全洗涤器过滤排放系统的初步分析报告——法国电力公司

1.初期要求

在对WASH 1400报告［12］以及对三哩岛可能出现的大量事故和多种严重事故情形进行分析后，1986年7月法国采纳了对所有在运压水堆（900 MWe、1300 MWe和1450 MWe（译者注：MWe指电功率，是核电中常用的功率单位。）压水堆）安装过滤排放系统的方案。这些分析结果表明，在某些工况下，由于事故过程中压力容器内和压力容器外产生了蒸汽和不凝结气体，安全壳内的压力逐渐增大，这一现象可能最终威胁安全壳的密封性和结构完整性。因此，一个与安全壳过滤排放系统相关，命名为U5的最终操作程序被启用。其主要目的如下：

（1）保持安全壳压力低于其设计值，通过允许计划性的物质释放来保持安全壳的密封性和完整性（纵深防御的一部分）；

（2）采用一个粗略且简单的过滤器，使相关的放射性物质的排放达到符合厂外应急计划的水平。

以下与安全壳过滤排放系统有关的要求由法国安全机构首次提出：

无论何时发生堆芯熔化，向环境中释放放射性物质都必须符合厂外应急计划的可行性；这就意味着对一些假想但可预见的情况来说，必须采取预防措施来延迟和防止安全壳破损；基于这一原因，法国制定了U2、U4和U5最终操作程序，其中U5为通过过滤系统进行安全壳排放^[1]。

现有的安全壳排放系统设计与下面规范基本一致（参看附录A）：

（1）事故发生后，在安全壳排放系统开启前，最少应考虑有24 h延迟。延迟使得安全壳中悬浮的放射性物质浓度充分减小，并提供一段时间为人群提供与使用安全壳过滤排放系统后的放射性释放水平相适应的保护措施（预防性疏散和庇护），最终恢复备用的安全壳散热装置。

（2）当安全壳压力逐步上升至设计压力时，由公共安全主管当局决定是否手动开启系统。

（3）排放速率应允许保持（并最终降低）安全壳压力低于其设计值。

（4）基于在20世纪70年代后期对几个典型的偶然事故（尤其是在Wash 1400报告中研究的情形）进行的分析，得到了用于安全壳过滤排放系统设计的安全壳参考条件：

①安全壳压力为5 bar（临近安全壳的设计压力）^[2]；

②安全壳温度为140℃（413 K）；

③气体通过安全壳过滤排放系统的流动速率是3.5 kg/s；流动速率必须足够大以确保系统开启后，安全壳压力不会超过设计压力；

④安全壳内气体组成为33%空气、29%蒸汽、33%二氧化碳和5%一氧化碳，在安全壳过滤排放系统管道中氢积聚问题的风险有待以后解决；

⑤密度为4 kg/m3；

⑥气溶胶空气动力质量中位直径为5μm，质量浓度水平为0.1 g/m3。

（5）最小的过滤效率标准：气溶胶的最低去污因子为10，目的是将释放的放射性物质降低到与厂外应急计划相适应的水平（惰性气体暂不考虑）。

2.安装安全壳过滤排放系统的附加要求（20世纪80年代中期至90年代中期）

在决定安装安全壳过滤排放系统后，法国核电站进行了更多详细的研究，以评估安全壳过滤排放系统中的氢燃烧风险和砂床过滤器中捕获的放射性气溶胶所引起的高放射性水平风险（限制了使用安全壳过滤排放系统后对工厂现场进行干预的可能性）。这些研究产生了一些其他要求，要求改进安全壳过滤排放系统来限制风险。

在安全壳过滤排放系统管道中，为防止蒸汽在安全壳过滤排放系统运行期间发生冷凝采取了改进措施。这一措施通过安装电力系统装置实现，在打开安全壳过滤排放系统之前，加热流过安全壳过滤排放系统管道的流体和管道表面。如果安全壳过滤排放系统管道在刚打开时是冷的，将发生蒸汽冷凝并且导致氢气体积份额增大，增大氢燃烧的风险。

