新风量对主控室可居留性的影响分析及优化

王梦溪，刘新建，邱 林

(1.中国核电工程有限公司，北京 100840;2.国家核应急响应技术支持中心，北京 100071)

主控室和应急控制中心等场内应急设施作为核电厂重要的应急场所，必须采取适当措施和提供足够的信息保护室内工作人员，防止事故工况下形成的过量照射、放射性物质的释放或有毒气体之类险情的继发性危害，以保持其采取必要行动的能力。《核动力厂设计安全规定》、《核电厂营运单位的应急准备与应急响应》、《核动力厂场内应急设施设计准则》[1-3]等法规标准均针对应急设施可居留性提出了较明确的设计要求。应急审评过程也对相关问题进行了持续关注[4-5]。除了设施的位置、布局外，可居留性系统特别是通风空调系统(HVAC)的设计，对事故条件下人员受照剂量的影响是最直接的。本文暂不研究有毒有害气体对主控室可居留性的影响，仅关注放射性方面。

目前国内核应急设施的可居留性评价主要依据美国核管会(US NRC)发布的技术导则RG 1.195和NUREG/CR-6210[6-7]。图1给出了主控室可能被放射性污染的途径。影响人员受照剂量的因素很多，设计人员在方案设计阶段也努力从各方面进行尝试和改进，以提高其可居留性。如隔离增压过滤、隔离再循环过滤、隔离增压再循环过滤、双进风口和采用罐装空气等[8]。

图1 主控室放射性污染途径Fig.1 Schematic diagram of air flowinto the control room

我国核电站起步较晚，在早期的大亚湾和秦山核电厂设计中，主要沿用了法国M310机组的方案，采用较为简单的新风过滤(隔离过滤)系统方案，未设置内部循环过滤装置。在后来机组的设计和评审过程中，发现其中存在的一些不足，如非过滤渗入考虑不够保守，正压不能够有效维持等。这些现象在美国电厂的实际测试后[9]更加受到重视。于是在后续的机组设计中努力进行改进，包括设置事故工况下的双进风口、重新布局可居留区域(CRE)、提高可居留区域的密闭性、优化系统的新风量等[10]。

不同的主控室设计参数均对人员受照剂量有直接的影响，且这些参数之间也相互影响制约，限于篇幅，本文将主要的研究方向集中在新风量的优化。考虑到由于新风量不仅直接影响放射性物质的引入和排出速率，在设施建造完成后(缝隙等影响非过滤渗入的特征已经定型)又影响CRE区域内的正压值，进而影响非过滤渗入风量的多少。另外风量的改变和优化在工程上具有经济性强和易于实施等优势。通过新风量的优化分析，能够为主控室和应急控制中心等场内应急设施HVAC系统的设计和优化提供一定参考。

本文首先对主控室内人员受照剂量的计算方法进行了简单的讨论，分别分析了环境释放源项以惰性气体为主、以气溶胶和碘为主以及两者并存三种情况下主控室人员受照剂量的基本特征及其随新风量的变化情况。在此基础上，结合典型的冷却剂丧失事故(LOCA)源项和主控室的设计特征，分析了最优风量是否存在，并讨论了相关参数的不确定性。

1 计算原理

RG1.195[6]给出了主控室仅通过气载途径从外界引入放射性物质情况下的室内核素浓度变化过程，用式(1)表示：

Ri-(λr1+λr2+λr3)·Ai

(1)

下文分别讨论事故源项以惰性气体为主、以气溶胶和碘为主以及两者并存三种情况下主控室人员受照剂量的基本特征及其随新风量的变化情况。

1.1 惰性气体

过滤器一般不能有效地去除惰性气体，即新风过滤和循环过滤对惰性气体均不起作用。忽略核素衰变，仅考虑一种进气途径，式(1)可以简化为：

(2)

