(zhì)流相互作用引起的湍流混合過程[6]，其應(yīng)用將受到地形、風(fēng)流場狀態(tài)的限制，在處理小尺度范圍的大氣彌散問題，以及用于復(fù)雜地形和小靜風(fēng)等特殊的氣象條件時，其準(zhǔn)確性仍將難以保證。此外，基于高斯模式的大氣彌散計算方法不能模擬釋放物質(zhì)流在主控室內(nèi)部的擴散遷移過程，無法對其由室外向室內(nèi)的遷移規(guī)律進行研究。近年來，隨著計算機硬件資源的迅猛發(fā)展和數(shù)值計算技術(shù)的不斷進步，計算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）數(shù)值模擬逐漸成為工程設(shè)計的重要輔助手段，在大氣彌散和污染物濃度計算等研究中得到了廣泛應(yīng)用。CFD數(shù)值計算方法提供了多種湍流模型，能夠較為細(xì)致的分析因地形、建筑物以及釋放物質(zhì)流引起的湍流擾動作用，相比于高斯擴散模式更適合于小尺度范圍內(nèi)的大氣彌散計算。

由于核電廠存在高大建筑物，其產(chǎn)生的湍流擾動作用將對放射性核素或其他有毒有害物質(zhì)的大氣彌散產(chǎn)生一定程度的影響。若將CFD方法應(yīng)用于主控室可居留性評價中，則能夠?qū)穗姀S廠區(qū)的流場分布特征、釋放物質(zhì)流在建筑物尾流區(qū)域以及建筑物內(nèi)部的遷移擴散過程進行更為細(xì)致的計算分析，還可以模擬污染物通過應(yīng)急通風(fēng)系統(tǒng)以及非過濾泄漏途徑由室外向室內(nèi)的遷移過程，為主控室應(yīng)急通風(fēng)設(shè)計及通風(fēng)方案的優(yōu)化[7]提供更為有力的指導(dǎo)。

2 可居留區(qū)域內(nèi)的非過濾泄漏評估

為了保證主控室可居留區(qū)域邊界的密封性，防止外界污染空氣未經(jīng)過濾直接滲入可居留區(qū)域內(nèi)，主控室通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計需要使其維持一定的微正壓。盡管設(shè)計上能夠通過對可居留區(qū)域邊界建筑構(gòu)件和系統(tǒng)部件的密封、貫穿件的封堵以及應(yīng)急通風(fēng)過濾系統(tǒng)的嚴(yán)格布置來實現(xiàn)，然而實際上存在一些難以識別的加壓空氣流，導(dǎo)致小部分未經(jīng)過濾的污染空氣深入主控室可居留區(qū)域。同時，可居留區(qū)域邊界上出入門的開關(guān)也將對可居留區(qū)域內(nèi)空氣的污染情況產(chǎn)生影響。

一般地，非過濾滲入量同可居留區(qū)域與其相鄰區(qū)域間的壓差緊密相關(guān)，也因滲入物質(zhì)種類的不同而有所差異，因此，非過濾泄漏的評估較為復(fù)雜也存在一定的不確定性。目前的可居留性評價中通常采用某一固定滲入量來考慮非過濾泄漏造成的影響。放射性事故下的可居留性評價經(jīng)驗表明，采用標(biāo)準(zhǔn)推薦的固定泄漏量時，如SRP推薦的17m3/h[8]，某些情況下的評價將過于保守。因此，需要針對非過濾泄漏評估開展深入研究，細(xì)致分析國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提供的泄漏評估方法，利用經(jīng)典的風(fēng)量滲漏模型評估整個可居留區(qū)域的密閉性，全面梳理可居留區(qū)域內(nèi)的貫穿件，估算可能產(chǎn)生的泄漏面積，并結(jié)合具體可居留區(qū)域布置結(jié)構(gòu)采用數(shù)值模擬手段研究泄漏量同泄漏面積及壓差間的關(guān)系，模擬開關(guān)門操作的具體影響，從而更為準(zhǔn)確的評估可居留區(qū)域的非過濾泄漏量。在可能的條件下，還可開展示蹤實驗，進一步驗證模型的可靠性。

