張姍姍，付亞茹，孫大威，梅其良

(上海核工程研究設計院，上海200233)

事故下CAP1000核電廠主控室劑量特征研究

張姍姍，付亞茹，孫大威，梅其良

(上海核工程研究設計院，上海200233)

核電廠事故期間，為使主控室工作人員能夠堅守崗位緩解事故后果，必須保證主控室的可居留性。放射性水平作為主控室可居留性的重要考慮因素，主控室人員接受的劑量必須滿足相關標準導則的要求。本文以彈棒事故為參考工況，對事故情況下主控室的劑量特征進行了分析，給出了不同通風模式下的劑量結果，不同釋放途徑和不同核素組對劑量的貢獻，以及劑量隨時間的變化情況。針對CAP1000主控室非能動應急可居留系統(tǒng)設計，對該系統(tǒng)關鍵參數(shù)對劑量影響的敏感性進行了分析。研究結果為進一步深化事故后主控室劑量分析和可居留性優(yōu)化改進提供了支持。

CAP1000；設計基準事故；主控室；劑量分析；可居留性

核電廠事故期間，為使主控室工作人員能夠堅守崗位緩解事故后果，必須保證主控室有一定的可居留性。放射性水平是主控室可居留性的重要考慮因素，主控室工作人員接受的劑量必須滿足相關法規(guī)的要求。

CAP1000非能動核電廠主控室設計有其自身的特點，同其他類型的電廠相比，除了傳統(tǒng)的能動通風系統(tǒng)外，還配備了非能動的應急可居留系統(tǒng)(VES)。在事故情況下，該系統(tǒng)能夠在72h內不依賴廠內外交流電源、運行人員干預和能動部件保持主控室的密封性，防止放射性物質漏入主控室并創(chuàng)造運行人員居留的環(huán)境條件。

本文針對CAP1000非能動核電廠主控室的設計特點，分析了事故工況下主控室的劑量特征。給出了不同通風模式下的劑量結果，不同釋放途徑和不同核素組對劑量的貢獻，以及劑量隨時間的變化情況。最后，針對CAP1000非能動主控室非能動應急可居留系統(tǒng)設計特點，對該系統(tǒng)關鍵參數(shù)對劑量影響的敏感性進行了分析。

1 分析方法

1.1 事故選擇

本文在進行主控室劑量特征研究時，選擇彈棒事故作為參考工況。因為該事故在放射性釋放途徑、放射性來源和持續(xù)時間方面具有一定的代表性：釋放途徑既有安全殼泄漏釋放，又有一次側閃蒸和二次側蒸汽釋放，是7類設計基準事故中釋放途徑最多樣的事故，可以提供不同釋放途徑對主控室劑量影響分析的條件；放射性來源多樣，包括冷卻劑放射性、間隙中的放射性和熔化燃料的放射性，可以提供不同釋放途徑對主控室劑量影響的分析的條件；該事故持續(xù)時間為30天，可以很好地滿足對主控室劑量特征分析的時間步長要求。

1.2 主控室通風模式

在CAP1000非能動核電廠正常運行情況下，主控室通風采用核島非放射性通風系統(tǒng)(VBS)正常運行模式，從外界環(huán)境中吸入新風。在發(fā)生事故產生放射性泄漏的情況下，有兩種通風模式，一種是能動的VBS新風過濾模式，另一種為非能動的VES模式。其中VBS新風過濾模式是將環(huán)境中吸入新風經過過濾后再進入主控室。VES系統(tǒng)是非能動電廠所特有的，通過空氣儲存罐持續(xù)72h為主控室提供潔凈的壓縮空氣。

1.3 劑量分析模型

本文通過構建主控室劑量分析模型，模擬了不同通風模式下，主控室從外環(huán)境吸風、新風過濾、壓縮空氣罐供風、內循環(huán)過濾、主控室排風等過程，分析了采取不同通風模式下主控室的劑量。主控室劑量分析模型如圖1所示。

圖1 主控室劑量分析模型Fig.1 Dose analysis model of MCR

主控室放射性后果分析得到的有效劑量(包括外照射有效劑量及內照射有效劑量)和甲狀腺劑量，計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：Dout——外照射有效劑量，Sv；