值得一提的是，在2007年，所有的法国压水堆安全壳都装配了非能动自催化复合剂来降低安全壳中氢燃烧的风险，这也大大有助于降低安全壳过滤排放系统中的氢燃烧风险，因为非能动自催化复合剂与氢的催化反应消耗了安全壳中的氧气，使得氢气无法燃烧。

在反应堆厂房的安全壳过滤排放系统管道入口处安装一个金属气溶胶过滤器装置，可降低砂床过滤器中的放射性气溶胶含量：

（1）降低砂床过滤器的辐射剂量率，减少安装过滤器的建筑物屋顶的“天光效应”；

（2）降低由于余热而导致的砂床过滤器温度的上升；

（3）如果金属过滤器发生阻塞，安装的金属过滤器的旁路管道会接入安全壳过滤排放系统以使系统不间断运行。

虽然法国安全部门对安全壳过滤排放系统的去污因子没有特别的要求，但仍有大量工作需要通过有效且全尺寸规模的试验来确定金属砂床过滤器对气溶胶和分子碘的过滤能力。对于完全开启的安全壳过滤排放系统，气溶胶和分子碘的去污因子分别是1000和10（没有考虑有机碘过滤）；金属过滤器有助于使安全壳过滤排放系统对气溶胶的去污因子提高一个数量级。

3.900 MWe压水堆第三次电站安全评估期间额外的要求检查（2003—2008）

在法国，所有的压水堆核电站每10年进行一次定期安全审查。定期安全检查的耗时可能超过五年。在通用评估后，针对定期安全检查期间出现的问题和一些具体的反应堆问题，基于定期安全检查的结果对反应堆进行更新。

900 MWe压水堆的第三次定期安全检查在2003年到2008年进行，安全检查包括严重事故问题的详细分析。分析结果表明，在严重事故期间，对于现在正在运行的安全壳过滤排放系统，碘的留存对事故结果有重要的影响（因为低估了留存在安全壳过滤排放系统中碘的量）。

基于研究机构审查及法国安全机构团体评估，法国安全机构要求法国电力公司“在2006年中期，如果U5使用安全壳过滤排放系统的话，则需要研究可行性措施，以降低分子碘或者有机碘的释放。”

法国电力公司在2006年提供了一个初步分析报告，分析报告指出洗涤器安全壳过滤排放系统可能对捕获碘更有效率。总结得出，在决定更新改进安全壳过滤排放系统之前，必须进行更多更有深度的研究。所以在900 MWe压水堆第三次定期安全检查框架下，没有做出更新安全壳过滤排放系统的决定。

4.与电站长期运行有关的其他要求（2011—2012）

在2009年，法国电力公司已经告知法国安全机构，其基于安全更新计划的法国压水堆核电站的长期运行计划。法国电力公司的目标是保证现存核电站正常运行60年。这导致法国电力公司对长期运行计划中的压水堆安全更新计划及电站老化管理计划进行了评估。

最初的压水堆安全更新计划主要包含电气系统改造和堆芯冷却系统改进。讨论的重点之一是严重事故管理计划，目标是接近二代和三代压水堆安全等级。

严重事故管理中，安全目标可概括如下。

（1）消除会导致大量物质（早期）释放的情况（这个目标适用于所有的定期安全检查）；(www.xing528.com)

（2）在长期运行阶段，尽可能降低事故的影响（这个目标与长期运行相联系）：

①提高安全壳过滤排放系统的过滤效率，尽可能减少放射性物质释放；

②在没有安全壳排放的情况下，研究可供选择的方案以移除反应堆余热；

③确定能够阻止安全壳底座渗透的措施。

5.福岛核事故后的额外要求（压力测试）（2011—2014）

步骤1：压力测试评估

福岛核事故后，在法国进行压力测试评估期间，安全壳过滤排放系统再次成为焦点。除了过滤效率和氢风险控制（以前讨论的）外，还评估了安全壳过滤排放系统的抗灾害能力，以及在多重机组事故和在反应堆中开启安全壳过滤排放系统后的现场管理。

