基于核電事故的釋放放射性物質(zhì)建模介紹

張磊 曲莎

中國(guó)中原對(duì)外工程有限公司 北京 100044

1 介紹

為了確定核電廠(chǎng)嚴(yán)重事故條件下的適當(dāng)決策，核電廠(chǎng)響應(yīng)分析對(duì)于獲取安全和風(fēng)險(xiǎn)邊際至關(guān)重要。由于熱力學(xué)的影響，裂變產(chǎn)物在不同事故下的釋放情況復(fù)雜，因此，在嚴(yán)重事故中研究裂變產(chǎn)物在安全殼內(nèi)的行為是必不可少的。在LOCA期間，氣態(tài)形式的放射性碘是最重要的源核素之一，因?yàn)樗哂懈叻磻?yīng)性、高裂變產(chǎn)率、環(huán)境流動(dòng)性。本文介紹一種分析模型對(duì)反應(yīng)堆建筑物內(nèi)的空氣中氣態(tài)碘進(jìn)行模擬的方法，用于研究元素碘的物理行為。

2 模擬方法

2.1 壓水反應(yīng)堆的特征

雙回路壓水反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)，包括一個(gè)反應(yīng)堆壓力容器，兩個(gè)冷卻劑回路，兩個(gè)蒸汽發(fā)生器和一個(gè)連接在其中一個(gè)回路中的穩(wěn)壓器。輕水用作反應(yīng)堆的冷卻劑和慢化劑。二回路包括主給水系統(tǒng)、主蒸汽系統(tǒng)等。關(guān)鍵堆芯安全設(shè)備系統(tǒng)包括緊急堆芯冷卻系統(tǒng)，余熱排出系統(tǒng)和應(yīng)急給水箱等[1]。反應(yīng)堆堆芯包含69個(gè)控制棒組件和177個(gè)燃料組件。每個(gè)組件中有208個(gè)燃料棒。堆芯燃料棒長(zhǎng)度為3.66米，其中反應(yīng)堆容器的高度為12.42米，含水量為113.55立方米?？刂瓢粲葾g-Ln-Cd組成，濃度分別為85%Ag，10%In和5%Cd。燃料棒外徑為1.092厘米，而燃料棒間距為1.443厘米。燃料芯塊的總體實(shí)質(zhì)尺寸與標(biāo)準(zhǔn)燃料芯塊的尺寸相同。

2.2 嚴(yán)重事故的假設(shè)

本文考慮了嚴(yán)重事故情況下的LOCA損失，高壓噴射系統(tǒng)和低壓噴射系統(tǒng)等無(wú)法使用等情況。由于閥門(mén)故障，應(yīng)急儲(chǔ)水箱也被認(rèn)為不可用。在LOCA期間，安全殼的大氣溫度和壓力由蒸汽產(chǎn)生速率、冷卻速率和系統(tǒng)的幾何形狀決定。在LOCA之后不久，預(yù)計(jì)安全殼的溫度達(dá)到80℃，壓力達(dá)到7.533Pa[2]。

2.3 數(shù)學(xué)建模

介紹在安全殼內(nèi)釋放的半動(dòng)力學(xué)模型碘活性，以研究在嚴(yán)重事故情況下的內(nèi)含碘行為。數(shù)學(xué)模型是一組耦合線(xiàn)性方程。這些線(xiàn)性方程只是容器內(nèi)體積活度增益和體積活度損失差異的平衡方程。體積活動(dòng)的增加是由于受損燃料中碘的持續(xù)釋放和自由表面的再懸浮。另一方面，體積活動(dòng)的損失是由于自然衰變、再循環(huán)過(guò)濾，通過(guò)噴霧系統(tǒng)去除，從容器中泄漏，以及沉積在壁和自由表面上的碘損失。因此，該模型需考慮由于自然衰變而去除碘的衰減常數(shù)，在容納表面上的碘沉積而導(dǎo)致的損失項(xiàng)，噴霧的損失，通過(guò)再循環(huán)過(guò)濾的損失，由于排氣系統(tǒng)泄漏導(dǎo)致的損失[3]。

液滴收集效率需考慮元素碘的氣相傳質(zhì)系數(shù)、液相傳質(zhì)系數(shù)、安全殼空氣中的液滴暴露時(shí)間、液滴蒸汽中的碘擴(kuò)散系數(shù)、液滴直徑、擴(kuò)散元素碘的分子量、液體水的粘度等。

