核设施退役阶段气载放射性包容与通风净化技术研究

彭永森 谢陈平 陈京龙

(深圳中广核工程设计有限公司,深圳)

0 引言

退役是核设施五大工作阶段(选址、建造、调试、运行、退役)之一,是核设施使用期满或因其他原因停止服役后,为充分考虑工作人员和公众健康安全及环境保护而采取的活动,其最终目标是原则上实现留存建(构)筑物和厂址残留的放射性达到无限制开放水平、退役过程中产生的各类废物和物料得到安全处理和处置,退役过程中产生的气体、液态流出物达标排放[1]。国际原子能机构报告显示,截止到2020年底,仅考虑反应堆核设施,全球共有686座核反应堆处于其寿命周期的不同阶段,其中192座已关闭的核反应堆中仅20座完全退役,剩余的172座正在或即将开展退役活动[2]。随着核设施的运行,全球核工业预计在未来10～20年逐渐迎来退役高潮。我国目前核设施退役主要涉及少量军工类核设施项目,对于大型商用核电厂退役技术的研究尚处于起步阶段。

核设施在退役阶段进行拆除、分解等活动时会产生气载放射性物质,为避免气载放射性物质不受控的传播扩散,保护工作人员、公众及环境,对于退役阶段的核设施需采取严格的气载放射性包容和通风净化控制措施。由于老旧核设施现场复杂,现场退役操作面临各种潜在风险,且各项活动具有临时性和动态变化的特点,如何确保气载放射性包容和通风净化系统的有效性是核设施退役领域的重要问题之一。本文通过研究国内外相关法规、标准及良好实践,总结归纳了以风险评估,尤其是放射性风险评估为基础,适用于核设施退役阶段作业现场的气载放射性包容与通风净化系统设计总体原则、设计方法、性能准则及推荐方案。

1 气载放射性物质包容总体原则及策略

1.1 总体原则

为实现保护工作人员、公众、环境免受气载放射性危害的目标,核设施退役阶段的气载放射性包容系统应确保以下功能[3-4]。

1) 包容:包括静态和/或动态的包容形式。静态包容是通过建立实体屏障,实现放射性物质的包容。动态包容一般作为静态包容的增强措施,该功能是通过维持放射性污染区域相对负压,将污染空气导向规定的排放点进行净化和监测,防止放射性污染不受控地释放;建立压力梯度,使空气从潜在放射性危害小的空间流向潜在放射性危害大的空间,限制、处理和控制污染物尽可能靠近污染源,防止人员受到放射性危害。

2) 净化:收集带有放射性粉尘、气溶胶和挥发气体的空气,输送到受控点进行收集、处理,比如采用过滤器、吸附器等进行净化处理。

3) 换气:通过对封闭空间进行清洗换气,控制有害物质聚集的风险(如控制空气中有毒、窒息、爆炸等危险气体的浓度)。

4) 监督排放:通过合理的气流组织和仪表设置,对核设施排风的放射性水平等进行监控和测量。

放射性包容系统除应确保核设施在退役阶段的所有正常运行工况下能够实现上述功能,还应在安全评价的基础上,评估其是否需在异常运行工况或者事故工况下能够实现上述功能中的某些功能。在气载放射性包容与通风净化系统设计开始之前,应进行风险评估以便充分确定其实际目标和安全注意事项,根据相关导则及规范[3-4],风险评估内容主要包括如下内容。

1) 源自材料和现场操作所导致的放射性危害,由此导致需要对相关房间或作业区进行包容,包括:

① 设有包容实体密闭屏障房间内的表面污染或气载污染容许水平;

② 气载放射性污染监测要求。

2) 根据核设施已有通风系统或待安装通风系统的实际排放水平,评估其与排放容许限值之间的安全裕度。

3) 包容屏障和通风系统自身可能面临的外部事件危害(如落物、火灾、水淹、外部爆炸、地震、大风和极端温度等)。

4) 设施附近工作人员活动(如相关的并行操作等)。

5) 维持包容系统正常运行所需的流体和能源供应暂时中断(如电、压缩空气、冷却水等)。

6) 与执行操作有关的非放射性危害(如机械故障、压力突变、爆炸、火灾、腐蚀、冷凝、落物等导致包容设施突然出现破口),其后果可能是引起放射性物质悬浮,需根据具体情况开展分析。

