熔堆事故下有機(jī)碘形成、濾除排放與蒸汽環(huán)境模擬

高琳鋒,梁俊欽,姚巖巖,趙高昕,陳 欣,常 森,李 昕

(1.中國輻射防護(hù)研究院,太原 030006; 2.中廣核惠州核電有限公司,廣東 惠州 516003;3.陽江核電有限公司,廣東 陽江 529941)

核電廠發(fā)生冷卻劑損失事故(LOCA)導(dǎo)致堆芯熔化等嚴(yán)重事故時,核燃料中的裂變產(chǎn)物(FP)會通過反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)釋放到安全殼內(nèi)。碘元素屬于最危險的一類裂變產(chǎn)物,在核燃料中有大量庫存,具有高放射性、高毒性、易被人體甲狀腺吸收富集且被吸收后會產(chǎn)生嚴(yán)重的生物效應(yīng)[1],因此在事故工況下放射性碘會受到特別的關(guān)注。相對于分子碘在堿性溶液中容易轉(zhuǎn)化為非揮發(fā)形態(tài)、氣態(tài)碘易于被吸附劑濾除[2],有機(jī)碘的表面親和力較低,不易發(fā)生反應(yīng)分解,釋放到外部環(huán)境中會擴(kuò)散的更遠(yuǎn)。從公眾安全的角度衡量,安全殼破損泄漏或超壓排放時釋放的有機(jī)碘會對公眾產(chǎn)生持續(xù)性的傷害[3],因此有必要確定事故工況安全殼中放射性碘的化學(xué)形態(tài)、分解、去除途徑,以便更好地減少可能釋放到環(huán)境中的有機(jī)碘的量。

為了減少事故工況有機(jī)碘不可控釋放造成的社會危害,在一次安全殼過濾系統(tǒng)除碘凈化方面,以美國ASME AG-1[4]標(biāo)準(zhǔn)為代表,規(guī)定了高溫蒸汽環(huán)境下吸附劑去除有機(jī)碘的過濾性能要求(吸附效率≥98%)。在安全殼超壓排放除碘過濾中,各國對有機(jī)碘的去除效率也有相關(guān)規(guī)定(凈化系數(shù)DF≥10)[2,5]。然而,在事故工況吸附劑除碘過濾檢測方面,國內(nèi)尚未見到高溫高壓高濕條件下放射性有機(jī)碘蒸汽環(huán)境精確模擬的報道。為開展在役吸附劑除碘性能檢測以確保事故工況有機(jī)碘的有效捕集,本文簡述了核電廠熔堆事故下有機(jī)碘的形成機(jī)理與濾除排放工藝并開展了有機(jī)碘蒸汽環(huán)境精確模擬研究。

1 有機(jī)碘形成與濾除排放

1.1 氣態(tài)碘釋放與形態(tài)轉(zhuǎn)化

為了研究堆芯熔化進(jìn)程和放射性裂變產(chǎn)物釋放有關(guān)的嚴(yán)重事故關(guān)鍵現(xiàn)象,歐洲多國合作計劃Phébus FP項目通過整體實(shí)驗(yàn)的形式模擬了核燃料升溫、熔解、裂變產(chǎn)物釋放與運(yùn)輸過程熱工水力特性以及氣溶膠與碘的化學(xué)行為[6-7]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,碘極易揮發(fā),堆芯熔化時大部分碘會從燃料中釋放出來,超過一半的碘以氣態(tài)或氣溶膠形式進(jìn)入安全殼[6,8]。在試驗(yàn)早期階段(10 000～18 000 s),安全殼內(nèi)氣態(tài)碘含量逐漸增多并趨于最大值。Phébus FP項目四次整體實(shí)驗(yàn)(FPT-0到FPT-3)表明,釋放到安全殼內(nèi)的氣態(tài)碘受地坑溶液酸堿性、燃料棒組成與燃料棒狀態(tài)(運(yùn)行時間)影響較為明顯,在不同組合條件下氣態(tài)碘占比從低到高分別約為0.65%(FPT-2)、4.5%(FTP-1)、45%(FPT-0)、90%(FPT-3)。在實(shí)驗(yàn)早期階段(裂變產(chǎn)物釋放開始后10小時內(nèi))沒有有機(jī)碘化物從反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)進(jìn)入安全殼[6]。安全殼中揮發(fā)性碘濃度的演變?nèi)Q于放射性碘的釋放、碘的化學(xué)形態(tài)、自然沉積、高溫輻射環(huán)境下的分解等過程,噴淋等人工干預(yù)過程也會起到一定的促進(jìn)作用。