基于核安全与辐射防护研究所的评估及由法国安全顾问集团的评估，法国安全部门定义了以下要求：

ECS-29：U5过滤排放系统的加强（“砂床过滤器”）。

在2013年12月31号之前，许可证持有者向法国安全机构提供U5过滤排放系统可以改进的方面的详细研究信息，主要考虑以下几点：

（1）抗灾害能力；

（2）氢燃烧风险控制^[3]；

（3）双堆同时使用时的过滤效率；

（4）裂变产物过滤能力，尤其是碘化合物；

（5）打开设备后可能产生的放射性污染，尤其是对当地可能产生的影响，以及对应急控制室的放射性污染。

福岛核事故后，人们注意到过滤效率是安全壳过滤排放系统必须要考虑的问题，还有应对危险情况的抗压性和最小化事故的能力。

步骤2：“核心”安全系统

在2012年，法国电力公司提出一套有限的强化系统（对外部灾害），该系统由IRSN评估并被提交到法国相关部门。最初法国电力公司提议将安全壳过滤排放系统作为最终移除安全壳热量的方法，在回路中强化注水，但这个解决方案被否定了。因为在蒸汽发生器冷却的情况下，堆芯熔化是难以预料的，而且这个事故管理策略不能保证第二道和第三道边界的完整性。

在2014年1月，法国安全部门提出了新的决议，以提高现存核电站的安全要求，根据福岛核事故后补充安全评估，确定安全“核心对策”。

保留的“核心情况”是外部危险（地震、洪水（包括高强度降雨）、极端风、闪电、冰雹和龙卷风），其严重程度高于安装设计的参考安全要求。“核心情况”涉及：

（1）完全丧失电力供应（除了“核心”供给）；

（2）完全丧失冷却剂（除了“核心”供给）；

（3）上面所列的外部灾害；

（4）在“核心”外部灾害后，由于设备移位、现场破坏及环境导致状况变差的情形。

对于“核心情况”，提出的相应对策如下：

（1）防止堆芯熔化事故或者限制其发展；

（2）限制大量的放射性物质释放；

（3）允许电站操作员手动操作，确保其在危机管理中的功能。

“严重堆芯事故”发生时，对于安全壳隔离和安全壳旁路不可用的情况，应有相应的措施，限制大量的放射性物质释放。在安全壳过滤排放系统没有打开的情况下应当考虑堆芯完全熔化，以及在严重堆芯事故情形下发生管道破裂的事故。这些措施的目的在于保证安全壳完整性。法国电力公司根据2014年12月31号的对策，允许在不打开安全壳过滤排放系统的情况下排出剩余热量，以应对“核心情况”。

2014年的情形如下。

当前法国面临的主要挑战是，将长期运行要求和福岛核事故后制定的要求结合起来。

为了满足ECS-29和长期运行目标，法国电力公司在2013年12月提出：

（1）作为核心措施的一部分，通过一个专门的热槽用循环冷却水系统从安全壳中移除衰变热；

（2）加强法国核电站已安装安全壳过滤排放系统的抗地震能力^[4]；

（3）在1300 MWe和N4核电站中的地坑中安装顶端吊篮来保持池中pH值的稳定性（这一设备不需安装在银铟铬控制棒的反应堆中，因为含银颗粒会有效地捕获气态碘）。万一反应堆中的喷淋系统导致NaOH投放失败，这可能对来自池中的气态碘释放产生非常重要的影响。

根据最新的安全评估和研究结果（比如Phebus PF、ISTP、OECD/STEM和BIP项目）［13］，法国的焦点更多集中于留存气态碘的必要性，特别是留存有机碘及氧化钌的必要性，它们如果释放到环境中，可能导致长期和短期的影响。尽管当前没有决定是否采取必要措施来提高已安装安全壳过滤排放系统的过滤性能以及过滤性能应达到什么水平，但法国相关部门、法国电力公司、放射性原子能机构、阿海珐集团正在进行与之相关的大型试验项目，此外，一些国际组织也正在参与由法国研究所领头的国际项目，如欧盟PASSAM和法国国家研究机构MIR项目［14］