对于每一种影响安全的因素都需开展风险评估,评估时不能简单排除内外部危害叠加的情况,应按相关监管部门的安全评估要求,采用保守的方式开展相关的评估。除上述风险评估外,放射性包容系统设计中尚需考虑如下因素:

1) 使放射性物质的释放降低到合理可行尽量低(ALARA)的水平,以保护环境;

2) 尽量在合理范围内减少房间或作业区的污染程度,特别是在尽可能靠近污染源处实施动态包容;

3) 现有设施的实体和放射性水平状态(如静态包容、电缆、疏水管);

4) 对通风管网、包容屏障等现有设施改造的影响;

5) 事件或事故工况;

6) 如果现场放射性水平高,要考虑到气载放射性包容与通风净化系统的可靠性(如风机的冗余设置等)。

1.2 包容策略

根据相关标准[3-4],防止放射性物质扩散的基本原则如下:

1) 在正常情况下,限制放射性物质的释放,使其达到合理可行尽量低的水平,同时也要降低核设施内的污染水平;

2) 在事故工况下,将对环境和工作人员的放射性危害影响限制在可接受的水平。

为落实上述原则,需要在环境和放射性物质之间设置必要的包容系统,每个包容系统及其相关装置的设计应与其所要控制的风险特点相适应。该系统的目标是在任何情况下,包括在某些意外情况下(如受污染样品坠落等)保持受污染区域与外部环境之间至少设有一道有效隔离和有效过滤的措施,并在所有情况下将对工作人员和环境的放射性影响限制在可接受的水平。

核设施退役阶段作业区放射性包容措施包括静态和/或动态包容,动态包容一般作为静态包容的增强措施。

静态包容可通过不同手段来保证:厂房刚性墙体、柔性墙体、金属板材、工艺密封箱箱体等。静态包容的设计质量,尤其是根据潜在风险而确定的密封性对承担动态包容功能的通风系统有重要的影响。在确定静态包容时要考虑的具体因素包括:最大居留人数、操作活动的性质与时间、临时贮存需求、材料设备和/或废物的搬运、需要使用的工具和设备等。

动态包容一般由通风系统实现,通风系统设计见第3章。为了确保核设施在运行工况下动态包容功能的可靠性,应在设计阶段就确定相关的基准,并考虑下列因素的影响:

1) 各种可预测的短时间干扰,如气闸室的开口或通风系统运行工况的变化;

2) 厂房正面(有偶然或临时开口)和通风系统进气口处的风速;

3) 厂房与外部之间及厂房内部房间之间的温度差;

4) 与通风系统有关的运行及调节的不确定性(如测量设备的精度、监测和控制设备响应时间、通风设备功能特征的偏差等)。

对于退役阶段作业区实施现场放射性包容时,可能存在下述2种情况:

1) 位于“现有包容设施”(核设施既有的或根据特定需求现场设置的包容系统)之内的现场放射性包容;

2) 位于任何“现有包容设施”之外的现场放射性包容。

现场包容设施包括包容屏障(如墙体)、通风管道及过滤装置等。对于情况1),现场包容设施的目标是尽可能避免包容设施内的放射性物质释放到无授权或未采取辐射防护措施的人员可达区域内。“既有包容系统”的目的是防止在现场包容设施失效的情况下将放射性污染释放到厂房之外。对于情况2),现场包容设施主要用于防止放射性污染物向设施外释放,以便为环境和公众提供保护。

除设置工作点现场放射性包容设施外,根据放射性危害风险,可能需要在靠近放射性物质扩散风险点的位置设置附加包容设施,如气密袋、通风式气密袋、污染源处动态排气等。各类型包容设施构成见图1。