釋放到安全殼中的氣態(tài)和顆粒形式的碘在重力沉降和擴(kuò)散作用下沉積在安全殼內(nèi)表面(主要是鋼表面和涂漆表面)和安全殼地坑中。安全殼噴淋系統(tǒng)的啟動加速了以氣溶膠形態(tài)存在的放射性碘的轉(zhuǎn)移過程,使氣態(tài)碘濃度進(jìn)一步下降。在碘未充分轉(zhuǎn)入地坑前,無機(jī)碘是氣態(tài)碘的主要形式。而當(dāng)?shù)乜幼鳛榈獾母咝占萜骱?沉積在安全殼表面油漆涂料上的無機(jī)碘和地坑中的碘在高溫高壓強(qiáng)輻射環(huán)境下形態(tài)逐漸發(fā)生變化,由無機(jī)碘轉(zhuǎn)化為有機(jī)碘。形成的有機(jī)碘揮發(fā)到氣體中,并逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位[6-7]。在長期階段(約150 000～400 000 s),安全殼內(nèi)碘的濃度相對初始階段會顯著降低,事故發(fā)生數(shù)小時到一天后,安全殼內(nèi)氣體中的碘濃度最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。盡管由于不同的實(shí)驗(yàn)條件,放射性碘形態(tài)與濃度在瞬態(tài)初期存在較大差異,但200 000 s后氣態(tài)碘的濃度水平基本相似,穩(wěn)態(tài)條件下約占總碘含量的0.063%(±0.032%),大多數(shù)揮發(fā)性碘以有機(jī)碘的形式存在[9]。

1.2 有機(jī)碘形成機(jī)理

研究表明,事故工況安全殼內(nèi)有機(jī)碘形成機(jī)理分為以下三種形式:

(1)油漆涂料表面有機(jī)碘的生成

沉積在油漆涂料表面的離子碘在強(qiáng)輻照作用下形成單質(zhì)碘,同時涂漆在輻照作用下表面會產(chǎn)生大量有機(jī)自由基,單質(zhì)碘與油漆分解組分反應(yīng)形成有機(jī)碘。單質(zhì)碘極易吸附到油漆表面,而生成的有機(jī)碘則更易揮發(fā)到氣相中。熔堆事故發(fā)生后,沉積在油漆表面的離子碘形成一個存量較大的碘源庫。長期來看,強(qiáng)輻照環(huán)境下含碘油漆是氣態(tài)有機(jī)碘生成的重要來源[8]。實(shí)驗(yàn)研究表明[3],油漆表面有機(jī)碘釋放分為開始時的快速釋放階段與后期的緩慢釋放階段(照射15小時后),在輻照期間有機(jī)碘會持續(xù)生成。油漆涂料表面的碘化學(xué)反應(yīng)如圖1所示。

圖1 輻照條件下油漆表面碘形態(tài)的轉(zhuǎn)化[8]