容易看出，对于惰性气体，当进气口处新风浓度与控制室内的核素浓度相同时，达到平衡状态。但进气速率越大，室内外的浓度会越快到达平衡状态，人员所受照射剂量也越大。

对于一些双层安全壳并带有过滤器的机组，主控室和应急控制中心对应的事故源项以惰性气体为主，可以看出简单地减少新风量是一种相对可行的方式。

1.2 气溶胶和碘

对于放射性碘和气溶胶，由于过滤器和非过滤渗入途径的影响，情况将会有所不同。参考我国核电厂主控室和应急控制中心HVAC系统的设计经验，新风量一般为几百至几千m3/h，多数设施缺少非过滤渗入途径的实测数据，一般参照美国SRP6.4节和相关技术文件的推荐，认为开关门引起的非过滤渗入量为17 m3/h[3,11]。而新风过滤器(暂不考虑循环回风过滤)对气溶胶和碘的过滤效率较高，典型值为1000倍和100倍，笔者了解到相关实验测定(2016—2017年)表明，即使受到老化等因素的影响，实际设施中的过滤器也能够较好地满足上述过滤效率。即新风量为1 000 m3/h时，对于气溶胶(碘，铯等)有效引入风量仅为1 m3/h，远小于非过滤渗入量，即非过滤渗入途径起主导作用。这还是在设施的非过滤渗入量满足设计要求的前提下，如果非过滤渗入量更大(根据国内外的实验结果，这种现象普遍存在)，这种趋势将更加明显。而放射性物质的排出速率，仍然是新风量占据主导地位。

将式(1)进行适当简化，可以得到：

(3)

从这个方程不难看出，在上述假设条件下，设施内放射性气溶胶浓度的增加速率，可近似认为是一个定值，而其去除速率，与新风速率成正比。增加新风量将有助于降低设施内的放射性污染物平均浓度和人员受照剂量。

对于后处理厂等设施的主控室和应急控制中心，由于处理的乏燃料经过多年的贮存，除了临界事故外，基本上以气溶胶为主，因此适当增加新风量可有效降低人员受照剂量。

1.3 混合源项

以上分别讨论了惰性气体和气溶胶占主导地位时的情况。尽管现实中也有很多实例，但更普遍的情形是两者同时存在。特别是对于压水堆核电厂而言，设计中一般要考虑LOCA事故，假定堆芯发生大规模熔化，全部惰性气体和大部分卤素、部分铯和其他气溶胶释放到安全壳内。向环境释放的核素包含了惰性气体和大量的放射性气溶胶。从理论上讲，在适当条件下，如果惰性气体和气溶胶对设施内人员造成的剂量具有可比性，那么由于惰性气体造成的外照射剂量随风量的增加而增加，气溶胶造成的吸入内照射剂量随风量的增加而降低，应该可以找到一个最佳的风量，使人员在事故期间受到的总有效剂量最小，这也是本文研究的重点。这里必须指出，这个结果受到多方面因素的影响，与事故源项核素组成有关，同时与设施的具体HVAC设计方案和参数密切相关。下一节将以LOCA事故为例，尝试寻找这个最优风量。

2 LOCA事故算例分析

2.1 模型建立

本文以LOCA事故为例，采用NUREG-1465报告中给出的安全壳内源项释放份额[12]，假定喷淋与自然沉积作用使碘和气溶胶在安全壳内浓度降低1 000倍，分子碘和气溶胶的过滤效率为0.999，有机碘的过滤效率为0.99，安全壳以设计基准泄漏率(前24 h基准泄漏率为0.3%/d，24 h后减半)向环境泄漏。从释放点至新风口处的弥散因子，保守取表1中的数值。

如前文所述，非过滤途径的渗入速率，是一个相对较难确定的参数，工程实践中一般假定对开关门引起的非过滤渗入速率为17 m3/h。而考虑到随着新风量(换气次数)的变化，整个区域内的正压也将随之变化，理论上非过滤渗入量将会减少，但目前很难有一个很准确的函数关系，粗略地假定非过滤渗入量随风量的变化满足如下关系：主控室自由容积取3 000 m3，在新风量为0时，非过滤渗入量为60 m3/h，风量为9 000 m3/h时，非过滤渗入量降低至10 m3/h，中间进行简单线性插值[13-14]。基于NUREG-1465中给定的严重事故源项，计算事故后主控室人员受照剂量随新风量的变化曲线如图2所示。