图1 不同类型包容设施构成示意图

退役核设施作业区所需的包容系统数量应通过风险评估,考虑根据与作业材料有关的潜在事故后果和频率、放射释放量、放射性毒性和潜在弥散特性等综合确定。

2 包容系统设计准则

2.1 包容区域分类

从事放射性工作的区域通常应按照直接辐射(外部暴露)和表面潜在污染和/或空气污染(内部照射)水平进行分类。在有射线直接照射危险的情况下,应按相关国家标准的规定进行辐射工作场所分区,如非限制区、监督区、控制区和禁止区[5]。为了合理开展包容系统设计,应根据正常的或者可预见事件的放射性污染水平确定包容区域的分类,除了反应堆核设施主安全壳外,世界范围内核设施大部分都使用4～5级分类[6],包容区域各级分类说明见表1。需要注意的是,包容区域分类的概念与设计阶段所考虑的包容区域内操作活动相关,如果这些活动在实际现场发生变化,则应进行评估,并在可能的情况下修改包容区域的设计。

表1 放射性包容区域常见分类

2.2 性能准则

在确定包容系统设计准则时,需要在第1章风险分析方法的基础上,结合包容区域类型、静态包容与动态包容的设计考虑因素合理评估设计准则,以放射性问题为基础的包容系统准则通用评估方法见图2。

图2 以放射性风险为基础的包容准则确定方法示意图

核设施现场包容系统的数量与包容区域的类型及包容系统所需实现的目标密切相关,推荐的包容系统数量见表2。

表2 包容系统常用数量推荐 个

不同包容设施的动态包容准则与包容区域类型、包容系统数量有关,推荐的气流流向、风速、负压准则见表3。

表3 放射性包容区域负压准则

为保证包容区域的清洁水平,需保证适宜的通风换气次数,通风换气次数可根据包容区域放射性水平、包容设施的大小、使用设备的类型来确定,现场包容设施中常用的换气次数为1～30 h-1。不同包容区域类型推荐换气次数见表4。换气次数需要结合具体情况分析,对于空间大的包容设施(例如体积>3 000 m3)或正常运行时气载污染水平极低的区域,换气次数低于1 h-1是可能的。另外,通风换气也需要适应作业区的工艺需求,例如使用热点切割技术的区域,可能需要较高换气次数,以保持室内的热环境并减少可能产生的烟气聚集。

表4 不同类型包容区域推荐的换气次数

3 通风及空气净化系统设计

对于现场包容设施,一般不需要专门设置通风送风管网,包容设施泄漏会形成进风口,不同现场包容设施之间的转送风也应尽量少使用。但对于相对密封的小室(比如泄漏率低于0.1 h-1换气次数),则可能需要考虑设置进风口,此时进风宜设置粗效过滤器,减少空气中的粉尘,保护环境及延长过滤器的寿命。

排风净化装置的设置与包容区域类型有关,对于D1或D2区域的排风至少经过一级高效空气(HEPA)过滤器过滤后排放;D3或D4区域排气可能需要多级HEPA过滤器过滤后再通过烟囱排出。关于排风空气净化,设计时需考虑以下几点:

1) 排放前的HEPA过滤器为末级过滤装置;

2) 过滤器应安装在排风机上游;

3) 建议在所有产生大量粉尘区域的排风HEPA过滤器上游设置预过滤器;

4) 对所有存在火花风险的现场,建议在首级过滤装置上游安装火花熄灭器;

5) 如果存在HEPA过滤器无法有效过滤的大量核素(如碘、氚、碳、气态铯),则需额外设置特定的空气净化装置,例如,活性炭碘过滤器、气体吸附系统、洗涤塔等,作为HEPA过滤器的补充。

各类型包容区域推荐的通风及净化装置配置示例见图3,图中系统均带粗效过滤器(图中未标出)。

1.HEPA过滤器(可选);2.HEPA过滤器;3.风机;4.进风口;5.末级HEPA过滤器;6.排气烟囱。aD1

4 结束语

在开展现场工作区放射性包容与通风净化系统设计时,需要开展包括放射性风险在内的各类风险评估,结合既有包容设施,合理确定系统设计准则及应对措施。本文研究确定的核设施退役阶段作业现场的气载放射性包容与通风净化系统设计总体原则、设计方法、性能准则及推荐方案,可为核设施退役设计提供参考。