(2)地坑中有機(jī)碘的生成

地坑溶液中的碘離子在輻照條件下生成單質(zhì)碘,并與涂漆表面浸出的有機(jī)自由基反應(yīng)生成有機(jī)碘。在溶液中有機(jī)碘具有較低的分配系數(shù)和較高的擴(kuò)散率,因此比單質(zhì)碘更易轉(zhuǎn)移到氣相中[8]。地坑溶液中沒有銀離子固化碘離子時,生成的單質(zhì)碘和有機(jī)碘的濃度基本一致[10]。當(dāng)?shù)乜尤芤褐蠥g/I摩爾比較高時,碘離子會被銀離子快速固化沉積,釋放到安全殼中的放射性無機(jī)碘絕大部分被銀離子固化,有機(jī)碘的形成會大幅減少。Phébus FP實(shí)驗(yàn)表明[6,11],相比地坑中有機(jī)碘的生成,碘與油漆的相互作用被認(rèn)為是揮發(fā)性有機(jī)碘的主要來源。地坑中碘化學(xué)行為如圖2所示。

圖2 地坑中碘化學(xué)形態(tài)的轉(zhuǎn)化[8]

(3)氣相中有機(jī)碘的生成

氣相中有機(jī)碘的生成可能是氣相中無機(jī)碘與揮發(fā)性有機(jī)化合物(如甲烷或短鏈揮發(fā)性有機(jī)化合物)在高溫輻射作用下發(fā)生氣相反應(yīng)形成的。Phébus FPT-3實(shí)驗(yàn)測試表明,氣相中有機(jī)碘的形成占比相對較小[12]。安全殼中氣態(tài)有機(jī)碘一方面不斷生成,同時也受到輻射分解破壞,最終達(dá)到一個近似平衡的狀態(tài)[6,12]。

1.3 安全殼內(nèi)碘濾除

堆芯熔化事故長期階段形成以甲基碘為主要組分的有機(jī)碘形態(tài),有機(jī)碘也被確定為切爾諾貝利事故后持續(xù)存在于大氣中的主要裂變物質(zhì)[13]。為了降低事故工況放射性碘的泄漏造成環(huán)境污染與公眾放射性內(nèi)外照射風(fēng)險,核電廠對放射性碘(特別是有機(jī)碘)做了濾除要求[4]。放射性有機(jī)碘在安全殼內(nèi)主要通過吸附劑過濾去除。

以先進(jìn)重水堆為例,安全殼內(nèi)通過配置安全殼過濾與回泵系統(tǒng)(PCFPBS)等專設(shè)安全設(shè)施來降低事故工況高溫蒸汽與放射性裂變產(chǎn)物泄漏造成的危害。先進(jìn)重水堆一次安全殼包括容納反應(yīng)堆堆芯等高輻射區(qū)的V1(干阱)和圍繞V1布置的其余容積V2(濕阱)兩個部分,VI與V2之間通過通風(fēng)管道連接,通風(fēng)管道經(jīng)過重力驅(qū)動水池(GDWP),結(jié)構(gòu)布置如圖3所示。事故工況下,高溫蒸汽進(jìn)入V1區(qū)域后壓力升高,蒸汽和空氣混合物通過起泡的形式在GDWP中被冷凝,冷卻的空氣進(jìn)入V2區(qū)域。氣流通過PCFPBS在安全殼內(nèi)循環(huán)(從V1到V2),利用活性炭吸附器與高效空氣過濾器來去除事故工況下安全殼內(nèi)的放射性氣態(tài)碘與氣溶膠碘[14]。先進(jìn)重水堆事故工況采用蒸汽降溫降壓后吸附過濾的方式實(shí)現(xiàn)了放射性碘的高效濾除(≥99%)。

圖3 先進(jìn)重水堆安全殼過濾系統(tǒng)

事故工況下,GDWP通過蒸汽冷凝的方式限制了LOCA后安全殼內(nèi)的峰值壓力和溫度。當(dāng)上述方式無法實(shí)現(xiàn)安全殼內(nèi)壓力限值時,安全殼內(nèi)氣體通過一次安全殼排放系統(tǒng)經(jīng)過濾器處理后從煙囪排放到環(huán)境中。

