吳楠　劉新建

【摘 要】為了增加核電廠對(duì)事故工況下反應(yīng)堆的控制能力，緩解事故造成的影響，主控室在設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行的過(guò)程中需要對(duì)可居留性進(jìn)行充分評(píng)價(jià)。本文結(jié)合目前我國(guó)主控室可居留性評(píng)價(jià)中遇到的一些問(wèn)題，從精細(xì)流場(chǎng)模擬、非過(guò)濾泄漏評(píng)估、事故新風(fēng)量敏感性分析及非放射性事故的可居留性評(píng)價(jià)等方面，對(duì)主控室可居留性評(píng)價(jià)的相關(guān)研究?jī)?nèi)容進(jìn)行了闡述并提出了初步研究思路，以進(jìn)一步指導(dǎo)主控室可居留系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，增強(qiáng)主控室在事故工況下的可居留性。

【關(guān)鍵詞】主控室；可居留性；計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)

0 引言

主控室是核電廠正常運(yùn)行和事故工況下實(shí)施控制的中心，也是應(yīng)急響應(yīng)期間運(yùn)行控制組的工作場(chǎng)所，能夠集中監(jiān)測(cè)并控制電廠的運(yùn)行狀態(tài)和事故狀態(tài)，提供電廠運(yùn)行參數(shù)，并在事故應(yīng)急響應(yīng)期間對(duì)事故工況進(jìn)行診斷、分析和預(yù)測(cè)，采取控制措施緩解事故或使電廠恢復(fù)到安全狀態(tài)[1]。作為核電廠的主要應(yīng)急設(shè)施之一，主控室應(yīng)通過(guò)屏蔽和通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)保證工作人員的可居留性，防止事故工況下形成的過(guò)量照射或有毒有害物質(zhì)威脅工作人員的健康和安全。

為了增加核電廠對(duì)事故工況下，特別是嚴(yán)重事故工況下反應(yīng)堆的控制能力，緩解事故造成的影響，主控室在設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行的過(guò)程中需要對(duì)可居留性進(jìn)行充分評(píng)價(jià)，論證其是否滿足相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的要求，并為主控室可居留系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供指導(dǎo)。鑒于此，本文結(jié)合當(dāng)前主控室可居留性評(píng)價(jià)中所面臨的問(wèn)題，對(duì)可居留性評(píng)價(jià)的相關(guān)研究?jī)?nèi)容進(jìn)行了歸納總結(jié)，以進(jìn)一步推動(dòng)主控室可居留系統(tǒng)和主控室設(shè)計(jì)水平的提升，提高設(shè)施應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害、有毒有害氣體和放射性釋放的能力。

1 精細(xì)流場(chǎng)模擬研究

主控室可居留性評(píng)價(jià)中，能否準(zhǔn)確描述放射性核素或其他有毒有害物質(zhì)向主控室的遷移擴(kuò)散過(guò)程對(duì)于評(píng)價(jià)主控室內(nèi)污染物的濃度特征有著重要的影響。目前可居留性評(píng)價(jià)中采用大氣彌散因子對(duì)這一過(guò)程進(jìn)行定量描述。我國(guó)主要采用美國(guó)核管會(huì)（NRC）推薦的方法開(kāi)展主控室大氣彌散因子計(jì)算，先后經(jīng)歷了墨菲-坎普模型[2]、基于統(tǒng)計(jì)學(xué)方法的新尾流模式和組合尾流模式[3]，以及基于直線高斯煙羽模型的ARCON95[4]與ARCON96模型。其中，ARCON96模型由于通過(guò)場(chǎng)地實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)擴(kuò)散參數(shù)進(jìn)行了修正，對(duì)靜風(fēng)條件與近距離處的大氣彌散因子的估計(jì)比以往計(jì)算模型更貼近實(shí)際[5]，該模型已經(jīng)逐漸成為我國(guó)主控室大氣彌散因子計(jì)算的主流工具。

盡管ARCON96模型應(yīng)用簡(jiǎn)單，但由于高斯模式不能很好的解釋風(fēng)同建筑物、地形相互作用所產(chǎn)生的湍流擴(kuò)散過(guò)程，以及風(fēng)同釋放物質(zhì)流相互作用引起的湍流混合過(guò)程[6]，其應(yīng)用將受到地形、風(fēng)流場(chǎng)狀態(tài)的限制，在處理小尺度范圍的大氣彌散問(wèn)題，以及用于復(fù)雜地形和小靜風(fēng)等特殊的氣象條件時(shí)，其準(zhǔn)確性仍將難以保證。此外，基于高斯模式的大氣彌散計(jì)算方法不能模擬釋放物質(zhì)流在主控室內(nèi)部的擴(kuò)散遷移過(guò)程，無(wú)法對(duì)其由室外向室內(nèi)的遷移規(guī)律進(jìn)行研究。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)硬件資源的迅猛發(fā)展和數(shù)值計(jì)算技術(shù)的不斷進(jìn)步，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）數(shù)值模擬逐漸成為工程設(shè)計(jì)的重要輔助手段，在大氣彌散和污染物濃度計(jì)算等研究中得到了廣泛應(yīng)用。CFD數(shù)值計(jì)算方法提供了多種湍流模型，能夠較為細(xì)致的分析因地形、建筑物以及釋放物質(zhì)流引起的湍流擾動(dòng)作用，相比于高斯擴(kuò)散模式更適合于小尺度范圍內(nèi)的大氣彌散計(jì)算。