無(wú)遏制表面上的表面活性也具有增益項(xiàng)和損失項(xiàng)，需考慮表面活度的變化率。影響變化率的因素包括碘在自由表面上的沉積速率，重新懸浮碘。在核電廠(chǎng)正常運(yùn)行期間，自由表面和空氣中的標(biāo)稱(chēng)活動(dòng)量可以忽略。因此可忽略事故進(jìn)展的初始表面活動(dòng)。核電站常規(guī)操作引起的安全殼空氣中的標(biāo)稱(chēng)空氣活動(dòng)通過(guò)吹掃和清潔系統(tǒng)不斷清理。因此，與意外釋放的活動(dòng)相比，這種空中活動(dòng)可以忽略不計(jì)。因此，初始意外釋放體積空氣傳播活動(dòng)可以通過(guò)燃料釋放部分、冷卻劑釋放部分及堆芯損傷等因素來(lái)表達(dá)。

本文假設(shè)只有10%-20%的活動(dòng)是隨著事故的進(jìn)展而立即活動(dòng)。在混合冷卻劑與混合速率之后，剩余的活動(dòng)在封閉空氣中傳播。作為時(shí)間的函數(shù)，活動(dòng)通過(guò)受損燃料的冷卻劑不斷進(jìn)入密閉空氣。因此，損傷燃料是一種連續(xù)的來(lái)源，有助于遏制空氣中的活動(dòng)。因?yàn)椋?dāng)LOCA啟動(dòng)時(shí)，泄漏率瞬間達(dá)到非常高的值，因此，隨著抽吸釋放，該冷卻劑活動(dòng)立即在空氣中傳播。即使具有如此高的泄漏率，也只能有20%-25%的總冷卻劑損失。

2.4 計(jì)算方法

模型需對(duì)如下方面進(jìn)行考慮：體內(nèi)碘容納活動(dòng)：需評(píng)估在反應(yīng)堆安全殼正常條件下的碘的空氣傳播體積活度，即沒(méi)有噴霧的正常排氣和再循環(huán)速率；堆芯損傷效果：需模擬安全殼內(nèi)碘的體積活動(dòng)的堆芯損傷效應(yīng)；瞬時(shí)釋放效果：LOCA是由于冷卻液管道的不受控制的泄漏造成的，冷卻劑爆發(fā)釋放導(dǎo)致放射性碘立即逃逸，需模擬安全殼內(nèi)碘的體積活度以獲得各種瞬時(shí)爆發(fā)釋放值；混合率對(duì)碘活性的影響：需模擬各種混合速率的延遲堆芯釋放，其通過(guò)冷卻劑有助于空氣傳播的體積活動(dòng)，碘在水中具有復(fù)雜的化學(xué)性質(zhì)；泄漏率的影響：抑制壓力顯著影響碘活性的量化，由于蒸汽和氫氣的產(chǎn)生，安全殼中的壓力升高，這可能導(dǎo)致安全殼泄漏增加，因此，需模擬不同排氣率值的碘的體積活度；再循環(huán)率的影響：模擬了安全殼內(nèi)碘的體積活度，以獲得90%的再循環(huán)過(guò)濾效率的各種再循環(huán)值；噴射流量對(duì)安全殼容積活動(dòng)的影響；再循環(huán)過(guò)濾器效率對(duì)體積活動(dòng)的影響：在傳統(tǒng)的壓水堆安全殼設(shè)計(jì)中，安全殼清洗和清潔系統(tǒng)與炭過(guò)濾器一起使用。炭過(guò)濾器可有效收集元素碘，并且收集碘的效率為99.9%。然而木炭本質(zhì)上是吸濕的，其效率隨時(shí)間降低。在事故期間，還產(chǎn)生蒸汽，其引導(dǎo)碘流動(dòng)導(dǎo)致收集效率降低，因此需模擬碘對(duì)各種過(guò)濾效率值的空氣傳播活動(dòng)；噴霧液滴對(duì)碘活性的影響：在LOCA期間，安全氣氛溫度開(kāi)始上升，并在幾分鐘內(nèi)達(dá)到80℃。噴霧系統(tǒng)的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)是隨著溫度和壓力的升高而激活的。此外，噴霧收集效率還取決于容納空氣的溫度，因?yàn)樗Q于碘（元素和有機(jī)物）的擴(kuò)散。

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種半容量動(dòng)力學(xué)模型，用于動(dòng)態(tài)研究安全殼內(nèi)釋放的元素碘的體積活度，對(duì)模擬LOCA期間安全殼內(nèi)釋放的碘活性的研究提供一種參考。