核空气净化装置的辐射防护设计

郭创成,唐 辉,丘锦萌,王 冲,杨 莉,张 欣

(华龙国际核电技术有限公司,北京 100037)

核设施在运行过程中会产生放射性裂变物质,一些裂变物质会因设备或管道泄漏而进入周围厂房,使厂房空气中含有放射性气溶胶和放射性气体,一般统称这些放射性物质为气载放射性污染物。为了保护工作人员和周围居民的健康和环境安全,需要在核设施厂房的通风系统中设置核空气净化装置,对气载放射性物质进行过滤净化,符合排放要求后排入环境。可见,核空气净化装置运行是否可靠,既涉及周边人员健康及环境安全,也涉及工作人员职业照射安全。在设计核空气净化装置时,需仔细考虑其辐射防护功能,在满足工艺运行需求的同时,也要满足辐射防护的相关要求,并努力实现辐射防护最优化。设计实践中,由于一些辐射防护设计要求不像工艺运行需求那么直接,实际设计时容易被忽略,特别是与辐射防护最优化相关的因素,在设计实践中出现过考虑不充分的情况。如一些核设施核空气净化装置过滤器排架布置过高,导致安装和更换过滤器困难。过滤器性能试验通道未给予充分考虑,导致试验设备难以接近试验现场,造成后续的性能试验完成困难。碘吸附器上游未设置电加热器,导致碘吸附器易因气流湿度高而过早失效等。

核空气净化装置的辐射防护设计贯穿于整个设计过程,涉及多方面因素。需要设计者对每个因素逐一仔细分析,将每一项辐射防护要求加以落实,形成安全有效运行可靠的核通风系统。本文参照NB/T 20038—2011《核空气和气体处理规范 设计和制造通用要求》[1],NB/T 20252—2013《压水堆核电厂专设安全设施空气净化装置设计准则》[2],NB/T 20251—2013《压水堆核电厂正常空气净化装置设计准则》[3],ASME N509—2002《Nuclear Power Plant Air-Cleaning Units and Components》[4]等国内外相关标准,结合工作实践,对核空气净化装置设计中有关辐射防护方面需要考虑的因素进行了综合、甄别和总结,形成一份核空气净化装置辐射防护设计过程控制表,用于帮助设计人员更好地完成相关的设计工作。设计过程中,通过逐项签署该确认表,确保各项辐射防护要求得到有效落实,避免出现遗漏和考虑因素不完善的情况。

1 部件选择

核空气净化装置部件通常包括预过滤器、高效过滤器、碘吸附器、除雾器、加热器和后置过滤器等。从辐射防护设计角度考虑,这些部件的选择要求如下:

(a)预过滤器:预过滤器用于去除大颗粒物质,对安装在其后的高效过滤器提供保护。如果核空气净化装置处理的气体粒子浓度和粒径分布可能导致高效过滤器过早失效,则应选择使用预过滤器。一般情况下,当进入空气净化装置的空气含尘量超过2 mg/m3时,应考虑设置预过滤器,当空气含尘量超过20 mg/m3时,必须设置预过滤器。即使不是上述情况,由于预过滤器价格便宜,占用空间小,仍建议配备预过滤器,以提高高效过滤器的使用寿命,增强过滤放射性物质的可靠性。

(b)高效过滤器:高效过滤器用于去除辐射事故时弥散到厂房环境中的放射性气溶胶物质,需选用耐辐照和在其它极端事故条件下能可靠运行的高效过滤器对厂房空气进行过滤,确保厂房内空气在排出前得到净化。

(c)碘吸附器:碘吸附器用于去除辐射事故时泄漏到厂房环境中的气态放射性碘和碘化物,需选用耐辐照和在其它极端事故条件下能可靠运行的碘吸附器对厂房空气进行过滤,确保厂房内空气在排出前得到净化。

(d)除雾器:除雾器用于去除进入核空气净化装置气流中的水滴,防止水汽在核空气净化部件表面冷凝,形成可能污染墙壁或地面的放射性污水。当气流中水滴含量大于0.45 kg/m3时,需选择使用。

(e)加热器:加热器用于降低气流的相对湿度,满足碘吸附器正常使用的空气条件。对不受外界气象条件影响的核空气处理系统,当发生事故可能导致进入核空气净化装置的气流相对湿度超过70%一个小时以上时,应当使用加热器。对于与外界连通的核空气处理系统,当基于一定概率的气象条件下通过碘吸附器的气流相对湿度超过70%时,要求使用加热器。

(f)后置过滤器:后置过滤器用于截留碘吸附器可能脱落的已吸附放射性物质的炭屑。专设安全设施空气净化装置中的碘吸附器后需安装后置过滤器,以防止将不可忽略的放射性炭屑排入环境。在非专设安全设施空气净化装置中,为防止将不可接受的炭屑带入可居留空间,也需要安装后置过滤器。

2 材料选择

核空气净化装置辐射防护功能的实现基于其组成部件的运行可靠性和设计合理性,要求其部件的制作材料应能在确定的环境条件下(温度、相对湿度、压力、辐射等)运行,且不易产生易燃物和污染物,不会因腐蚀和老化而导致部件在设计寿期内丧失功能。辐照是核空气净化装置部件材料面临的特殊环境,尤其是橡胶、塑料等有机材料,易因辐照而老化、性能降低,严重的会导致开裂、脱落现象产生,造成污染物质泄漏,选择材料时应注意确保其耐辐照性能满足使用需求。

