加压贮存和活性炭吸附在核电站放射性废气处理中的应用

陈 良，饶仲群

（1.江苏核电有限公司，江苏 连云港 222042；2.中国核动力研究设计院，四川 成都 610005)

加压贮存和活性炭吸附在核电站放射性废气处理中的应用

陈 良1，饶仲群2

（1.江苏核电有限公司，江苏 连云港 222042；2.中国核动力研究设计院，四川 成都 610005)

摘要：加压贮存和活性炭吸附是目前国内处理压水堆核电站放射性废气最常用的两种方法。以大亚湾核电站和田湾核电站的放射性废气处理系统为例，并结合国内其他核电机组同类系统，分别介绍这两种方法在国内核电站的应用情况，并分析它们各自的优缺点：加压贮存系统结构简单但设备体积庞大，适合处理流量变化较大的放射性废气；活性炭吸附具有安全性高，操作简单的特点，适合于处理流量较小的放射性废气。

关键词：放射性废气；加压贮存；衰变箱；活性炭吸附；滞留时间

放射性废气是核电站正常运行和维修过程中不可避免的产物，根据废气来源以及组成不同，压水堆核电站所产生的工艺废气可分为含氢废气和含氧废气两大类。含氢废气来源于一回路冷却剂，主要由核裂变反应所产生的Xe和Kr等惰性气体和氢气、氮气组成，此类废气虽然量少但放射性水平较高，必须经过特殊处理后才能向环境排放；而含氧废气来源于各种放射性液体贮槽的呼吸排气，主要成分是被放射性污染的空气，虽然数量大但放射性水平较低，一般经过简单处理就可满足排放要求，在有的核电站甚至将它与核岛厂房排风一并处理。所以通常所说的放射性废气一般是指含氢放射性废气，目前处理此类废气的方法主要有采用衰变箱加压贮存和活性炭滞留床吸附两种，本文以大亚湾核电站和田湾核电站的放射性废气处理系统为例，结合国内其他核电机组的废气处理系统，分别介绍这两种处理方法的应用情况。

1　工艺原理

1.1加压贮存处理

该方法是当前处理压水堆核电站放射性废气的最常用的且最成熟的工艺。含有氢气、氮气以及Xe、Kr等裂变产物的放射性气体先进入一个缓冲槽，用压缩机压缩至0.6～0.7 MPa，送入衰变箱中贮存，经过一段时间的自然衰变，等废气中所含的短寿命放射性核素变成稳定核素，根据取样分析结果，如果合格则通过过滤后排入环境；如果不合格则继续处理。

目前国内以大亚湾核电站为代表的M310机组[1－2]以及秦山一期核电站等大多数压水堆核电站都采用此工艺处理放射性废气。

1.2活性炭滞留床吸附

活性炭滞留床是利用疏松多孔的活性炭对放射性惰性气体进行吸附，当放射性气体进入滞留床后，其中的放射性核素如Xe、Kr的同位素因分子量较大而被活性炭所优先吸附，与其他分子量较小的非放射性的载带气体如氢气和氮气等分离，由于这些放射性核素在活性炭上的移动速度非常缓慢，在移动的过程中，它们不断地衰变成其他稳定核素，随即又不断地被后面的载带气体从活性炭上洗脱下来，形成吸附→滞留→衰变→洗脱的动态平衡，洗脱下来的新核素随载带气体一起排出。活性炭滞留床对惰性气体的滞留时间受多种因素的影响，包括活性炭类型，系统温度、压力和湿度等，在一定条件下活性炭滞留床对惰性气体的滞留时间可以由以下公式算出：

