核电站控制室内漏率测量方法分析

白龙BAI Long；辛克XIN Ke

（①中国核电工程有限公司华东分公司，嘉兴 314300；②中国核电工程有限公司，北京 100840）

1 背景

核电厂发生设计基准事故后，控制室必须为操纵员提供可居留性。为满足此要求，传统核电厂都采用不同的手段来保证控制室相对于周边区域维持一定的相对正压，以此理论空气只能通过控制室压力边界从室内高压侧向室外低压侧单向流动。设计人员只需关注保持控制室相对外界微正压即可，而无需考虑室外空气（严重事故后可能含有气载放射性物质）反方向渗透进入室内的可能性。

核电厂操纵员剂量分析的前提条件中，外部污染空气向控制室的内漏率是一个设计值。美国核管会于1991-2001 年间对其国内约30%的取照核电厂的控制室边界进行现场试验测量内漏率，结果几乎所有核电厂控制室内漏率实测值均大于其设计值[1]。

相关试验证明控制室剂量分析采用的内漏率设计值并不保守。仅采用微正压而不测量实际内漏率的理论不能满足控制室可居留性要求。美国核管会在2003 年发出通用信函[2]向各核电厂提出了利用示踪气体测量控制室实际内漏数据的试验要求。

任何工况下操纵员的辐照剂量均不能超过设计值。基于这一实际要求，国内核电站亦有测量控制室内漏率的需求，本文通过试验模型阐明恒流量注入法测量内漏率的原理，说明其测量控制室内漏率的可行性，以期为国内核电站内漏率测量提供参考。

2 核电厂控制室内漏率要求

以某核电厂为例：事故工况①下，控制室应急可居留系统②投运，外部污染空气向主控室总内漏不超过25.485m3/h，其中由人员出入主控室引起通过门厅的内漏数据不超过8.495m3/h，这一假设可以不通过试验直接予以认可（主控室采用双层密封门单独试验验证其密封性）；但通过其他潜在泄漏途径产生的内漏量不超过16.990m3/h，这一设计值需要通过示踪气体试验验证[3]。

3 原理分析

3.1 实际模型概述

如图1 所示为某控制室简化图示，核电机组正常运行时（外界空气无气载放射性物质），正常通风系统投运给控制室操纵员提供可居留环境。若核电机发生故障，外界空气可能会含有气载放射性物质，此时正常通风系统停运，应急通风系统（高压气瓶提供可呼吸空气）投运给控制室操纵员提供可居留环境，并保持控制室处于微正压状态。

图1 控制室简化图示

通常核电厂在设计处认为保证控制室相对于周边区域维持一定的相对正压，那么空气只能通过控制室压力边界从室内高压侧向室外低压侧单向流动。忽略了反方向泄漏进入室内的可能性：①主控室本来就是一个构筑物，理想情况是其边界完全封闭，但由于施工的局限性（构筑物本体微缝隙、贯穿件密封不完整等等）无法保证其边界完全封闭，所以控制室本身存在潜在泄漏点。②应急通风提供的微正压很小，比如某核电厂应急通风投运后室内压力比室外大30Pa（相当于3mm 水柱产生的压强），此微正压很容易受到扰动而破坏；再者微正压一般是用1 或2 块压差表在某点在线监测，控制室空间相对于压差表监测的范围很大，所以存在即便压差表显示正常而其他区域由于扰动出现负压差的可能性。③气体分子本身就存在热运动即扩散现象，外界浓度高的气载放射性分子可能以热运动扩散的形式通过潜在泄漏点进入室内。综上所述，室外空气（严重事故后可能含有气载放射性物质）反方向渗透进入室内的可能性是存在的。

3.2 方法概述

控制室内漏率测量示踪气体分析法是通过向控制室内注入一定浓度的示踪气体，利用示踪气体的浓度变化间接测量空间换气率，进而计算是空间边界的内漏值。

示踪气体分析法按计算方式分两种：直接测量法和间接测量法。按示踪气体注入方式分三种：浓度衰减法、恒流量注入法和恒定浓度法。浓度衰减法，通过目标区域示踪气体浓度衰减曲线计算泄漏率；恒流量注入法，维持示踪气体注入速率恒定，通过示踪气体注入速率和稳态时示踪气体浓度计算泄漏率；恒定浓度法，调节示踪气体注入速率，保持目标区域示踪气体浓度恒定，通过示踪气体注入速率间接计算泄漏率。

由于恒定浓度法为直接测量法，测量结果也是最符合实际内漏值，但是需要较高硬件设备来维持试验区域示踪气体浓度恒定（在线监测SF6浓度，与目标浓度比较并进行响应），试验设备及操作相对比较复杂。

浓度衰减法是以脉冲的形式向主控室边界注入一定量初始浓度示踪气体，之后测量并绘制示踪气体浓度随时间变化曲线，进而间接测量内漏值。特点：①该方法适用于只存在空气内循环的密闭空间，不适合加有压送风的密闭空间；②该方法在初始示踪气体注入量和最终内漏计算过程中都需要主控室空间的自由容积（试验状态下主控室边界内，包括地板以下，示踪气体可达区域。具体为主控室空间总容积主控室控制台、各类机械管道和电气管道的容积）作为计算输入值。而自由容积的实际计算需要现场勘测主控室边界内影响自由容积的所有因子的尺寸，进而通过计算机三维模拟计算出初始自由容积，然后通过内漏试验数据迭代计算下一个自由容积，如此反复计算得到更接近于实际的自由容积，试验周期相对比较长，工程量比较大。

恒流量注入法是以恒定的速率向主控室边界持续注入示踪气体，达到稳态之后，测量主控室稳态示踪气体浓度，进而间接计算内漏值。特点：①该方法较适用于存在加压送风的密闭空间；②该方法不需要以主控室空间的自由容积作为计算输入值。

