法国安全壳过滤排放系统技术说明附录

法国每个在运行的压水堆都安装了砂床过滤器安全壳排放系统。

A.1　安全壳过滤排放系统设计与合格性试验

在安装安全壳过滤排放系统之前，法国电力公司开展了一项研发项目，设计出主要基于大型砂床过滤器的安全壳过滤排放系统，这个砂床过滤器应当尽可能简单，而且其不能干扰其他的安全系统，除了管道贯穿件和相关的隔离阀外，不会引起安全壳隔离损坏的额外安全风险，而且应当以最小的电力消耗工作。

在20世纪80年代，试验项目由防护研究所主导，其与法国电力公司合作设计砂床过滤器，并评估过滤器在瞬态条件下的性能。

（1）PITEAS项目（1982—1986年）：

①在直径为20 cm、厚为80 cm的砂床过滤器上进行了小型的实验室试验；

②在直径为1 m、厚为80 cm的砂床过滤器上进行了更大范围的测试（1985—1986年）。

PITEAS项目的主要目的是确定沙子特性（粒径为0.6 mm，最大标准偏差为2）及穿过沙层的排气速率（小于14 cm/s，在7～14 cm/s的速率范围进行测试），确保满足过滤效率标准要求（对气溶胶的最小去污因子为10，过滤器内最大压力负荷为104Pa）。

（2）FUCHIA计划（1990年）：U5一级安全壳过滤排放降压系统没有预热系统和气溶胶过滤器。FUCHIA实验表明，当气体混合物流速在12 cm/s以下时，砂床的过滤效率将介于气溶胶所需的最小效率10及最大效率100之间^[1]。

最终设计的系统具有以下几个特点（在沙中，混合气体的流速在10 cm/s以下时，满足热工水力的要求）：

（1）安全壳管道在安全壳外墙上配备有两个手动隔离阀（管道已经存在并用于初始启动和安全壳阶段性压力测试）；

（2）位于安全壳过滤排放系统下游部分，在正常运行情况下，风机可吹干空气以防止腐蚀和润湿沙子；

（3）位于孔板下游的手动隔离阀用于增大压力，使排放气流在达到砂床过滤器之前预热；

（4）容积为167 m3的圆柱形砂床过滤器装有65 t沙子（沙子粒径为0.6 mm，砂床厚度为80 cm），最大压降为104Pa；

（5）具有测量砂床下游放射性水平的设备；

（6）具有连接过滤器和电站排气烟囱的管道。

对于900 MWe的压水堆，两个紧邻的电站共用一个砂床过滤器及下游床过滤器设备。从1987到1989年，这些设备应用到了现有的电站中。砂床过滤器安装在一个辅助性建筑的顶部，在这个设备的应用过程中考虑了地震的影响，砂床过滤器已被安装在不同的位置处。

FUCHIA实验有助于提高安全壳过滤排放系统在真正的事故中，预测具体情况的准确性。在混合气体和蒸汽条件下，进行了两个实验，以评估对铯气溶胶和分子碘的过滤效率（35%、65%）。测出铯气溶胶的过滤效率比标准值10高出一个数量级。在两个试验的不同阶段，测试分子碘的捕获效率；对于最终在设备中安装的完全绝热过滤器，去污因子大于10。在空气条件下，通过缓慢降低温度来模拟剩余功率的降低，进行了长时间的再次挥发实验。这些试验没有显示出任何明显的再次挥发。根据FUCHIA试验中获得的关于砂床过滤器中气态碘留存的知识，并考虑到碘也可能吸附在安全壳过滤排放系统管道上，研究机构和法国电力公司在1995年推论出，法国所有压水堆的气态分子碘的去污因子将始终大于10。然而，在安全壳过滤排放系统中，放射性对碘沉积稳定性的潜在影响，尤其是空气辐射产物对捕获的物质的反应的影响，这尚未得到解释。这类影响的量化研究工作正在进行之中。

在设备安装之后，两个与安全相关的问题正在研究中：

（1）排放时，在安全壳过滤排放系统管道中存在氢气燃爆风险：在打开安全壳过滤排放系统管道时，蒸汽可能与冷空气接触，在管道中发生凝结，导致氢的气态混合物凝结，因此增加燃爆的风险。为了降低这种危险性，在20世纪90年代早期，在风机中增加了加热系统，通过安全壳过滤排放系统管道吹干空气，限制蒸汽凝结。绝缘阀打开之前就开始加热。