1.4 安全殼超壓排放

核電站堆芯熔化時,持續(xù)釋放的熱量可能會造成安全殼內(nèi)壓力上升并超過設(shè)計壓力值。為防止安全殼過度承壓破損導(dǎo)致大量放射性物質(zhì)不受控釋放到外部環(huán)境,核電廠設(shè)置了安全殼過濾排放系統(tǒng)(FCVS)作為壓水堆與沸水堆的嚴(yán)重事故緩解措施,該系統(tǒng)也用于一些加壓重水反應(yīng)堆(CANDU)的事故工況[2]。FCVS通過水洗、過濾、吸附等多種措施來實(shí)現(xiàn)放射性氣溶膠與氣態(tài)碘的濾除與可控排放。國際上FCVS主要基于“干式”和“濕式”兩種方式。干式過濾法主要通過砂床、金屬纖維等過濾材料濾除安全殼超壓排放氣體中的元素碘和氣溶膠,采用銀沸石/分子篩等吸附介質(zhì)捕集去除氣體中的有機(jī)碘。濕式過濾法主要通過文丘里洗滌管等氣-液接觸面增強(qiáng)設(shè)備在除碘試劑溶液中吸收放射性碘(主要是分子碘),并通過水洗與金屬纖維過濾組合方式濾除放射性氣溶膠。濕式FCVS在世界各地占主導(dǎo)地位[15],我國大多數(shù)核電廠配備了濕式文丘里洗滌器型FCVS系統(tǒng)[5]。

目前,最新的FCVS設(shè)計采用“濕式”+“干式”組合方式[15-16],在傳統(tǒng)濕式過濾器高效去除氣溶膠(DF≥1 000)的基礎(chǔ)上增加了吸附劑除碘過濾系統(tǒng),提高了有機(jī)碘的濾除效率(DF≥50)。通常國際上FCVS對有機(jī)碘的濾除DF要求不低于10,我國與日本、韓國的濾除要求更高(DF≥50)[17]。

2 蒸汽環(huán)境模擬現(xiàn)狀

核電廠事故工況有機(jī)碘的吸附濾除取決于吸附劑的性質(zhì)和所處的蒸汽參數(shù)條件。在吸附過程中,水蒸汽與有機(jī)碘存在吸附競爭關(guān)系,由于水蒸汽與有機(jī)碘存在非常大的摩爾比,因此蒸汽相對濕度對吸附劑除碘效率有較大的影響。此外,溫度的升高有助于加快反應(yīng)過程,但溫度、濕度的升高降低了吸附劑對有機(jī)碘的吸附容量,也更容易出現(xiàn)穿透現(xiàn)象[18]。因此實(shí)現(xiàn)事故工況蒸汽環(huán)境精確模擬在有機(jī)碘濾除等方面具有重要的意義。

由于不同堆型安全殼設(shè)計壓力與超壓排放運(yùn)行條件不同、吸附過濾系統(tǒng)與前端氣溶膠過濾裝置及調(diào)壓孔板閥(通過節(jié)流膨脹降溫降壓形成過熱氣體,產(chǎn)生適當(dāng)?shù)穆饵c(diǎn)溫度差)位置關(guān)系影響,不同F(xiàn)CVS吸附劑除碘運(yùn)行參數(shù)條件也不盡相同。此外,事故工況安全殼壓力、氣體組分含量連續(xù)變化、泄壓啟動頻次等設(shè)置也各不相同,疊加FCVS屬于被動運(yùn)行設(shè)備,不能主動調(diào)節(jié)蒸汽相對濕度、溫度以及氣流均勻性,所以吸附劑濾除氣態(tài)碘在寬范圍的溫度、相對濕度、壓力參數(shù)下運(yùn)行。

目前,露點(diǎn)溫度100 ℃以上蒸汽相對濕度監(jiān)測尚未廣泛開展國際單位制溯源,因此暫時沒有商業(yè)化濕度監(jiān)測設(shè)備,這在客觀上限制了蒸汽環(huán)境精確模擬[19]。據(jù)2022年研究報道[20],意大利和荷蘭兩家國家計量機(jī)構(gòu)分別采用微波諧振法與蒸汽膨脹后常壓過熱氣體濕度測量的方式在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)將蒸汽環(huán)境模擬擴(kuò)展到溫度180 ℃(最高露點(diǎn)溫度150 ℃)、壓力600 kPa。然而,在露點(diǎn)溫度較高時,兩機(jī)構(gòu)有限參數(shù)條件下對比測試偏差隨相對濕度的增加逐漸增大,露點(diǎn)溫度127 ℃條件下當(dāng)相對濕度70%時最大偏差已接近4%[21-22]。