由于核電廠存在高大建筑物，其產(chǎn)生的湍流擾動(dòng)作用將對(duì)放射性核素或其他有毒有害物質(zhì)的大氣彌散產(chǎn)生一定程度的影響。若將CFD方法應(yīng)用于主控室可居留性評(píng)價(jià)中，則能夠?qū)穗姀S廠區(qū)的流場(chǎng)分布特征、釋放物質(zhì)流在建筑物尾流區(qū)域以及建筑物內(nèi)部的遷移擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行更為細(xì)致的計(jì)算分析，還可以模擬污染物通過(guò)應(yīng)急通風(fēng)系統(tǒng)以及非過(guò)濾泄漏途徑由室外向室內(nèi)的遷移過(guò)程，為主控室應(yīng)急通風(fēng)設(shè)計(jì)及通風(fēng)方案的優(yōu)化[7]提供更為有力的指導(dǎo)。

2 可居留區(qū)域內(nèi)的非過(guò)濾泄漏評(píng)估

為了保證主控室可居留區(qū)域邊界的密封性，防止外界污染空氣未經(jīng)過(guò)濾直接滲入可居留區(qū)域內(nèi)，主控室通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要使其維持一定的微正壓。盡管設(shè)計(jì)上能夠通過(guò)對(duì)可居留區(qū)域邊界建筑構(gòu)件和系統(tǒng)部件的密封、貫穿件的封堵以及應(yīng)急通風(fēng)過(guò)濾系統(tǒng)的嚴(yán)格布置來(lái)實(shí)現(xiàn)，然而實(shí)際上存在一些難以識(shí)別的加壓空氣流，導(dǎo)致小部分未經(jīng)過(guò)濾的污染空氣深入主控室可居留區(qū)域。同時(shí)，可居留區(qū)域邊界上出入門(mén)的開(kāi)關(guān)也將對(duì)可居留區(qū)域內(nèi)空氣的污染情況產(chǎn)生影響。

一般地，非過(guò)濾滲入量同可居留區(qū)域與其相鄰區(qū)域間的壓差緊密相關(guān)，也因滲入物質(zhì)種類的不同而有所差異，因此，非過(guò)濾泄漏的評(píng)估較為復(fù)雜也存在一定的不確定性。目前的可居留性評(píng)價(jià)中通常采用某一固定滲入量來(lái)考慮非過(guò)濾泄漏造成的影響。放射性事故下的可居留性評(píng)價(jià)經(jīng)驗(yàn)表明，采用標(biāo)準(zhǔn)推薦的固定泄漏量時(shí)，如SRP推薦的17m3/h[8]，某些情況下的評(píng)價(jià)將過(guò)于保守。因此，需要針對(duì)非過(guò)濾泄漏評(píng)估開(kāi)展深入研究，細(xì)致分析國(guó)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提供的泄漏評(píng)估方法，利用經(jīng)典的風(fēng)量滲漏模型評(píng)估整個(gè)可居留區(qū)域的密閉性，全面梳理可居留區(qū)域內(nèi)的貫穿件，估算可能產(chǎn)生的泄漏面積，并結(jié)合具體可居留區(qū)域布置結(jié)構(gòu)采用數(shù)值模擬手段研究泄漏量同泄漏面積及壓差間的關(guān)系，模擬開(kāi)關(guān)門(mén)操作的具體影響，從而更為準(zhǔn)確的評(píng)估可居留區(qū)域的非過(guò)濾泄漏量。在可能的條件下，還可開(kāi)展示蹤實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證模型的可靠性。

3 事故新風(fēng)量敏感性分析

事故工況下，除非過(guò)濾泄漏途徑外，室外污染空氣還將經(jīng)主控室通風(fēng)過(guò)濾系統(tǒng)凈化后作為補(bǔ)充新風(fēng)進(jìn)入主控室可居留區(qū)域內(nèi)。以放射性事故為例，主控室通風(fēng)過(guò)濾系統(tǒng)設(shè)置有預(yù)過(guò)濾、碘吸附和高效過(guò)濾三級(jí)凈化裝置，能夠去除大部分碘和氣溶膠，但無(wú)法過(guò)濾惰性氣體，因此經(jīng)過(guò)濾的新風(fēng)仍將對(duì)主控室可居留區(qū)域內(nèi)的工作人員產(chǎn)生輻照影響。除滿足儀表及人員的舒適度要求外，事故工況下主控室的新風(fēng)量應(yīng)保證可居留區(qū)域維持至少30Pa的微正壓[8-10]，并能保證可居留區(qū)域內(nèi)的放射性核素和其他有毒有害物質(zhì)對(duì)工作人員造成的輻射后果及其他影響不超過(guò)法規(guī)要求的限值，例如，《核動(dòng)力廠營(yíng)運(yùn)單位的應(yīng)急準(zhǔn)備與應(yīng)急響應(yīng)》（HAD002/01）中要求，在設(shè)定的持續(xù)應(yīng)急響應(yīng)期間內(nèi)（一般為30 d），主控室工作人員接受的有效劑量不大于50mSv，甲狀腺當(dāng)量劑量不大于500mGy[11]。