Din——內照射有效劑量，Sv；

DT——甲狀腺劑量，Sv；

V——主控室的容積，m3；

DCFi，out——核素i的外照射有效劑量轉換因子，(Sv·m3)/(Bq·s)；

IARi，j——在時間段j內累積的放射性總量，(Bq·s)/m3；

Oj——時間段j內操縱員在主控室內的居留因子；

DCFi，in——核素i的內照射有效劑量轉換因子，Sv/Bq；

BRj——時間段j內工作人員的呼吸率，m3/s；

DCFi，T——核素i的甲狀腺劑量轉換因子，Sv/Bq。

1.4 大氣彌散因子

本文在分析事故后主控室劑量時，考慮放射性物質從源釋放到環(huán)境后的大氣彌散過程，需要大氣彌散因子作為輸入。放射性釋放點包括安全殼和二次側大氣釋放閥，放射性進入主控室的接收點包括主控室采暖、通風與空調系統(tǒng)(HVAC)吸風口和附屬廠房出入口。根據(jù)CAP1000主控室的設計，在VBS正常運行和新風過濾模式時，采用HVAC吸風口處的大氣彌散因子；當VES模式時，采用附屬廠房出入口處的大氣彌散因子。

2 劑量結果分析

2.1 不同通風方式的劑量結果

彈棒事故發(fā)生后30天，主控室在不同通風模式下的累積劑量結果見表1，包括內照射有效劑量、外照射有效劑量、有效劑量(為內照射劑量和外照射劑量之和)和甲狀腺劑量。

表1 主控室劑量結果Table 1 Dose results of MCR

由表1可見，與HAD 002/01-2010[1]的驗收準則相比，VES模式和VBS新風過濾模式下，主控室的劑量可以滿足驗收準則的要求，而在正常通風模式下則無法滿足。VES模式和VBS新風過濾模式相比正常通風模式，有效劑量分別減少了95%和97%，甲狀腺劑量分別減少了94%和97%，事故模式下的通風模式可以顯著的降低主控室人員的劑量水平。同時可以看出，三種通風模式下，內照射占有效劑量的比例分別為95%、82%和99%，內照射是有效劑量的主要貢獻者，而外照射造成的貢獻相對較小。

2.2 劑量隨時間的變化

彈棒事故發(fā)生后初始時刻到事故后30天，主控室在不同的通風模式下的劑量隨時間的變化見圖2。

圖2 劑量隨時間的變化Fig.2 Dose trend with time

事故發(fā)生后的前24h劑量增加非常迅速，24h之后到30天變化趨緩，三種模式變化都小于4%。事故發(fā)生后的最初24h，是主控室劑量大小的決定時期，該段時間進入到主控室的放射性是造成主控室劑量的關鍵來源。劑量隨時間的變化趨勢與通風模式關系不大，不管采用何種通風模式，劑量均在24h臨近最大值。

3 劑量的主要組成

3.1 不同途徑的貢獻

彈棒事故發(fā)生時，放射性泄漏途徑主要包括三個：安全殼泄漏、閃蒸釋放和二次側蒸汽釋放。其中，安全殼的泄漏率在事故開始前24h為0.1%安全殼容積/天，24h到30天泄漏率減半[2]。分析閃蒸釋放和二次側蒸汽釋放時，閃蒸流量和蒸汽流量根據(jù)熱工水力分析結果并保守取值后得到。三種途徑對有效劑量的貢獻如圖3所示。

圖3 不同釋放途徑對有效劑量的貢獻Fig.3 Dose contribution of different release paths

由圖3可見，對于VES模式和VBS新風過濾模式，閃蒸是主控室劑量的主要貢獻者，占總劑量的56%和54%；其次是安全殼泄漏的貢獻，兩種模式的劑量貢獻都為42%；二次側蒸汽釋放的劑量貢獻很小，都小于5%。閃蒸主要發(fā)生在事故開始的前0.5h，由此可以看出，雖然彈棒事故的放射性釋放時間持續(xù)30天，但是隨著事故后VES模式或VBS補充過濾模式的投入運行，有效阻止了后續(xù)主控室放射性的進入，并將主控室內空氣進行了內循環(huán)凈化，降低了事故后期劑量的貢獻，事故早期的放射性釋放是造成主控室劑量的關鍵因素。