同时，示踪气体的选择需要满足一些基本要求，如：无毒、惰性、无色、无味以及对人无害。SF6性质特点：①无毒、惰性、无色、无味以及对人无害；②在大气环境中含量极低；③不会被活性炭过滤器吸收。SF6作为使用成熟的示踪气体在国外电站得到了广泛的实践[5]。

试验方法选择需要根据控制室设计基础以及各个方法的特点来选择，本文以SF6示踪气体和恒流量注入法为选择对象进行分析。

3.3 数学模型分析

核电控制室应急可居留系统投运时，向控制室注入稳定流量的新风。借助其上游系统管线接口，向新风管线注入恒定流量的SF6气体，示踪气体和新风一起进入控制室压力边界。随时间推移，系统进入稳态运行阶段，新风管线内SF6气体浓度和控制室压力边界内SF6气体浓度达到稳定值。测量新风管线内SF6气体浓度和控制室压力边界内SF6气体浓度可间接计算控制室内漏值。试验数学模型如

图2 恒流量注入法试验模型

其中：

qinlet：控制室新风注入体积流量，设计输入值，已知量；

qout：控制室排风体积流量；

qinleak：控制室内漏体积流量；

qsf6.in：SF6注入体积流量，已知量；

Csf6.in：新风管线内SF6浓度，体积浓度；

Csf6.MCR：控制室压力边界内SF6浓度，体积浓度；

VMCR：控制室压力边界空间自由容积。

模型假设：

①温度：应急可居留系统的冷却作用可以抵消控制室内电气设备散热量，使室内温度维持在很小的范围内变化（给操纵员提供适宜的居留环境），所以假设温度的变化对室内空气状态参数无影响；

②压力：应急可居留系统投运稳定后，室内会形成微正压环境，室内压力基本稳定，所以假设压力对室内空气状态参数无影响；

③示踪气体：假设室内SF6本底浓度为0 且混合均匀（SF6注入点下游SF6浓度相同，室内各处SF6浓度相同）；示踪气体一般为浓度不超过100ppm 的SF6/氮气混合气气体，此混合气体的注入流量为新风流量的千分之几，所以假设示踪气体的注入量对室内空气状态参数无影响。

综上，假设经过足够长的时间，系统达到稳态即动态平衡，进入控制室的空气量等于流出控制室的空气量，可以得到如下方程：

则控制室压力边界的泄漏率为：

其中，qinlet作为系统设计参数和qsf6.in恒流注入法的前提都是已知，而qout未知。

控制室压力边界内SF6浓度是随时间变化的，开始为0 然后慢慢增加，某一时刻SF6浓度随时间的变化率为：

此式为一阶线性非齐次微分方程[6]，可求得其通解：

已知当时间t=0 时，即初始情况下，本底SF6浓度为0，则Csf6.MC（R0）=0，代入式（4）可得将a 代入式（4）可得：

上式即为控制室压力边界内SF6浓度随时间变化的表达式（以e 为幂底数的指数函数）。试验开始时，控制室压力边界内本底SF6浓度可视为0，随着时间推移，系统动态平衡，控制室压力边界内SF6浓度达到稳态。曲线如图3所示。

图3 SF6 浓度-时间曲线

假设当t=t1时（足够长的时间）SF6浓度达到稳态，由（5）式可知，控制室压力边界内SF6浓度为：

而qsf6.in作为输入值是已知的，由式（2）和式（6）联立可知，

式（7）中Csf6.MCR（t1）为稳态时控制室压力边界内SF6测量浓度，作为试验前提的qsf6.in和qinlet是已知量，则可以计算出控制室压力边界内漏量qinleak。

3.4 工程应用简化

由恒流量注入法试验图示1 可知，新风qinlet和SF6注入量qsf6.in在系统管线内混合后进入控制室压力边界，故总进气量qtotal=qsf6.in+qinlet，则式（7）简化为

测量SF6注入点下游新风管线内SF6浓度Csf6.in，进而间接计算qtotal，如下式：

代入式（8），令稳态时控制室压力边界内 SF6浓度Csf6.MCR（t1）=Csf.MCR，可得：

实际应用中，只需测量稳态时，控制室压力边界内SF6浓度Csf.MCR和新风管线内SF6浓度Csf6.in，即可求出控制室内漏量qinleak。

3.5 试验流程

通过上述推导过程，可以得出内漏试验基本流程：

①投运应急可居留系统，建立微正压环境；

②以恒定速率向新风管线持续注入示踪气体；

③系统达到稳态后，取样并测量控制室和新风管线内SF6浓度

④根据公式（10）计算控制室内漏率。

试验数据：用10.3ppm 的载气（SF6/氮气）以流量4.5SLPM（标准升每分钟）注入控制室，在达到稳态之后，在控制室区域共取样6 次，共120 份样品分析SF6浓度求其平均值；在新风管线取样6 次，共12 份样品分析SF6浓度求其平均值。代入公式（10），求得qinleak=6.78SCFM（相当于11.52 标准立方米/小时）。

表1 试验数据计算表

4 结论

通过数学模型分析以及实际应用说明恒流量注入法测量控制室内漏率的方案是可行的。随着国内核电行业的发展以及核电行业标准的不断完善，控制室内漏试验也将会纳入国内核电行业标准之中。期望本文的内漏率测量方法分析，能够为国内核电站控制室内漏率测量试验以及其他对内漏率有要求的领域提供参考。

注释：

①事故工况：如核电厂失去厂用电、控制室边界出现放射性高报警等可能威胁操纵员身体健康的工况。

②应急可居留系统：事故工况下向控制室提供通风（可呼吸空气），冷却以及空气过滤功能，为操纵员提供可居留环境。