在工程應(yīng)用方面,日本在100 ℃、250 Pa、95%rh條件下進(jìn)行過有機(jī)碘蒸汽環(huán)境模擬與吸附測試實(shí)驗(yàn),也開展過1～8 bar、最高溫度170 ℃、蒸汽質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%～100%蒸汽環(huán)境模擬與實(shí)驗(yàn)檢測。JAVA PLUS試驗(yàn)去除有機(jī)碘的環(huán)境模擬條件為:80～170 ℃、1.5～8 bar、50%rh～95%rh。VEFITA設(shè)施模擬參數(shù)為:壓力1～4 bar、溫度100～160 ℃,同時也開展過溫度70～120 ℃、壓力4.4 bar、蒸汽占比70%～80%條件下除碘環(huán)境的模擬與試驗(yàn)。韓國在137～145 ℃、5.06 bar條件下進(jìn)行蒸汽環(huán)境的模擬與甲基碘去除效率測試。國內(nèi)哈爾濱工程大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)開展過80～140 ℃溫度條件下蒸汽環(huán)境模擬,也開展過20～100 ℃、1～4 bar條件氣體環(huán)境的模擬與除碘檢測[15]。

然而,有機(jī)碘蒸汽環(huán)境模擬通常只在較寬的溫濕度、壓力變化范圍內(nèi)開展,確定參數(shù)條件下高溫高壓高濕蒸汽環(huán)境精確模擬研究僅有少量報道。例如,日本學(xué)者在130 ℃、399 kPa、95%rh參數(shù)條件[17-18]下開展了有機(jī)碘蒸汽環(huán)境模擬的探索性研究。法國學(xué)者為開展附銀沸石除碘試驗(yàn)采用參數(shù)換算的方式進(jìn)行了相對濕度的等效監(jiān)測,然而模擬環(huán)境蒸汽溫度大多不超100 ℃[23]。

3 有機(jī)碘蒸汽環(huán)境模擬

福島第一核電站嚴(yán)重事故期間燃料化學(xué)的研究表明[24],隨著沸水堆事故的發(fā)展與溫度的升高,FP在熔融燃料的運(yùn)輸過程中經(jīng)歷了巨大的溫度變化,大約從2 000 K或更高,下降到低于400 K(126.85 ℃)。壓水堆事故工況安全殼溫度模擬研究[25]也表明,安全殼內(nèi)氣體露點(diǎn)溫度經(jīng)過短暫的升溫后(超過150 ℃)在噴淋等安全輔助設(shè)施的運(yùn)行下,露點(diǎn)溫度很快開始下降,約48 h后露點(diǎn)溫度趨于130 ℃附近。此外,在事故工況有機(jī)碘形成模擬研究等試驗(yàn)中通常也采用130 ℃進(jìn)行類似溫度設(shè)置(40～130 ℃)[26]。事故工況氣體相對濕度方面,FPT-1研究表明[27],在堆芯熔化事故下,安全殼內(nèi)相對濕度在60%～100%之間變化。本文以核電廠事故工況典型參數(shù)(130 ℃、399 kPa、95%rh)為代表性參數(shù)進(jìn)行含放射性有機(jī)碘的蒸汽環(huán)境精確模擬。

3.1 實(shí)施工藝

依據(jù)目標(biāo)蒸汽參數(shù)要求采用液體定量汽化、分步精確控溫、蒸汽參數(shù)實(shí)時調(diào)節(jié)等工藝,進(jìn)行了放射性甲基碘活度濃度可調(diào)的高溫壓力蒸汽環(huán)境模擬研究,工藝流程如圖4所示。