（2）在砂床过滤器中，由于捕获了大量放射性气溶胶，造成高放射性水平的危险，这将限制在安全壳过滤排放系统使用之后，在电站进行干预的可能性，此外还必须限制砂床过滤器中残留的热量。目前唯一的解决方法是通过在安全壳中增加一个金属预过滤器来使放射性气溶胶的数量减少90%（这些气溶胶将通过排放管道输运到砂床过滤器中）。因此金属预过滤器必须设计成能够捕获吸湿的和不吸湿的气溶胶。当金属预过滤器堵塞导致压降缓慢增加到1 bar时，打开一个被动阀门使气体绕过预过滤线路。在1990—1991年，进行了两次评估预过滤器效率的试验；这些试验表明，在严重事故工况下，预过滤器可以达到所要求的过滤效率。对于吸湿性气溶胶，过滤器会突然发生堵塞，而对于非吸湿性气溶胶，压力降缓慢增加到1 bar。

A.2　安全壳过滤排放系统描述

安装的安全壳过滤排放系统配备的预热系统和预过滤系统如图A-1、图A-2和图A-3所示。

图A-1　安全壳过滤排放系统砂床过滤器草图

图A-2　应用于塞纳河畔诺让的1300 MWe压水堆砂床过滤器

1）预过滤器

在1992年到1995年间，法国所有压水堆的初始设备都添加了预过滤器，位于反应堆厂房的通风入口。过滤材料由PALL公司制造，包括：

（1）由热压加固的不锈钢纤维组成的92个过滤器，每个包含两种类型的过滤层；

（2）一个连接到排放管道的出口；

（3）一个允许排出过滤器内放射性沉积物产生的余热的管道；

（4）四个入口，供气体流入过滤器。

预过滤器的基本设计规范是，在严重事故下，高效捕获气溶胶（即避免气溶胶堵塞）至少7.5 h。计算结果显示，这个持续时间足以将安全壳中的悬浮物的放射性活性降低到十分之一。经过这段时间后，如果由于气溶胶堵塞，穿过过滤器的压降超过1 bar，则通过位于反应

图A-3　法国压水堆的安全壳过滤排放系统结构示意图

①—预过滤器；

现有贯穿件：对于1300 MWe电厂，直径为300 mm；对于900 MWe电厂，直径为250 mm

②—手动阀，由拉杆从后面的屏蔽物操作；③—减压孔；

④—过滤的干燥空气供应，正常操作条件下或者严重事故情况下应预热以应对氢风险；

⑤—砂床过滤器；⑥—辐射检测仪；⑦—电厂烟囱，带有小的排气孔；(https://www.xing528.com)

⑧—双单元布置（900 MW）堆厂房内的阀门远程遥控关闭预过滤器。然后气体不经过预过滤器，直接进入砂床过滤器中。

2）安全壳贯穿件、阀门和孔板

在应用安全壳过滤排放系统之前，就存在安全壳贯穿件，并用于安全壳的压力测试。它配备有两个手动隔离阀，位于安全壳外面，尽可能靠近贯穿件。使用手动隔离阀是因为只有在安全壳压力缓慢上升24 h后才可以打开安全壳过滤排放系统。其不应被动打开，以避免在安全壳中发生剧烈反应（如氢气爆炸）时，安全壳内压力达到峰值，产生不可控制的厂外放射性物质释放。

孔板位于手动隔离阀下游，确保排放气流在抵达砂床过滤器之前受热膨胀。

3）预热器和空调系统

预热器和空调系统与孔板下游相连接，由一个风扇和一个电加热器组成；来自核厂房排放系统、流量为50 m3/s的干空气扫过安全壳排放系统的下游部分，包括砂床过滤器。在正常运行时，空气不加热，风机运行防止砂床过滤器被腐蚀和受潮。在严重事故中，一旦达到导致严重事故管理指南动作开始的标准，加热器即被打开^[2]。在FCV管道打开之前进行加热，目的是避免其开口处的蒸汽冷凝，并降低安全壳过滤排放系统管道中的氢爆炸危险。

4）砂床过滤器

法国电力公司的专利——砂床过滤器，是一个由316L不锈钢制造的热绝缘圆筒形罐，由一个垂直轴气缸连接准球形的上端和下端。在900 MWe压水堆中，其安装在核岛顶部，通常有两个单元。它的主要尺寸是：内径7.3 m，高4 m，容积167 m3，过滤面积42 m2，空载质量12t，运行质量92 t，沙重65 t。