不難看出，事故新風(fēng)量的增加有助于維持可居留區(qū)域邊界的密封性，降低非過(guò)濾泄漏量，但也必然從環(huán)境中引入更多的污染空氣。就放射性事故而言，目前的可居留性評(píng)價(jià)沒(méi)有考慮非過(guò)濾泄漏同事故新風(fēng)量間的關(guān)系，而是采用固定泄漏量計(jì)算可居留區(qū)域內(nèi)工作人員的受照劑量。因此，對(duì)主控室事故新風(fēng)量開(kāi)展敏感性分析，在降低非過(guò)濾泄漏與減少可居留區(qū)域內(nèi)工作人員的輻射劑量或其他有毒有害影響間尋求平衡，也逐漸成為主控室可居留性評(píng)價(jià)的研究方向之一。研究中可以采用CFD數(shù)值模擬方法建立釋放物質(zhì)流向主控室可居留區(qū)域遷移擴(kuò)散的物理模型，在前述非過(guò)濾泄漏評(píng)估研究的基礎(chǔ)上，深入研究新風(fēng)量、泄漏量及污染物濃度三者間的關(guān)系，為主控室應(yīng)急通風(fēng)系統(tǒng)及可居留性的優(yōu)化提供技術(shù)支持。

4 非放射性事故工況下的可居留性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及方法研究

目前，我國(guó)核電廠主控室的可居留性評(píng)價(jià)主要針對(duì)放射性事故，已具備較為完整的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和較為成熟的評(píng)價(jià)方法。然而，對(duì)于火災(zāi)、爆炸及危險(xiǎn)化學(xué)品泄漏等非放射性事故條件下主控室的可居留性，目前僅有原則性要求，如《核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定》（HAF102-2004）中要求“必須采取適當(dāng)?shù)拇胧┖吞峁┳銐虻男畔⒈Ｗo(hù)控制室內(nèi)人員，防止事故工況下形成過(guò)量照射、放射性物質(zhì)釋放、爆炸性物質(zhì)或有毒氣體之類的險(xiǎn)情的繼發(fā)性危害，以保持其采取必要行動(dòng)的能力”[12]。同時(shí)，我國(guó)目前也缺乏非放射性事故可居留性評(píng)價(jià)的工具。

美國(guó)在非放射性可居留性評(píng)價(jià)方面起步較早，已經(jīng)形成了包括RG1.78[13]和RG1.95[14]在內(nèi)的一系列導(dǎo)則，并開(kāi)發(fā)了HABIT[15]等評(píng)價(jià)工具。隨著核電廠安全水平的不斷提高，發(fā)生較大規(guī)模放射性釋放的概率得以顯著降低。同時(shí)，國(guó)外的核電運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，非放射性事故的危害同樣不容忽視。因此，亟需開(kāi)展非放射性事故工況下主控室可居留性評(píng)價(jià)相關(guān)研究，在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上對(duì)國(guó)際上較為成熟的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行消化吸收，建立針對(duì)非放射性事故的可居留性評(píng)價(jià)準(zhǔn)則和評(píng)價(jià)方法。此外，基于核電廠內(nèi)主要危險(xiǎn)化學(xué)品的貯存情況，結(jié)合核電廠主控室的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，可以利用先進(jìn)的CFD工具，模擬非放射性事故下有毒有害物質(zhì)的遷移過(guò)程，并針對(duì)通風(fēng)量等影響主控室內(nèi)污染物濃度的關(guān)鍵因素開(kāi)展敏感性分析，從而對(duì)主控室的設(shè)計(jì)提出合理可行的優(yōu)化建議，增強(qiáng)主控室在不同事故情況下的可居留性。

5 結(jié)論

為推動(dòng)我國(guó)主控室可居留性系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平的提升，保證并維持主控室在事故工況下的可居留性，本文結(jié)合目前我國(guó)主控室可居留性評(píng)價(jià)中遇到的一些問(wèn)題，從精細(xì)流場(chǎng)模擬、非過(guò)濾泄漏評(píng)估、事故新風(fēng)量敏感性分析及非放射性事故的可居留性評(píng)價(jià)等四方面總結(jié)了主控室可居留性評(píng)價(jià)的研究方向，并簡(jiǎn)單闡述了各研究方向所涉及的研究?jī)?nèi)容及研究思路。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]