碘吸附器样品外部取样技术可行性分析研究

梁 飞，吕 阳，张 渊，王 稹，吴 波，张雪平，张昭辰，高琳锋，丘丹圭，侯建荣

(1.中国辐射防护研究院，太原 030006； 2.防城港核电有限公司，广西 防城港 538001)

在核电厂、研究堆、后处理厂等核设施中会有含放射性的碘、气溶胶、惰性气体等放射性气态污染物，其中放射性碘的危害性最大[1-2]。碘吸附器是核空气净化系统中的关键设备[3]，以过滤并去除其中的放射性碘和其他污染物。为确保其正常运行，在调试及运行过程中需分别对其进行验收试验与定期试验[4-6]。在按照美国标准体系进行核电厂现场碘吸附器除碘性能的评价试验时需要进行两部分缺一不可且互相补足的实验：1)使用氟利昂法在现场测量净化小室、碘吸附器安装框架及碘吸附器自身缺陷的机械泄漏率；2)在实验室测量与现场碘吸附器中的浸渍活性炭具有同一性的活性炭样品的放射性甲基碘去除效率。碘吸附器取样装置正是提供具有同一性的活性炭样品的装置。

本文探讨了国内外碘吸附器取样技术及应用现状，分析了碘吸附器取样代表性影响因素并进行试验验证，并对碘吸附器外部取样技术进行了可行性分析。

1 碘吸附器取样技术分类及特点

1.1 直接取样

对于没有设置取样装置的除碘净化系统来说，其检测方法一般为法国标准体系的放射性甲基碘法[7-8]。若用美国标准体系方法检测碘吸附器可用性时，则需要提供核级活性炭除碘效率评价所需的样品。对于这样的除碘系统，用多点开槽管取样器从碘吸附器内直接取样进行实验室除碘性能测试(示于图1)。

图1 多点开槽管取样器示意图

这种从碘吸附器内部直接取样会造成原本合格的碘吸附器不可用，需对该碘吸附器进行活性炭的重新填装或者更换新的碘吸附器，进而导致放射性废物产量和经济成本的增加。

1.2 内部取样技术

国内外较常见的碘吸附器取样装置是以Ⅱ型碘吸附器为净化单元除碘净化系统，取样样杯设置在碘吸附器净化小室的排架上[9-10]，示于图2。

图2 Ⅱ型碘吸附器样杯示意图

目前在建的华龙一号、AP1000等为代表的第三代堆型多采用以Ⅲ型碘吸附器为净化装置的除碘系统，其取样样杯大多数也设置在净化小室内部，示于图3。

图3 Ⅲ型碘吸附器样杯示意图

该技术除碘系统的取样装置多为焊接在碘吸附器小室的排架上，不可分离；有些情况下取样样杯的数量和体积受空间所限，同时取样空间狭小，不利于样杯拆装工作进行，工作量大、耗时长，存在一定的放射性污染风险。

1.3 外部取样技术

澳大利亚Luis等提出碘吸附器外部取样技术[11]，在净化小室外设置独立的外部取样装置，取样装置形成与碘吸附器并联的取样回路，在取样回路中设有隔离阀、流量/压差测量口。

外部取样包括横向取样技术和纵向取样技术。美国核电厂采用外部横向取样技术，横向样杯制造方便、容易安装，但需要在安装前进行样杯取样代表性的验证试验或者理论计算，其结构原理示于图4。

图4 碘吸附器外部横向样杯示意图

澳大利亚核科学和技术组织(ANSTO)[11]则提出了外部纵向取样技术，该取样装置留有风量和压差测量口。设置有独立的隔离阀门，取样时可以延迟取样时间进而有效的降低辐照风险。纵向设置的活性炭样杯可以防止发生穿透的问题，其结构原理示于图5。

图5 碘吸附器外部纵向样杯示意图

2 碘吸附器取样技术应用现状

国内外不同堆型核电站采用的碘吸附器取样技术也不尽相同。如美国和加拿大都采用外部取样技术进行活性炭样品的取样，国内核电站碘吸附器取样技术应用情况，综合列于表1。

3 碘吸附器取样代表性影响因素及验证

3.1 代表性影响因素

尽管国内外核电厂采用不同的碘吸附器取样技术，但每种取样技术均应确保取出的活性炭样品具有代表性。从碘吸附器取样装置中取出的活性炭样品，应该能够代表碘吸附器中活性炭。要满足这一要求，活性炭样品应与所代表的整个炭床暴露于同样的污染物中。

3.1.1直接取样代表性影响因素

直接取样是从碘吸附器内部直接取用活性炭样品。对于这种取样技术来说，应确保在碘吸附器内部各个部位的均匀取样。因此直接取样代表性影响因素主要考虑取样的均匀性。

表1 国内核电站碘吸附器取样技术应用现状

1)NA表示不适用。

3.1.2取样装置取样代表性影响因素

对于用取样装置进行取样来说，美国机械工程师协会核空气与气体处理规范(ASME AG-1)规定[4]：“试验罐流速应在业主设计规格书规定的平均吸附器设计流速的±10%内”，这是取样装置取样代表性的基本要求。