對于正常通風模式，安全殼泄漏成為主要的劑量貢獻者，占總劑量的79%；其次為閃蒸，占總劑量的19%；二次側蒸汽釋放貢獻很小，僅為2%。由于該模式是正常運行情況下主控室采用的通風策略，因此不能阻止事故后放射性進入主控室，也沒有內循環(huán)去除機制，在事故持續(xù)的30天內，一直有放射性進入到主控室中，對其中的人員產生照射劑量。由于安全殼泄漏持續(xù)的時間很長，為30天，而閃蒸和二次側蒸汽釋放時間相對較短，僅為0.5h，安全殼泄漏成為劑量的主要貢獻者。

3.2 不同核素的貢獻

彈棒事故釋放到環(huán)境的放射性核素主要包括三組：碘、惰性氣體和堿金屬。三組核素對有效劑量的貢獻如圖4所示。

圖4 不同核素組對劑量的貢獻Fig.4 Dose contribution of different nuclide groups

由圖4可見，對于VES模式，放射性碘是主控室劑量的主要貢獻者，占總劑量的83%；其次為堿金屬，占總劑量的12%；惰性氣體對總劑量的貢獻較小，為5%。對于VBS新風過濾模式，放射性碘也是劑量的主要貢獻者，占總劑量的72%；但與VES模式不同的是，惰性氣體的貢獻大于堿金屬。主要原因是VES模式下，新風靠壓縮空氣罐提供，而非從環(huán)境中獲得，因此新風是干凈的，沒有放射性污染。而VBS新風過濾模式下，新風從環(huán)境中獲得，雖然吸入的新風進過了過濾凈化，但是主要是針對其中的放射性碘和粒子，惰性氣體不能得到去除和凈化，因此相對VES模式而言，VBS新風過濾模式的惰性氣體對劑量的貢獻較大。

對于VBS正常通風模式，放射性碘對劑量的貢獻為78%，其次為堿金屬為21%，惰性氣體的貢獻很小為1%。由于該模式是正常運行情況下主控室采用的通風策略，不能阻止事故后放射性進入主控室，也沒有內循環(huán)去除機制，因此各類核素的貢獻與其自身的釋放量和劑量效果密切相關。由于放射性碘和堿金屬可以造成外照射有效劑量和內照射有效劑量，惰性氣體僅造成外照射有效劑量，而根據(jù)2.1節(jié)的分析，內照射有效劑量是有效劑量的主要貢獻者，因此該模式下惰性氣體對有效劑量的貢獻就相對較小了。

4 應急可居留系統(tǒng)設計對劑量影響的敏感性

VES系統(tǒng)是非能動電廠所特有的非能動應急可居留系統(tǒng)，包括32個空氣儲存罐，可以以60cfm的流量持續(xù)72h為主控室供氣，保持主控室的輕微的正壓，防止未過濾的污染氣體進入主控室。同時壓縮空氣誘導主控室室內氣流經非能動過濾機組，經過濾后送至主控室。當事故發(fā)生產生放射性泄漏，主控室內放射性達到一定的水平時，VES系統(tǒng)啟動，防止氣載放射性進入主控室。以下將對氣罐儲氣量、內循環(huán)風量、輔助風機風量、VES模式切換前新風量、非過濾滲入率等參數(shù)，對該系統(tǒng)設計對劑量的敏感性進行分析。