3 设备布置

设备布置是否合理涉及气流流向和污染气体泄漏方向的合理性以及压力边界范围大小是否合适等与辐射防护密切相关的问题,对核空气净化装置辐射防护功能的发挥十分关键。核空气净化装置应布置在低辐照区内,当必须布置在高辐照区时,在辐射源和空气净化装置之间,应采取适当的辐射屏蔽措施。设备布置应使气流从低污染区向高污染区流动,可能的话,尽量避免污染空气经过清洁区。

3.1 一次通过系统的设备布置

(a)输送污染气体的管道经过清洁区时相对清洁区应维持负压,防止污染气体从管道内向周围清洁区泄漏。

(b)布置于清洁区的空气净化装置,其排风机应安装在净化装置下游以保持净化装置内为负压,防止污染气体从风机轴承处向清洁区泄漏。

(c)布置在污染区的空气净化装置,应将风机安装在空气净化装置上游,以防止污染空气通过风机轴渗入风管,或者旁通直接进入空气净化装置过滤器下游的风管。

(d)通过清洁区的正压排风管长度应尽量短,以避免管道向外部的泄漏引起对工作人员的辐射照射。

3.2 循环系统的设备布置

(a)如果空气净化装置布置在所服务区域外的清洁区,风机应安装在空气净化装置下游。

(b)如果空气净化装置全部安装在所服务区域内,则风机可以安装在其上游,也可以在下游。

(c)布置在服务区域外部的风管应尽可能短。

3.3 可居留系统的设备布置

(a)在事故情况下可能输送放射性空气的通过清洁区的风管应相对该区域保持负压。

(b)位于空气净化装置下游为可居留区提供服务的负压风管应避免布置于可居留区域之外,以免风管外部的不干净空气泄漏进风管内,影响可居留区的可居留性。

(c)风机的布置

(1)如果空气净化装置布置于污染区,风机应安装在其上游。

(2)如果空气净化装置布置于清洁区,风机应安装在其下游。

(d)可居留区外部的正压风管的长度应尽量短以减小风管泄漏对可居留区内相对正压的影响。

(e)可居留区外布置的风管、风机、净化机组应具有气密性。

(f)可居留区压力边界隔离的风阀应采用密封等级高的阀门。

4 操作、试验和维修的便利性

核空气净化装置操作、试验和维修的便利性既是一般操作和维修工作的需要,更是缩短工作时间,降低集体辐射剂量,实现辐射防护ALARA原则的要求,因此,应从设计上认真加以考虑,具体要求如下:

(a)单个净化装置的风量不应过高,以不超过 50 000 m3/h 为宜,对于风量大的系统,可以并联设置几个净化装置。单个装置内布置净化设备的高度要考虑人员可方便安装和更换过滤器,以不超过2 m为宜。如必须超高布置,要设置永久性的平台通道。布置净化设备宽度应不超过 10 个标准高效空气过滤器的总宽度。

(b)净化装置应尽可能做成整体的,必要时可以整体更换或暂时封闭,待放射性水平降低后再作处理。

(c)需要人员进入的净化装置应安装在地面上,如必须安装在高处,则应配备至少1.2 m宽的固定上下阶梯。

(d)体积较小的装置应安装在高于地面的适当高度位置上,便于人员接近。

(e)应有足够宽的无遮挡通道通向布置净化装置的区域,以便工作人员前往进行部件和设备维修。

(f)过滤器箱体(或房间)门或人孔周围处应有足够宽的空地以开展部件维修工作。空间宜不小于1.2 m宽×2 m高。如果情况允许,维修空地同时也可以作为走廊,或与相邻空气净化装置共用。

(g)过滤器箱体(或房间)上面宜至少留0.5 m高的空间以便进行安装和检查。

(h)必要时设置高架工作通道。

(i)对需周期性清洁的风管应在关键点配备人孔。

(j)净化装置内部安装排架之间应提供最小1 m宽度的空间。如果要在安装排架间更换部件,那么排架之间的距离至少应为部件最大抽出长度加1 m。确定维修空间时,还应考虑方便试验设备的安装和操作。

(k)应在装置附近留有方便使用的水、电、压缩空气接头。

5 吸附剂降温和防火

碘吸附器可能因前端加热器运行异常或吸附放射性物质后因放射性物质衰变而温度升高,过高的温度可能引起吸附剂自燃,导致碘吸附器失效甚至放射性物质泄漏。应采取适当措施为吸附剂降温,如小流量通风冷却、水喷淋灭火、密闭隔断碘吸附器排并注入灭火气体等。限制吸附床温度不超过150 ℃,以防止发生明显的碘解吸。为碘吸附器配备的灭火连接设施应设在核空气净化装置所在房间外部,方便工作人员执行连接操作。

6 压力边界泄漏控制

压力边界泄漏状况与辐射防护密切相关,放射性物质从核空气净化装置外部漏入其内部或从其内部漏出到外部会有如下影响:

(a)影响控制室的可居留性;

(b)污染物外漏至清洁区时,对工作人员形成辐射照射;

(c)在污染区的内漏可能妨碍核空气净化装置功能的发挥,造成对电站工作人员的照射;

(d)对核设施周围生活的人群形成照射。

应基于辐射防护的要求确定核空气净化装置压力边界的最大允许泄漏率。根据放射性源项计算结果,通常将室内环境放射性物质的浓度控制在不超过最大允许浓度的三分之一,以此来计算确定房间的通风量和通风管道的允许泄漏量。

7 设计过程控制表

基于上述分析和总结,建立了核空气净化装置辐射防护设计过程控制表(表1)。实际设计工作中,设计人员通过逐项检查签署完成该控制表,确保所有与核空气净化装置辐射防护设计有关的因素已充分考虑并落实,为后续装置的安全运行提供保障。

表1 核空气净化装置辐射防护设计过程控制表