砂床厚0.8 m，由轻质混凝土和膨胀黏土层支撑。气体均匀分布，穿过过滤器和一个网状的凯尔拉夫晶格包络砂床。在经过砂床后，气体由位于膨胀黏土处的不锈钢金属过滤器收集，在过滤器外围由矩形收集器输运。过滤器设计允许压降为500 mbar。

5）疏散管

为了避免气候负荷（特别是风），同时也为了稀释核电站建筑物排放气流中过滤器的排放物，在常规核电站排污烟囱内安装一个直径为0.4 m的独立疏散管道。在建立运行条件时，这个管道提供充足的气流避免在烟囱底部凝结物聚集。

6）放射性测量装置

当安全壳过滤排放系统运行的时候，通过位于砂床过滤器下游的装置测量释放的液体的放射性。设备包括一个探针，其固定在连接管上，在砂床过滤器和电站烟囱之间，还装备有一个移动探测器。它使用自动能量校准的伽马能谱仪，能够对稀有气体、碘和铯的释放情况进行单独测量。

7）热绝缘

砂床过滤器和连接管道被厚8 cm的矿棉板隔开，由不锈钢板进行机械保护；疏散管未被隔离。在稳态操作期间，通过设备热绝缘以及孔板处气体和过热蒸汽的膨胀，避免工厂烟囱中的凝结水聚集。

8）安全等级划分

在贯穿件和阀门之间的安全壳隔离阀和管道是安全级的，拥有安全壳隔离功能。对于系统的其他部分，它们既没有安全分类，也没有计算它们能承受的地震载荷。然而，在地震载荷下，设计的土木工程结构可保持其完整性：这就是过滤器安装于核岛建筑物顶部的原因。

A.3　排放过程

从安全角度来说，在严重事故中尽可能保持安全壳的功能是最重要的。这一原则不应该由于安全壳过滤排放系统的存在而受到质疑，安全壳过滤排放系统作为一个最终的应急措施，允许其可控打开成为保持其完整性的唯一手段。因此，排放的开启应当尽可能延迟。

电站管理者与负责危机管理的当地部门和国家部门进行协调，对安全壳过滤排放系统的打开负责。当满足以下标准的时候，排放过程可以开启：

（1）事故发生已至少24 h——更准确地说是，在执行法国严重事故管理指南24 h后；

（2）安全壳内部压力超过大气压5 bar，这是安全壳的平均设计压力；

（3）安全壳压力缓慢持续上升，与压力峰值无关。

当安全壳压力缓慢到达其设计值（大约5 bar）时，首先关闭调节风机和预热，并关闭相关的阀门，然后手动打开两个安全壳隔离阀。操作员应关注安全壳内的压力和温度变化，以及排放过程中的放射性。在安全壳内备用安全系统恢复以排出剩余功率或当压力降至安全壳的安全水平时，应关闭两个隔离阀，手动停止排放。结束的过程由危机管理小组根据事故的进展决定。

因此，这个过滤系统的开发得到了一个重要的研究和开发计划的支持，包括大规模的FUCHIA实验。

A.4　砂床过滤器仍然存在的不足

1）过滤效率

近20年关于源项的研究项目表明，在排放情况下，氧化碘微粒、气态有机碘和气态四氧化钌可能对环境源项有大的影响。在20世纪80年代和90年代进行的测试中，没有研究针对这些物质的砂床安全壳过滤排放系统的过滤效率。此外，必须进一步评估不同沉积碘和钌物质在安全壳过滤排放系统不同部分的潜在再挥发，以确定严重事故的代表状况（压力、温度、气体组分、剂量率、流动瞬变）。

另外，金属预过滤器对这些物质及分子碘的过滤效率没有确定，因此未计入当前的源项评估中。

这些问题将在MIRE和PASSAM项目中得到解决。

2）与欧盟压力测试相关的其他问题

安全壳过滤排放系统的抗灾能力，尤其是对地震，必须进一步评估，因为系统设计中最初没有考虑地震。

对于两个反应堆同时排放的情况（尤其是900 MWe的反应堆），必须进一步评估排放对现场无障碍通风的后果，包括控制室和应急场所的通风。

氢气爆炸的风险必须进行进一步的评估，尤其是对于疏散管道。

【注释】

[1]气溶胶过滤实验中使用了质量中位直径为1～2μm的气溶胶，低于所考虑的质量中位直径5μm（预计这种尺寸的气溶胶的留存效率会显著降低）。

[2]主要标准是堆芯出口处的气体温度超过1100℃。