表1 大气弥散因子 (s/m3)Tab.1 Atmospheric dispersion factors (s/m3)

图2 事故后主控室人员受照剂量随新风量的变化(气溶胶和碘去除1 000倍，Qin线性插值)Fig.2 Evolution of control room operator doseversus filtered intake flow rate (1 000 reductionfactor for aerosols and iodine)

可以看出，对于惰性气体起主导作用的外照射，人员受照剂量随着新风量的增加而增加。而对于碘和气溶胶占主导作用的吸入内照射，人员受照剂量整体上随着新风量的增加而降低。在新风量大约为400 m3/h时，外照射途径对人员造成的有效剂量与吸入内照射基本相等。而对于总有效剂量，呈现一个预想中的U型，即开始随风量的增加而降低，之后随着风量的增加而升高。

对于图2而言，风量在大约800～1 000 m3/h时人员受照剂量最低。在上述模型中，设计上选取约1 000 m3/h的新风量是较为适宜的。

2.2 敏感性分析

如前面1.3节所述，上节中LOCA事故模拟计算存在最优风量，是诸多因素共同作用的结果，具有一定的偶然性。影响因素主要包括源项核素比例、非过滤渗入量和是否考虑循环回风过滤等，本节分别针对上述因素进行敏感性与不确定性分析。

2.2.1源项核素比例变化的敏感性分析

特定的源项核素组成发生变化，可能导致吸入内照射和外照射综合作用的结果也不同。仍采用NUREG-1465中给定的严重事故源项，假定喷淋与自然沉积作用使碘和气溶胶在安全壳内浓度仅降低100倍，即气溶胶和碘的核素份额增加，惰性气体、气溶胶和碘的核素组成比例发生了变化，其他假定与2.1节一致，分别给出了非过滤风量随新风量线性变化、非过滤风量恒定(敏感性分析分别取1.7 m3/h 、17 m3/h 、170 m3/h)四种情形下主控室人员受照剂量，计算结果如图3所示。

图3 事故后主控室人员剂量随新风量的变化曲线(气溶胶和碘去除100倍)Fig.3 Evolution of control room operator dose versus filtered intake flow rate(reduction factor 100 for aerosols and iodine)

可以看出，由于去除倍数降低后，气溶胶和碘在源项核素组成中所占比例更高，吸入内照射途径对剂量结果起主导作用。导致在新风量较小时，总有效剂量明显超过0.1 Sv，且随新风量的增加迅速降低。当非过滤渗入风量增大时，总有效剂量也随之增大(如图3中(c)和(d))，但总体来说新风量小于1 000 m3/h时，总有效剂量随着新风量的增加而迅速降低，新风量高于1 000 m3/h后剂量趋于稳定。

为尽可能地降低事故后主控室内的人员受照剂量，对于以上假设，设计中保证1 000 m3/h以上的新风量似乎是必要的。针对其他事故源项的进一步分析表明，核电厂多数事故源项对应急设施内人员受照剂量的贡献主要来自吸入内照射。

但这里有一个前提，就是前文所取的较大的非过滤风量与较高的过滤器效率，导致吸入内照射的主要来源是非过滤渗入途径。如果设计上能够保证非过滤风量小到可以忽略(敏感性分析取降低10倍即1.7 m3/h)，那么应急设施HVAC系统的新风量在保证人员正常呼吸的前提下，应该尽量降低(如图3(b))，但在实际工程上实现起来难度极大。非过滤渗入风量是很难降低和消除的，除了密封性本身的问题，还有事故期间人员进入CRE区域开关门动作带来的影响。