3 事故新風(fēng)量敏感性分析

事故工況下，除非過濾泄漏途徑外，室外污染空氣還將經(jīng)主控室通風(fēng)過濾系統(tǒng)凈化后作為補充新風(fēng)進入主控室可居留區(qū)域內(nèi)。以放射性事故為例，主控室通風(fēng)過濾系統(tǒng)設(shè)置有預(yù)過濾、碘吸附和高效過濾三級凈化裝置，能夠去除大部分碘和氣溶膠，但無法過濾惰性氣體，因此經(jīng)過濾的新風(fēng)仍將對主控室可居留區(qū)域內(nèi)的工作人員產(chǎn)生輻照影響。除滿足儀表及人員的舒適度要求外，事故工況下主控室的新風(fēng)量應(yīng)保證可居留區(qū)域維持至少30Pa的微正壓[8-10]，并能保證可居留區(qū)域內(nèi)的放射性核素和其他有毒有害物質(zhì)對工作人員造成的輻射后果及其他影響不超過法規(guī)要求的限值，例如，《核動力廠營運單位的應(yīng)急準(zhǔn)備與應(yīng)急響應(yīng)》（HAD002/01）中要求，在設(shè)定的持續(xù)應(yīng)急響應(yīng)期間內(nèi)（一般為30 d），主控室工作人員接受的有效劑量不大于50mSv，甲狀腺當(dāng)量劑量不大于500mGy[11]。

不難看出，事故新風(fēng)量的增加有助于維持可居留區(qū)域邊界的密封性，降低非過濾泄漏量，但也必然從環(huán)境中引入更多的污染空氣。就放射性事故而言，目前的可居留性評價沒有考慮非過濾泄漏同事故新風(fēng)量間的關(guān)系，而是采用固定泄漏量計算可居留區(qū)域內(nèi)工作人員的受照劑量。因此，對主控室事故新風(fēng)量開展敏感性分析，在降低非過濾泄漏與減少可居留區(qū)域內(nèi)工作人員的輻射劑量或其他有毒有害影響間尋求平衡，也逐漸成為主控室可居留性評價的研究方向之一。研究中可以采用CFD數(shù)值模擬方法建立釋放物質(zhì)流向主控室可居留區(qū)域遷移擴散的物理模型，在前述非過濾泄漏評估研究的基礎(chǔ)上，深入研究新風(fēng)量、泄漏量及污染物濃度三者間的關(guān)系，為主控室應(yīng)急通風(fēng)系統(tǒng)及可居留性的優(yōu)化提供技術(shù)支持。

4 非放射性事故工況下的可居留性評價標(biāo)準(zhǔn)及方法研究

目前，我國核電廠主控室的可居留性評價主要針對放射性事故，已具備較為完整的評價標(biāo)準(zhǔn)和較為成熟的評價方法。然而，對于火災(zāi)、爆炸及危險化學(xué)品泄漏等非放射性事故條件下主控室的可居留性，目前僅有原則性要求，如《核動力廠設(shè)計安全規(guī)定》（HAF102-2004）中要求“必須采取適當(dāng)?shù)拇胧┖吞峁┳銐虻男畔⒈Ｗo控制室內(nèi)人員，防止事故工況下形成過量照射、放射性物質(zhì)釋放、爆炸性物質(zhì)或有毒氣體之類的險情的繼發(fā)性危害，以保持其采取必要行動的能力”[12]。同時，我國目前也缺乏非放射性事故可居留性評價的工具。

美國在非放射性可居留性評價方面起步較早，已經(jīng)形成了包括RG1.78[13]和RG1.95[14]在內(nèi)的一系列導(dǎo)則，并開發(fā)了HABIT[15]等評價工具。隨著核電廠安全水平的不斷提高，發(fā)生較大規(guī)模放射性釋放的概率得以顯著降低。同時，國外的核電運行經(jīng)驗表明，非放射性事故的危害同樣不容忽視。因此，亟需開展非放射性事故工況下主控室可居留性評價相關(guān)研究，在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上對國際上較為成熟的標(biāo)準(zhǔn)進行消化吸收，建立針對非放射性事故的可居留性評價準(zhǔn)則和評價方法。此外，基于核電廠內(nèi)主要危險化學(xué)品的貯存情況，結(jié)合核電廠主控室的設(shè)計特點，可以利用先進的CFD工具，模擬非放射性事故下有毒有害物質(zhì)的遷移過程，并針對通風(fēng)量等影響主控室內(nèi)污染物濃度的關(guān)鍵因素開展敏感性分析，從而對主控室的設(shè)計提出合理可行的優(yōu)化建議，增強主控室在不同事故情況下的可居留性。

5 結(jié)論

為推動我國主控室可居留性系統(tǒng)設(shè)計水平的提升，保證并維持主控室在事故工況下的可居留性，本文結(jié)合目前我國主控室可居留性評價中遇到的一些問題，從精細(xì)流場模擬、非過濾泄漏評估、事故新風(fēng)量敏感性分析及非放射性事故的可居留性評價等四方面總結(jié)了主控室可居留性評價的研究方向，并簡單闡述了各研究方向所涉及的研究內(nèi)容及研究思路。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]