式中：T——平均滞留时间，s；

kd——活性炭对惰性气体的动态吸附系数，cm3/g；

M——活性炭的装填质量，g；

Q——气体流量，cm3/s。

当前国内采用活性炭滞留床吸附工艺的压水堆核电站有田湾核电站[3]以及正在建设中的AP1000机组[4]。

2　系统设计特点和运行情况

2.1加压贮存衰变法

大亚湾核电站采用两台机组共用一套废气处理系统，工艺流程见图1。

来自稳压器卸压箱、容控箱、反应堆冷却剂疏水箱、脱气塔的放射性废气先汇集到一根母管上，进入一个容积为5 m3的缓冲罐，废气平均流量为2.1 Nm3/h。为监测废气中的氧含量，在缓冲罐上游的母管线上设置了氧含量分析仪，当系统中氧含量过高时，用氮气稀释。系统设置了两台流量为38 Nm3/h的压缩机，一主一备。当缓冲罐中废气压力升高至0.025 MPa时，启动主压缩机；当压力继续升高至0.03 MPa时，启动备用压缩机；当压力低于0.005 MPa时，压缩机自动停运。废气经压缩并冷却至50 ℃后轮流送入6个容积为18 m3的衰变箱中贮存，废气在衰变箱的贮存压力为0.65 MPa，贮存时间为45天（负荷跟踪运行工况）或60天（基本负荷运行工况），使其中短寿命核素尽可能衰变完，以降低其放射性浓度。经取样分析合格后，废气经核岛辅助系统通风系统DVN除碘后排入烟囱，废气的排放速度由调节阀控制，以维持DVN系统中氢气含量不超过4%，当衰变箱中的压力降低至0.02 MPa时，排放阀自动关闭，避免空气进入系统。在各衰变箱之间连有倒箱管线，在紧急情况下可以将废气从一个衰变箱倒入其他衰变箱；为避免氢浓度过高而发生爆炸，在系统中还设置了氮气吹扫管线。

自系统投运以来，已经安全运行10多年，处理后的废气满足排放要求。但在运行中也发现衰变箱容量较紧张，尤其在对容控箱定期吹扫或大修期间对一回路吹扫时，最大废气流量达75 Nm3/h，衰变箱容量更显不足，后来通过技术改造增设了两个18 m3的衰变箱；其次是缓冲罐的容量也较小，废气流量大时，压缩机启动频繁，容易损坏压缩机的薄膜。

在改进的CPR机组中，增大了衰变箱的容量，一共设计了4个18 m3和4个60 m3的衰变箱。

图1　大亚湾核电站废气处理系统流程图Fig .1　Process of gaseous waste treatment system in Daya Bay NPP

图2　田湾核电站废气处理系统流程图Fig .2　Process of gaseous waste treatment system in Tianwan NPP

2.2活性炭滞留床吸附法

田湾核电站则采用活性炭滞留床处理放射性废气，在每台机组都设置了两条完全相同的活性炭滞留床处理线，一主一辅。主线处理来自除气器、稳压器卸压箱和反应堆冷却剂疏水箱的含氢放射性废气，流程见图2。

在正常运行工况下废气流量为2.26 Nm3/h，最大为5 Nm3/h，放射性水平为108～1013Bq/m3。由于来自除气器的废气中氢气含量高达30%～50%，为使废气中的氢含量不超过2.5%，进入缓冲罐的废气采用234 Nm3/h的循环氮气稀释。稀释后的废气与外加的氧气一起被加热至140 ℃并在复合器中由PtO2催化复合成水，复合后的氢气含量不超过0.2%。为监测复合效果，在复合器前后都设置了氢气和氧气监测仪表。尾气经冷却后，其中的绝大部分返回缓冲罐循环，其余部分（2～4 Nm3/h）通过进一步冷却除湿，并经沸石床干燥，进入4个串列的活性炭滞留床。为保证活性炭的处理效果，进入滞留床的废气湿度被限值在0.5 g/Nm3以下。滞留床装填CKT-3型活性炭，总量为20 m3，在30 ℃和常压条件下对Xe和Kr的吸附系数分别为280和14，平均滞留时间分别为72.1天和3.6天。处理后的废气经剂量监测后从烟囱排入环境。废气排放管线上设置了辐射监测仪表，如果测得废气中的放射性浓度超过3×107Bq/Nm3时，系统报警；当放射性浓度超过1×109Bq/Nm3，系统将被自动切除。活性炭滞留床前还设置有空气吹扫管线，以便在其停运时进行吹扫。