4.1 VES氣罐流量

本文分別分析了儲氣罐流量為60cfm(CAP1000設計值)、90cfm和120cfm的情況下，主控室的劑量后果，如圖5所示。

圖5 VES氣罐流量的敏感性分析Fig.5 Sensitivity analysis of VES bottled air flow rate

由圖5可見，儲氣罐流量為60cfm、90cfm和120cfm時，事故后30天的主控室劑量分別為5.86mSv、5.44mSv和5.08mSv，隨著流量的增加，主控室的劑量有所降低。這主要是由于在進入主控室污染空氣量不變的情況下，流量的增加使主控室排出的空氣量有所增加，一定程度上對主控室內空氣起到了凈化稀釋的效果。當流量分別增加為原來的1.5倍和2倍時，劑量分別減為原值的93%和87%，隨著流量的增加，劑量減少的非常緩慢。因此，儲氣罐流量對劑量的敏感性比較低，不宜采取提高流量的方式來降低主控室的劑量。

4.2 VES內循環(huán)風量

本文分別分析了內循環(huán)過濾流量為600cfm(CAP1000設計值)、900cfm和1200cfm的情況下，主控室的劑量后果，見圖6。

圖6 VES內循環(huán)風量的敏感性分析Fig.6 Sensitivity analysis of VES filtered recirculation air flow rate

由圖6可見，內循環(huán)過濾流量分別為600cfm、900cfm和1200cfm時，事故后30天的主控室劑量分別為5.86mSv、4.39mSv和3.56mSv，隨著內循環(huán)流量的增加，主控室的劑量有所降低。這主要是由于內循環(huán)過濾可以將進入主控室的放射性碘和粒子進行凈化，內循環(huán)過濾流量越大，相當于單位時間內可以凈化的主控室內空氣流越多，因此劑量隨著流量的增加而降低。當流量分別增加為原來的1.5倍和2倍時，劑量分別減為原值的75%和61%，劑量減少的較為顯著。因此，內循環(huán)過濾流量對劑量的敏感性較高，可以將提高內循環(huán)過濾流量作為降低主控室的劑量的一種選擇。

4.3 72h后輔助風機風量

VES開始運行后，空氣儲存罐儲以恒定流量持續(xù)72h為主控室供氣，72h以后主控室門打開，通過輔助風機向主控室引入新風，直到168h后VES恢復投入。本文分別分析了輔助風機流量為850cfm、1700cfm(CAP1000設計值)和2550cfm的情況下，主控室的劑量后果，如圖7所示。

圖7 72 h后風量的敏感性分析Fig.7 Sensitivity analysis of flow rate after 72 h

由圖7可見，輔助風機流量分別為850cfm、1700cfm和2550cfm時，事故后30天的主控室劑量都為5.86mSv，隨著流量的增加，主控室的劑量基本沒有變化。其主要原因是由于，事故發(fā)生后24h放射性的進入是造成主控室劑量的關鍵來源，而輔助風機在VES模式運行72h后才使用，已錯過了事故開始的24h，因此輔助風機流量與劑量敏感性很低，不宜采取改變輔助流量的方式來降低主控室的劑量。

4.4 VES模式切換前吸風量

當主控室通風系統(tǒng)檢測到主控室中空氣放射性達到高位整定值，觸發(fā)VES模式啟動信號，再經過信號傳輸和系統(tǒng)動作延遲時間，完成VBS正常運行模式向VES模式的切換。對于釋放到環(huán)境中的放射性相同的情況下，切換到VES模式前不同的吸風量將導致進入主控室的放射性量不同。本文分別分析了VES模式切換前流量為650cfm、1040cfm、1300cfm(CAP1000設計值)和1560cfm的情況下，主控室的劑量后果，如圖8所示。

圖8 VES切換前風量的敏感性分析Fig.8 Sensitivity analysis of flow rate before transition to VES

由圖8可見，VES模式切換前流量為650cfm、1040cfm、1300cfm和1560cfm時，事故后30天的主控室劑量分別為4.05mSv、5.14mSv、5.86mSv、6.70mSv，隨著流量的增加，主控室劑量有所增加。吸風量分別為設計值的0.5倍、0.8倍和1.2倍時，劑量分別為設計值的69%、88%和114%。其原因主要是因為，雖然VES模式切換前流量越大，進入主控室的放射性越多，達到高位整定值的時間越短，但是信號產生時間與系統(tǒng)動作延遲相比是很小的，切換時間主要受到延遲時間的影響。因此切換前不同流量情況下實際切換到VES模式的時間相差并不大，而進入到主控室的放射性卻與流量密切相關，切換前流量越大，進入的放射性量越多，因此切換前吸風流量越大，主控室劑量也就越大。由此可見，VES模式切換前流量對劑量的敏感性較高，可以將降低該流量作為降低主控室的劑量的一種選擇。