E-1～E-28分別代表:空壓機(jī)、氣體過濾器、氣體干燥機(jī)、電磁閥、流量控制器/流量計、單向閥、高壓氣瓶、減壓閥、水桶、計量泵、汽化器、加熱器、恒溫箱、溫度傳感器、蒸汽管路、安全閥、隔膜壓力變送器、蒸汽應(yīng)用裝置、背壓閥、油浴槽、控溫盤管、蒸汽環(huán)境模擬腔、冷凝器、積液桶、電子天平、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、水浴槽、不凝氣流含濕量測量腔。

實(shí)施過程:除濕過濾后的干潔空氣(露點(diǎn)溫度-40 ℃)和放射性甲基碘氮?dú)廨d氣以設(shè)定流量通過加熱器初步控溫,油浴二次精確控溫后進(jìn)入蒸汽環(huán)境模擬腔。定量汽化的蒸汽通過汽化器與油浴控溫后與工藝氣體充分混合,進(jìn)入蒸汽環(huán)境模擬腔。蒸汽中放射性甲基碘氣體活度濃度通過調(diào)節(jié)甲基碘氣體流量來實(shí)現(xiàn)。

蒸汽管路、控溫盤管、蒸汽環(huán)境模擬腔等設(shè)備整體置于恒溫箱和油浴槽等環(huán)境溫度控制裝置內(nèi)。蒸汽壓力采用遠(yuǎn)傳隔膜壓力變送器進(jìn)行監(jiān)測。蒸汽相對濕度采用蒸汽凝結(jié),實(shí)時監(jiān)測冷凝液質(zhì)量與冷卻不凝氣流含濕量的方式進(jìn)行監(jiān)測。

3.2 參數(shù)計算

(1)飽和蒸氣壓與絕對濕度

核電廠事故工況蒸汽環(huán)境模擬屬于含不凝氣體組份(空氣)的高溫壓力蒸汽介質(zhì)。根據(jù)道爾頓分壓定律,蒸汽總壓力Ptot由水蒸氣分壓Pw和不凝氣體壓力Pg組成:

Ptot=Pg+Pw

(1)

蒸汽所處溫度、壓力下飽和蒸汽壓Psv與絕對濕度A[28]:

Psv=Pc×exp(a1θ+a2θ1.5+a3θ3+a4θ3.5+a5θ4+a6θ7.5)

(2)

(3)

式中,θ=1-T/Tc;Tc為臨界溫度,Tc=647.096 K;Pc為臨界壓力,Pc=22 064 000 Pa;T為蒸汽溫度,K;a1～a6為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),取值a1=-7.859 517 83、a2=1.844 082 59、a3=-11.786 649 7、a4=22.680 741 1、a5=-15.961 871 9、a6=1.801 225 02;常數(shù)C=21 667.9 gK/J。

(2)相對濕度

蒸汽相對濕度R′等于蒸汽分壓與所處溫度、壓力條件下飽和蒸汽壓的比值,通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化采用單位體積蒸汽凝結(jié)后冷凝液質(zhì)量ml和不凝氣流承載水汽質(zhì)量mg與蒸汽所處溫度、壓力條件下飽和狀態(tài)所含水汽質(zhì)量ms的比值得出:

(4)

3.3 代表性參數(shù)驗(yàn)證

在工藝氣流與放射性甲基碘氣流合計體積流量26.6 L/min、液體流量33.2 mL/min(4～10 ℃)條件下,通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)進(jìn)行蒸汽環(huán)境模擬,放射性甲基碘蒸汽環(huán)境代表性參數(shù)如圖5所示。圖5a為蒸汽參數(shù)控制精度與波動范圍,模擬設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定后,各參數(shù)波動較小,表現(xiàn)為:溫度(129.6±0.2)℃、相對濕度95.9%±1.5%、壓力(398.9±1.5)kPa。圖5b為蒸汽相對濕度監(jiān)測對應(yīng)參數(shù),從圖可得,蒸汽冷卻后冷凝液溫度為(2.7±0.1)℃,蒸汽凝結(jié)后監(jiān)測的冷凝液質(zhì)量流量為33.14 g/min(冷凝液質(zhì)量隨時間變化的斜率值),冷凝溫度下冷卻不凝氣流(經(jīng)冷凝后近似飽和)含水量占比較小,質(zhì)量流量約為0.15 g/min。相對濕度監(jiān)測精度以液體汽化量與監(jiān)測的水汽值偏差衡量,在代表性參數(shù)條件下蒸汽相對濕度監(jiān)測偏差小于0.6%。