辅线处理来自冷却剂贮槽、补给水箱和含硼疏水箱的废气，废气流量正常运行工况下为2Nm3/h，在一回路大流量换水工况下最大为61 Nm3/h，废气放射性水平为106～1010Bq/m3。由于该废气中的含氢量较少，废气直接经冷却除湿和沸石干燥后，进入活性炭滞留床进行处理，处理后的废气用风机排入环境，系统运行压力为-0.1 MPa，为保证风机的恒流量运行，在风机的入口处设有平衡管线，从房间抽取空气。当主线在故障时，其废气将自动切换到辅线处理，而原由辅线处理的废气将切换到含氧废气处理系统进行处理。

田湾核电站的两台机组的废气处理系统自投入运行以来，都安全运行了两个燃料循环周期，处理后的废气满足排放要求。运行中的主要问题是废气中湿度过高，沸石干燥床很快就失效，引起系统频繁报警，后来通过变更，将主线的湿度限值修改为5 g/Nm3，辅线的湿度限值改为10 g/Nm3，但沸石干燥床仍然需要每周再生一次。

AP1000机组也采用活性炭吸附处理放射性废气，放射性废气设计流量为0.85 Nm3/h，废气经冷冻除湿后依次进入一个保护床和两个2×100%功能的活性炭滞留床，保护床中的活性炭可定期更换，滞留床可以单独使用，也可串列使用。处理后的废气排入核辅助厂房的通风系统。整个处理系统为非能动设计，废气在系统中的动力来源于自身压力。在系统上还设置了氮气吹扫管线，当废气压力太低时，由氮气吹扫系统，保证系统内有一定正压，避免外部空气进入系统。

表1　不同核电机组中放射性惰性气体的滞留时间Table 1　Delay time for the noble gas in different nuclear power units

3　工艺系统的分析和比较

3.1放射性惰性气体的滞留时间

采用不同的处理工艺，对放射性惰性气体滞留效果是不同的，国内主要核电机组在正常运行工况下对惰性气体的滞留时间如表1所示。

从表1中可以看出：用加压贮存法处理放射性废气时，Xe和Kr在衰变箱中的滞留时间都是相同的，约为45天；当使用活性炭吸附处理时，因对Xe和Kr的吸附系数不同，相应的滞留时间也相差较大。活性炭吸附法对Xe的滞留能力与加压贮存法相当或者略高些，而对Kr的滞留时间则低于加压储存法。但在裂变的Kr同位素中，除85Kr外，其余核素的半衰期都较短，经过2.2天的滞留后，绝大部分已经衰变殆尽，完全满足排放要求。

不同种类的活性炭对惰性气体的吸附能力也相差很大，AP1000机组所用的活性炭对Xe和Kr的吸附系数为1 050和38，分别是田湾核电站所用活性炭的3.75倍和2.7倍，加上废气流量小，所以尽管每个滞留床只装填了1 050 kg活性炭，仅相当于田湾核电站装填量的1/18，一样可以得到同样的滞留效果；如果两个床串联使用再加上一个0.23 m3活性炭保护床，滞留效果将会更好。

在处理大流量废气时，由于CPR1000机组中增大了衰变箱容量，基本可以满足容控箱定期吹扫或一回路吹扫时大流量废气量的贮存问题。而活性炭对惰性气体的滞留时间与所处理的废气的流量成反比关系，当废气流量增大，对惰性气体的滞留时间相应缩短，如田湾核电站辅线的废气最大流量增加到61 Nm3/h时，系统对Xe和Kr的滞留时间分别仅有91. 8 h和4.6 h，滞留效果明显降低。

