核电站安全壳泄漏率计算模型与分析

李晓庚

摘 要：安全壳是核反应堆的第三道安全屏障，外形为带圆穹顶的圆柱形筒体，自由容积达5万立方米，属于大型容器设备，由于安全壳结构上贯穿件数量众多加之混凝土气孔和裂缝的泄漏客观存在，核反应堆正常运行期间需实时监测安全壳内气体泄漏率，以确保泄漏率在限值内。文章简要介绍M310型核反应堆运行期间监测安全壳泄漏率的计算模型和方法，分析特殊情况下泄漏率曲线的处理，证明了安全壳泄漏率计算系统设置的合理、有效。

关键词：安全屏障 容器设备 泄漏率 计算模型

中图分类号：TL48 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）12（c）-0153-02

1 安全壳泄漏率计算模型

安全壳是带有钢衬里的预应力钢筋混凝土结构，作为核电厂防止放射性物质外泄的最后一道实体屏障，在功率运行期间实时监测其泄漏率显得尤为重要。目前国内外M310型核电机组多数安装由法国EDF/DTG开发的安全壳泄漏率在线监测系统的第二代产品（SEXTEN2）[1]或由中核控制自主研发的EPP系统，两者的计算基本原理一致，均将安全壳内的气体近似的认为是理想气体，根据波义尔定律及查理定律，安全壳内的气体遵守规律。即用理想气体状态方程来计算整个安全壳内总气体质量的变化率。[2]图1为安全壳内的气体质量平衡原理图。

由图1可知，故安全壳每日的平均泄漏率，可从现场安装的仪表SAR001MD实时监测和读取，而对的计算可根据理想气体状态方程转化为湿空气标准体积变化的求解，就是曲线的斜率。

2 计算方法

2.1 数据的采集及处理

温度、湿度、压力和流量测量数据是每半小时内不断的采集数据，1 s内采集不低于10次，取半小时采集数据的平均值作为测量值，并计算一次安全壳内平均温度、平均湿度、安全壳内平均压力和平均流量，通过大量采集数据的均值滤波，保证了每次所采集到数据的有效性，每次采集到的和计算出的上述参数立即提交计算程序进行安全壳内湿空气标准体积的变化的计算。

2.2 计算方法

2.2.1 干空气标准体积VNS计算

干空气标准体积是在标准状态（即温度TN=273.15K，压力PN=1.01315×105Pa）下气体的体积。由理想气体状态方程可推算出质量为m的理想气体所占的标准体积：

（其中，R为理想气体常数，是所求气体的摩尔质量（为常数））。所以标准体积反映的就是气体的质量。因此质量泄漏率Ql可由标准体积泄漏率来表示：

（其中：VNS表示干空气的标准体积）

故有：

代表任一时刻安全壳内的干空气质量在剔除SAR流量后相对t0时刻的变化量，其物理意义是在t时刻通过泄漏进入或溢出安全壳的干空气质量，而实际的泄漏不可能完全是干空气，为了得到更为精确的数值，需要对进行湿度修正。

2.2.2 干-湿空气标准体积转换计算

安全壳内的气体可以看成是由空气和水蒸气两种理想气体组成的混合气体，由道尔顿气体分压原理有，其中、分别表示干空气和饱和水蒸气分别单独充满安全壳时形成的分压，结合理想气体状态方程可推算出干-湿空气标准体积转换公式：

式中：为安全壳内湿空气的标准体积；为对应的水蒸气饱和压力。

2.2.3 安全壳泄漏率计算

在任一时刻t通过泄漏交换的湿空气总量等于经过湿度修正的交换干空气总量。根据干-湿空气标准体积转换公式可得到t时刻由泄漏引起的湿空气变化为：

每半小时计算一次，理论上一天得到48个坐标点（，），通过线性回归的方法得到当天的湿空气标准体积变化曲线，曲线的斜率即为当天安全壳的泄漏率，如图2所示。

2.3 特殊情况下泄漏率曲线的处理

在核反应堆功率运行期间，由于运行瞬态及ETY系统排放等因素的存在，安全壳内的气体状态不可能每天都保持平稳状态，导致曲线不平滑，误差较大，进而导致计算出的斜率不具真实性。如何识别并剔除这些因素的影响精准的计算出泄漏率是从系统设计到实际应用的关键，所以特殊情况下，需要对曲线进行分段处理。

2.3.1 一天内曲线斜率的改变

如图3所示，在一天里，由于可能的泄漏消除，曲线的斜率将在泄漏消除后开始变化，如果不进行分段处理，计算出的泄漏率为3 ，如果分段处理，计算出的结果为泄漏消除前泄漏率为7 ，泄漏消除后泄漏率为0.9 。显然，不分段处理得到的泄漏率是失真的，所以要剔除数据点，对曲线进行分段处理，分段的原则是：选择分段点，使所分的两段的泄漏率误差都小于剔除限值。在这一天里应选择误差小的值作为这一天的泄漏率数据。同时给出斜率变化的时刻，便于技术人员查找引起这个变化的操作。

2.3.2 曲线的跳跃

在没有任何泄漏变化的情况下，曲线也可能发生跳跃，例如在运行瞬态和温度瞬态期间。如果全天用一条曲线进行泄漏率计算，其结果必定失真。系统需根据分段原则将这一天分成两段来计算，这种情况下可得出两个结果相近的泄漏率值，它们的不确定度相对很小，选择任意一个值作为该天的泄漏率数据。

2.3.3 ETY排放

当安全壳内压力过高时需进行ETY排放操作，安全壳内压快速下降是其最明显的特点，并伴随以下特征：

（1）排放前阶段：由于过压，安全壳空气向外泄漏，曲线具有负的斜率。

（2）排放过程中：伴随排放，安全壳内空气质量减少明显。

（3）排放后阶段：由于负压，空气从外界返回安全壳，曲线具有正的斜率。

在ETY排放日，曲线明显的分为三个阶段，计算系统探测是否是ETY排放的准则为在4 h内安全壳内压力降低3 kPa，则认为ETY系统排放。如确认为排放则将排放日分成三段（排放前、排放和排放后），排放期间测量的数据在计算中不考虑，分别计算排放前和排放后的泄漏率数值，选择偏差相对较小的一组数据作为该日的泄漏率。但事实上，如果泄漏条件相同，这两组数据都是有准确且有意义的。

3 结语

通过上述对核电站安全壳泄漏率计算模型及方法的介绍，可得出以下结论：

核电站设置的安全壳泄漏率计算系统使第三道安全屏障的完整性处于实时监测中。

泄漏率计算系统对运行瞬态及ETY系统排放等因素对计算精度的影响进行了优化，完全可以保证泄漏率计算数据的精确性，计算系统的设置是合理有效的。

参考文献

[1] 王海卫，时朝杰，杨刚，等.安全壳泄漏率在线监测系统在秦山第二核电厂的应用及改进[J].核动力工程，2013，34（3）：129.

[2] 陈亮，苏国权，孙瑜，等.核电站安全壳泄漏率在线监测系统硬件设计与实现[J].中国仪器仪表，2016（2）：68.