圖5 蒸汽代表性參數(shù)精確控制

蒸汽環(huán)境模擬代表性參數(shù)驗(yàn)證表明,實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)了事故工況代表性參數(shù)條件下含放射性甲基碘的蒸汽環(huán)境精確模擬,蒸汽參數(shù)控制具有較高的精度且能長時間穩(wěn)定運(yùn)行(120 min)。

3.4 不同參數(shù)條件下蒸汽環(huán)境模擬

核電廠事故工況下安全殼內(nèi)蒸汽參數(shù)隨事故發(fā)生條件、進(jìn)展的演變在不同階段表現(xiàn)為不同的特征。實(shí)驗(yàn)通過調(diào)整工藝參數(shù)與控制流程,開展了不同溫度、壓力、相對濕度條件下蒸汽環(huán)境的模擬研究。蒸汽溫度以100 ℃、110 ℃、120 ℃、130 ℃為代表點(diǎn),相對濕度以35%、55%、75%、95%為代表點(diǎn)。蒸汽壓力可通過背壓閥調(diào)節(jié)控制,壓力調(diào)節(jié)相對簡單,因此僅以399、260 kPa為代表點(diǎn)。蒸汽環(huán)境模擬預(yù)設(shè)參數(shù)與模擬結(jié)果如表1所示,相對濕度與對應(yīng)冷凝液質(zhì)量曲線如圖6所示。

表1 蒸汽環(huán)境模擬預(yù)設(shè)條件與監(jiān)測參數(shù)

圖6 系列參數(shù)條件下蒸汽環(huán)境模擬

從圖6可得,在溫度130 ℃、120 ℃、110 ℃,壓力399 kPa條件下(圖6a1-圖6a3),分別實(shí)現(xiàn)了以相對濕度35%、55%、75%、95%為代表的蒸汽環(huán)境模擬,相對濕度波動在±2%范圍以內(nèi)。在溫度100 ℃、壓力260 kPa條件下(圖6a4)實(shí)現(xiàn)了以55%rh、95%rh為代表的蒸汽環(huán)境的模擬,相對濕度波動在±1.7%范圍以內(nèi)。與蒸汽相對濕度對應(yīng)的冷凝液質(zhì)量曲線線性良好(圖6b1～6b4),輔助驗(yàn)證了蒸汽參數(shù)控制的穩(wěn)定性與相對濕度監(jiān)測的精確性。110 ℃、399 kPa、35%rh條件下蒸汽露點(diǎn)溫度最低(約81 ℃),130 ℃、399 kPa、95%rh條件下蒸汽露點(diǎn)溫度最高(約128 ℃),其他參數(shù)條件露點(diǎn)溫度分散到81～129 ℃之間,放射性甲基碘蒸汽環(huán)境模擬能實(shí)現(xiàn)露點(diǎn)溫度81～129 ℃范圍內(nèi)代表性參數(shù)條件下蒸汽環(huán)境的精確模擬。

對比表1蒸汽參數(shù)與圖6蒸汽相對濕度曲線,當(dāng)蒸汽溫度波動較小時(≤0.2 ℃),對應(yīng)蒸汽壓力波動(約±1.0～1.9 kPa)與蒸汽相對濕度波動(約±0.9～1.7%)都比較小,如圖6a1、6a2所示。當(dāng)蒸汽溫度波動較大時(≥0.4 ℃),對應(yīng)蒸汽壓力波動(約±1.7～2.7 kPa)與蒸汽相對濕度波動(約±1.6%～2.0%)都比較大,如圖6a3、6a4所示。實(shí)驗(yàn)表明,蒸汽壓力與相對濕度受蒸汽溫度的影響比較明顯。