2.2.2循环回风过滤的影响

增加循环风过滤系统，可持续有效去除设施内的放射性气溶胶，可有效降低事故后人员所受剂量。循环回风过滤系统能将区域内所有来源的气溶胶和碘保持在一个相对稳定的快速去除速率。典型的循环过滤带来的内部换气速率为0.1～1/h，这样的去除速率能够在很大程度上弥补非过滤渗入途径的影响，对CRE区域内正压的维持要求会进一步降低。仍然以NUREG-1465中给定的严重事故源项为例，假定喷淋与自然沉积作用使碘和气溶胶在安全壳内浓度降低100倍，设施内持续存在1 000 m3/h的循环过滤风量，其他计算参数不变，结果如图4所示。与图3相比可以看出，设置循环过滤系统时人员有效剂量与未设置循环过滤系统相比有显著降低。

图4 循环过滤对剂量结果的影响气溶胶和碘去除100倍(循环过滤风量Qr=1 000 m3/h)Fig.4 Evolution of control room operator dose versus filtered intake flow rate with recirculation filters(reduction factor 100, recirculation rate Qr as 1 000 m3/h)

对循环过滤风量进行敏感性分析，结果如图5所示。由图5可知，非过滤渗入随新风量变化或者非过滤渗入量较大时(图5(a),5(c))，回风过滤风量越高，主控室人员的受照剂量越小；但若密闭性较好，如非过滤渗入量极小(1.7 m3/h，图5(b))、没有循环风过滤的情形下，随着新风量的增加，室内人员受照剂量先减小后增加，存在最优风量(300 m3/h)。

表2给出了非过滤渗入随新风量变化情形下，设置循环回风过滤与未设置循环过滤时人员受照剂量之比。新风量取600 m3/h、循环过滤风量取1 000 m3/h时，人员受照剂量约为未设置循环过滤系统时的一半；新风量一定时，循环风量越大，人员受照剂量则越小；但当新风量提高到一定值以后，人员受照剂量的降低越来越不显著。

图5 循环过滤风量敏感性分析(其他相关参数同图3)Fig.5 Sensitivity analysis for recirculation rate of recirculation filters (other parameters are same as in Figer 3)

3 结论

本文结合典型的主控室设计特征和事故源项(基于NUREG-1465报告给定的安全壳内源项份额)，对可居留性系统的新风量进行了敏感性分析，同时分析了非过滤渗入随新风量变化以及非过滤渗入固定时对主控室受照人员剂量的影响。

表2 不同循环过滤风量与未设置循环过滤时人员受照剂量之比Tab.2 Ratio of control room operator doses withrecirculation filters to without recirculation filters

本文的主要结论如下：

(1)新风量小于1 000 m3/h时可居留系统的新风量对应急设施内人员的可居留性影响较大。

(2)事故源项的核素组成不同，对主控室人员受照剂量的影响是完全不同的。对于放射性碘等气溶胶，由于高效过滤器的存在，控制室内的浓度增加主要是非过滤渗入途径的影响，而新风量的增加可以提高气溶胶的排出速率，并且进一步降低非过滤渗入的速率，在未设置循环回风过滤系统的情况下，适当增加新风量是有利的；但对于惰性气体，过滤器和非过滤渗入的影响都处于次要地位，提高新风量将会导致室内惰性气体浓度的增加，进而增加人员受照剂量；如果既有惰性气体，又有放射性碘和气溶胶，那么就有必要进行系统的分析，尽量找到最优新风量的平衡点，使人员在事故条件下的受照剂量最低。

(3)在非过滤渗入速率相对固定或者很难进一步降低的条件下，增加循环回风过滤系统，对于降低设施内气溶胶的含量是较为有效的方法。且适当增加回风过滤，效果更加明显。非过滤渗入量随新风量变化时，若新风量一定，适当增加循环风过滤有利于降低室内工作人员的受照剂量，但新风量高于一定值后，剂量降低越来越不显著。若密闭性较好，非过滤渗入量极小，如取1.7 m3/h，没有循环风过滤的情形下，随着新风量的增加，室内工作人员的受照剂量先减小后增加，存在最优新风量(300 m3/h)；非过滤渗入量的增加，使得室内工作人员的受照剂量显著增加，因此提高密闭性是减少剂量的有效手段。

本文分析了新风量的优化以及非过滤渗入与新风量的相互制约对人员受照剂量的影响，能够为核电厂主控室可居留性系统设计方案的改进和优化提供参考。