设计取样装置时必须考虑所有对流量有影响的因素，主要有炭床厚度及阻力部件。粗短管路、阀门、连接头、连接件、弯管、喷嘴及类似阻力部件会增加气流通道阻力，从而使得取样装置不具有代表性[12]。相关计算表明，相对于炭床的阻力来说，连接管路的阻力可忽略不计[11]。为此进行了取样代表性影响因素的试验验证。

3.2 试验验证

3.2.1试验方法

为了研究及验证碘吸附器取样代表性的影响因素，在实验室做了相关的验证试验。在碘吸附器(主回路)前端和后端并入独立的取样回路，构建碘吸附器取样模拟装置，通过回路增加弯头、炭床厚度等阻力部件进而改变取样回路阻力，测量主回路和取样回路的气流比速，流程示于图6。

图6 试验流程图

3.2.2 试验设备

试验中所用的主要试验设备列于表2。

表2 试验中所用的设备

注：(1)圆筒型碘吸附器炭床厚度为3.5 cm，折叠式碘吸附器炭床厚度为5 cm；(2)流速差为主回路与取样回路气流速度差的绝对值。

3.2.3结果与讨论

表3为试验验证的结果。

从表3中第1、2组试验结果可以看出，相对于炭床阻力对流速差的影响程度来说，弯头等连接管路可忽略不计。

第2、3、4组试验结果可知，取样回路与碘吸附器中炭层厚度越接近，其取样回路与主回路的压力降也越接近，进而气流比速也越接近。

表中4组试验说明，取样回路弯头的增加，取样回路阻力增加，流速变小，从而使得取样装置不具有代表性。

通过试验验证了炭床厚度和阻力部件对于取样代表性的影响，可知当取样装置中的炭床厚度和经过取样装置的压力降分别与通过吸附器排架的炭床厚度和压力降相同时，才能保证取出的样品具有代表性。这将对于设计取样装置具有实际指导意义。

4 外部取样技术可行性分析

目前碘吸附器取样装置多设置在工作人员可进入碘吸附器小室内，定期进行活性炭的装取。对于在碘吸附器小室外部设置的活性炭取样装置，通过取样装置与除碘净化系统的可分离，实现了碘吸附器小室外部在线取样的技术。现在国内核电领域还不具备这种碘吸附器外部在线取样技术。本文设计了两种外部取样装置，并对其可行性进行分析。

4.1 取样装置的结构形式

所设计的两种取样装置空间结构示于图7，一种为活性炭样杯竖直安装，另一种为活性炭样杯水平安装。这两种取样装置都是集活性炭样杯于取样箱内，进气口与出气口分别与碘吸附器前后端连接，同时还采用了静压箱式结构设计。横向安装的样杯中活性炭因重力因素的影响有可能导致其下沉进而被穿透的风险，本文推荐采用外部纵向取样装置进行取样。

图7 两种取装置的空间结构示意图

4.2 取样装置的气流分布特性

设计取样装置每个平行样杯在结构形式上具有一致性。根据静压不变的均匀送风管设计原理[13]，在进入平行样杯之前箱体内静压是均匀的[14]，且样杯结构形式上是一致的，从而确保所设计的取样装置具有将气流平均分配到每个活性炭样杯的特性，防止通过某个样杯的气流偏差过大，导致取样不具有代表性。

4.3 取样装置的取样代表性

根据本文3.2.3节试验验证结果“取样回路与碘吸附器中炭层厚度越接近，其取样回路与主回路的压力降也越接近，进而气流比速也越接近”，设置活性炭样杯中炭层厚度与碘吸附器的相同，进而使取样装置引起的压力降接近于碘吸附器排架的压力降，实现“试验罐流速应在业主设计规格书规定的平均吸附器设计流速的±10%内”这一验收准则，确保取出的活性炭样品具有代表性。

综上所述，通过取样装置结构的合理设计，进而控制气流分配特性和压力降可以实现取样装置的代表性取样。

5 思考与建议

外部纵向取样装置将所需取样样杯集于取样箱内，结构上实现了小型化、模块化，实际使用过程中节省了安装空间。

根据试验结果“相对于炭床阻力对流速差的影响程度来说，弯头等连接管路可忽略不计”可知，连接管路连接的灵活性增加了该取样装置现场适用性。

该外部取样技术使取样样杯数量及体积不再受空间所限，改善了取样时的工作环境，减少了拆装取样器时的工作量，降低了辐照风险和防止表面污染。

外部取样装置最好设有参数监测手段，对取样代表性进行定期评价。