3.2系统安全性

在传统的加压贮存工艺中，一般都要将废气加压至0.6～0.7 MPa，一旦发生泄漏，将造成放射性的不可控释放，而且泄漏出来的氢气还存在爆炸的可能性。虽然在系统中设置了倒箱管线，但倒空一个衰变箱需要较长的时间，而且衰变箱体积越大，倒空所需时间越长。为降低“氢爆”的可能性，对系统设备的设计、布置以及所在房间的通风、照明都提出更严格的要求。

活性炭滞留床运行压力一般都很低，略高于常压，所以放射性泄漏的可能性相对较低。田湾核电站还采用了把氢气预先稀释和复合的方法，降低了在系统内形成“氢爆”的可能性。在氢气含量非常低的情况下，活性炭滞留床也可在微负压下运行（田湾核电站的辅线），这更降低了放射性泄漏的可能性。

3.3系统操作的方便性

加压贮存处理工艺中，系统中的压缩机和衰变箱等设备都是间歇运行，在废气的充注、贮存衰变、取样分析以及排放过程中需要对系统进行频繁地切换操作，增加了人员的劳动强度以及误操作的可能性。活性炭吸附工艺中，系统为连续运行，对排入环境的放射性也在线监测，除非设备需要定期试验或者设备故障，没有过多操作。但是田湾核电站因废气除湿效果不明显，沸石干燥床需要频繁再生。AP1000机组废气处理系统的非能动设计理念很先进，但实际处理效果还有待日后的运行来验证，而且保护床中活性炭需要定期更换，将产生二次废物。

4　结论

加压贮存法处理放射性废气，其安全性和操作的方便性都不如活性炭吸附法，但系统结构简单，适合处理流量变化较大的放射性废气，加上多年的运行经验，已经成为非常成熟的废气处理工艺，今后仍将会在一些压水堆核电站得到应用。如果能够将废气中的氢气预先复合后再加压贮存，不仅可以提高系统安全性，还可以减少衰变箱的体积。

活性炭吸附是近几年才发展起来的新工艺，具有安全性高，设备占用空间小，操作简单的特点，适合于处理流量较小的放射性废气。目前该工艺的运行经验还不多，随着新一代压水堆核电站的建设，会得到更多的应用和进一步完善和发展。选择高性能的活性炭不仅可以延长对惰性气体的滞留时间，提高处理效果，而且还可以减少活性炭的装填量，减少二次废物量。

参考文献：

[1] 陈济东. 大亚湾核电站系统及运行（上册）[M]. 北京：原子能出版社，1994：444-451.

[2] 岭澳核电站二期工程初步设计（第五册）. 核工业第二研究设计院，2005.

[3] System Design File-Radioactive Gas Treatment System， Rev.B， SPAEP， 04，2005.

[4] 林诚格. 非能动安全核电厂AP1000[M]. 北京：原子能出版社，2008：314-318.

中图分类号：TL27

文献标志码：A

文章编号：1674-1617（2009)03-0262-05

收稿日期：2009-06-18

作者简介：陈 良（1969－），男，四川人，高级工程师，现从事放射性废物处理工作。

Application of pressurized gas storage system and activated carbon sorption system in gaseous radioactive waste processing for NPPs

CHEN Liang1, RAO Zhong-qun2
(1.Jiangsu Nuclear Power Corporation，Lianyungang of Jiangsu Prov. 222042，China；2.Nuclear Power Institute of China，Chengdu of Sichuan Prov. 610005，China)

Abstract:Pressurized gas storage system and activated carbon sorption system are tow of the most popular processing for the gaseous radioactive waste in PWR NPPs. The application of the processing were respectively introduced with instance of the systems in Daya Bay NPP and Tianwan NPP as well as the analogous systems in other domestic NPPs， the advantage and shortage of them were also analyzed in this paper. The pressurized gas storage system is simple in components with large volume and suitable to the widely changeable gas flow； while the activated carbon sorption system is more safe and easy for operation and suitable to the small gas flow.

Key words：gaseous radioactive waste；pressurized gas storage； decay tank； activated carbon sorption； delay time