4.5 非過濾滲入率

由于人員進出主控室，以及主控室壓力邊界存在一定的泄漏，外界環(huán)境中的氣載放射性可以通過非過濾滲入的方式進入主控室。該滲漏率與主控室的設計和施工質量密切相關。本文分別分析了非過濾泄漏率為10cfm、15cfm(CAP1000設計值)和20cfm的情況下，主控室的劑量后果，如圖9所示。

圖9 非過濾滲入率的敏感性分析Fig.9 Sensitivity analysis of unfiltered inleakage flow rate

由圖9可見，VES模式下非過濾泄漏率為10cfm、15cfm和20cfm時，事故后30天的主控室劑量分別為5.41mSv、5.86mSv、6.31mSv，隨著非過濾滲入率的增加，主控室劑量有所增加。根據(jù)參考文獻[3]，約30%的獲得許可的電廠在1991—2001年間進行的壓力邊界完整性實驗中，除一個電廠之外其余全部的實測泄漏率大于設計值，部分電廠的實測值甚至比設計值大幾個數(shù)量級。因此，雖然劑量增加速度隨非過濾滲入率的增加不是很快，但是在主控室設計中必須考慮非過濾滲入對主控室劑量的影響，并嚴格控制施工質量，建成后進行泄漏率實測，以驗證設計值是否合理。

5 結語

本文根據(jù)CAP1000非能動核電廠主控室的設計特點，選擇彈棒事故作為參考事故工況，對主控室劑量特征進行了分析，主要結論如下：事故情況下，內照射是主控室人員劑量的主要貢獻者；事故后24h主控室劑量接近最大值，該段時間進入的放射性物質是造成主控室劑量的關鍵來源；對于不同的通風模式，對劑量有主要貢獻的釋放途徑和核素不同；VES模式下，氣罐儲氣量和輔助風機風量對劑量的敏感性比較低，不宜通過調整這兩個參數(shù)來降低主控室的劑量，而內循環(huán)風量和VES模式切換前新風量對劑量的敏感性較高，可以通過調整這兩個參數(shù)來達到主控室劑量降低的目的，并且主控室劑量分析中必須考慮非過濾滲入率的影響。

[1] 國家核安全局. HAD 002/01-2010. 核動力廠營運單位的應急準備和應急響應[S]. 北京， 2010.

[2] U.S. Nuclear Regulatory Commission. RG 1.183. Alternative Radiological Source Terms for Evaluating Design Basis Accidents at Nuclear Power Reactors [S]. Washington， DC， 2000.

[3] U.S. Nuclear Regulatory Commission. RG 1.196. Control Room Habitability at Light-Water Nuclear Power Reactors [S]. Washington， DC， 2007.

Study on Dose Characteristics of CAP1000 Main Control Room in Accident Condition

ZHANG Shan-shan， FU Ya-ru， SUN Da-wei， MEI Qi-liang

(Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute， Shanghai 200233， China)

In order to keep workers stay in main control room(MCR) and take emergency measures to relieve accident under accident conditions at nuclear power plants，main control room must be habitable. Because radiation level is important for habitability， the receiving radiation dose of workers must be within the limits of the regulations. This paper analyzes the dose characteristics of MCR under ejection rod accident as an example， explains the dose results of different ventilation modes， the dose contribution of different release paths and nuclide groups， and the dose trend with time. Sensitivity analysis of dose affected by the VES design parameters are performed based on the design characteristics of CAP1000. The result of this paper sustains the further dose analysis and habitability improvement of MCR.

CAP1000； Design basis accident (DBA)； Main control room(MCR)； Dose analysis； Habitability

2016-11-19

國家科技重大專項課題(2013ZX06004-008)

張姍姍(1984—)，女，山東人，工程師，碩士，現(xiàn)從事事故放射性后果分析工作

TL48

A 文章編號：0258-0918(2017)01-0094-07