與6a1～6a4蒸汽相對濕度曲線對應(yīng),圖6b1～6b4蒸汽凝結(jié)液質(zhì)量曲線線性反映了蒸汽參數(shù)的穩(wěn)定性。圖6b3、6b4低相對濕度曲線對應(yīng)的凝結(jié)液質(zhì)量曲線,隨著冷凝液質(zhì)量稱量時間的增加(最大450 min),蒸汽環(huán)境模擬受環(huán)境溫度影響較為明顯,蒸汽參數(shù)穩(wěn)定性變差,表現(xiàn)為蒸汽濕度波動較大,冷凝液質(zhì)量曲線線性變得不再完美。冷凝液質(zhì)量稱量時間較短時,雖然蒸汽相對濕度存在波動,但質(zhì)量曲線線性顯示不太明顯。

對比圖6a1、6a2,圖6a3、6a4蒸汽相對濕度波動較大,原因?yàn)殡S著模擬環(huán)境蒸汽溫度的升高,環(huán)境溫度對蒸汽參數(shù)的影響逐漸增大。蒸汽環(huán)境模擬雖然有恒溫箱和油浴槽作為蒸汽管路、蒸汽環(huán)境模擬腔等設(shè)備的環(huán)境溫度控制設(shè)備,但實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度的波動仍然會通過恒溫箱、油浴槽傳導(dǎo)給蒸汽溫度,導(dǎo)致蒸汽溫度、壓力、相對濕度出現(xiàn)波動。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度波動越大(與季節(jié)、天氣及實(shí)驗(yàn)時長相關(guān)),傳導(dǎo)給蒸汽介質(zhì)的影響就越大。在高溫壓力蒸汽環(huán)境模擬過程,蒸汽溫度微小的波動會導(dǎo)致蒸汽壓力與相對濕度產(chǎn)生相應(yīng)的波動。

在多組代表性參數(shù)條件下蒸汽環(huán)境模擬研究表明,通過調(diào)整工藝參數(shù)與控制流程,實(shí)驗(yàn)裝置能實(shí)現(xiàn)溫度100～130 ℃、壓力260～399 kPa、相對濕度35%～95%范圍內(nèi)代表性參數(shù)條件下放射性碘蒸汽環(huán)境的可控模擬與精確控制。有機(jī)碘蒸汽環(huán)境模擬實(shí)現(xiàn)了蒸汽露點(diǎn)溫度81～129 ℃范圍內(nèi)代表性點(diǎn)的精確模擬,該范圍能較好的覆蓋事故工況長期階段(有機(jī)碘形成后)安全殼內(nèi)蒸汽參數(shù)范圍與FCVS吸附劑除碘真實(shí)工況。

4 結(jié)論

本文簡述了核電廠發(fā)生堆芯熔化事故后放射性碘釋放到安全殼內(nèi)后物理化學(xué)形態(tài)的轉(zhuǎn)化以及有機(jī)碘的形成機(jī)理,并對安全殼內(nèi)過濾系統(tǒng)與超壓排放系統(tǒng)有機(jī)碘濾除排放進(jìn)行了闡述。此外,通過蒸汽定量汽化與多重控溫控濕工藝,實(shí)現(xiàn)了核電廠典型事故工況參數(shù)(130 ℃、399 kPa、95%rh)下有機(jī)碘蒸汽環(huán)境精確模擬。通過工藝參數(shù)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)了蒸汽露點(diǎn)溫度81～129 ℃范圍內(nèi)代表性參數(shù)條件下有機(jī)碘蒸汽環(huán)境的模擬,為開展事故工況不同蒸汽參數(shù)條件下在役吸附劑有機(jī)碘濾除性能檢測與新型吸附劑開發(fā)提供了前提條件。