亚洲安全壳过滤排放系统的现状

在这里我们将介绍亚洲核电站中安全壳过滤排放系统的现状、规划以及研发进展。目前，亚洲是核电快速增长的地区。为了确保核安全，很多监管机构在严重事故管理策略中考虑了安全壳过滤排放系统。这里主要介绍中国、日本、韩国和印度的情况。

E.1　简介

在2015年国际原子能机构组织的专题会议中，对经合组织国家安全壳过滤排放系统的信息进行了更新，如表E-1所示。

表E-1　经合组织国家安全壳过滤排放系统现状（2015年）

续表

■无安全壳过滤排放系统　□计划但未选定设计　●已安装　○计划
*没有应对严重事故的安全壳过滤排放系统或计划安装安全壳过滤排放系统但尚未选择设计
表E-1的数据来自：IAEA，2015.Severe Accident Mitigation through Improvements in Filtered Containment Vent Systems and Containment Cooling Strategies for Water Cooled Reactors，IAEA-TECDOC-1812，978-92-0-153817-8.

E.2　中国

E.2.1　大陆核电站中的安全壳过滤排放系统

提高处理严重事故的能力和改善核安全，是中国核安全战略的重要组成部分之一。中国国家核安全局（NNSA）要求核电站采取多项措施改善电站安全。《核电站设计安全规定》（HAF102）表明了在严重事故条件下确保安全壳结构完整性的必要性。该规定第6.3.4.3节强调了控制严重事故下安全壳中放射性物质泄漏的重要性。此外，第6.7.4节指出，核电站必须具有充分和可靠的过滤排放系统，并且该系统应能够通过过滤效率测试。

表E-2总结了目前一些核电站安全壳过滤排放系统的配置。采用法国早期技术的核电站，如大亚湾和岭澳一期核电站，配备了砂床式系统。由于文丘里洗涤器系统拥有多重过滤阶段和增强的过滤效率等优势，大多数核电站都配备了文丘里洗涤器系统，它由文丘里洗涤器和金属纤维过滤器组成，如图E-1所示。

表E-2　大陆核电站中安全壳过滤排放系统的部署

图E-1　CPR1000的安全壳过滤排放系统结构

E.2.2　关于安全壳过滤排放系统的研究

在福岛核事故发生后，中国核工业集团有限公司（CNNC）、国家电力投资集团有限公司（SPIC）、中国广核集团有限公司（CGN）等公司以及一些研究机构正在开始或恢复安全壳过滤排放系统研究。CGN的子公司中广核工程有限公司（CNPEC）与中国船舶集团有限公司（CSIC）合作，开发了基于文丘里洗涤器和金属纤维过滤器的创新型安全壳过滤排放系统，如图E-2和图E-3所示。过滤系统由文丘里洗涤单元（喷嘴和洗涤液）、挡板脱水单元和金属纤维过滤单元组成。在这样的系统中，文丘里洗涤单元雾化流体并留存大多数气溶胶。元素碘和有机碘与硫代硫酸钠反应，形成稳定的化合物并溶解在液体中。2～100μm厚的金属纤维层还可以阻挡气溶胶和雾滴。

图E-2　基于文丘里洗涤器和金属纤维过滤器的安全壳过滤排放系统

图E-3　基于文丘里洗涤器和金属纤维过滤器的安全壳过滤排放系统结构

哈尔滨工程大学与中国核电工程有限公司（CNPE）合作，一直以来致力于基于文丘里洗涤器和金属纤维过滤器的安全壳过滤排放系统的设计。该项目已完成，包括安全壳过滤排放系统原型的开发、用于化学处理的洗涤液的创新，以及确认测试的传导。开发的安全壳过滤排放系统技术已通过认证，基于该技术的系统将用于福清5号和6号机组以及田湾5号和6号机组。哈尔滨工程大学与清华大学核能与新能源技术研究院（INET）研究了文丘里洗涤器内的流动现象以及安全壳过滤排放系统中气溶胶和碘种类的采样。据报道，喉部气体速度为200 m/s时，文丘里洗涤器的尘埃颗粒留存效率可以达到99.5%。

上海交通大学与中国核工业集团福建核电公司合作，在严重事故条件下对压水堆安全壳过滤排放系统的减压策略进行了分析。来自同一所大学的研究人员还在国家核安全局的指导下评估了核电站安全系统中安全壳排放的放射性后果，并研究了秦山二期核电站详细的反应堆安全壳减压和过滤过程。

在中国早期典型的核电站设计中，如CPR 1000，两个反应堆单元共用一个安全壳过滤排放系统，该系统结构如图E-1所示，具有单机组排放能力。通过操作安全隔离阀，该单个安全壳过滤排放系统可以选择性地用于两个反应堆机组。然而，在极端条件下，例如两个反应堆机组都需要排放时，系统能力就会受到挑战。为了解决这个问题，工程师们对这种情况进行了评估，并提出了一种升级解决方案，为每个反应堆装置配备一个安全壳过滤排放系统。该策略被接受，因此在大多数核电站的每个反应堆单元上都配备了专用的安全壳过滤排放系统。过去几年，几个核电站的安全壳过滤排放系统供应和部署都进行了公开招标，如福清3号和4号机组（2009年）、阳江5号和6号机组（2013年）、红沿河5号和6号机组（2015年）、田湾5号和6号机组（2016年）、漳州1号和2号机组（2017年）、昌江3号和4号机组（2017）等。

E.2.3　台湾地区的安全壳过滤排放系统

台湾地区有四个核电站，其中三个正在运行，另一个在建设中（目前暂停）。截至2016年，核电占台湾总电力的13.5%。在福岛核事故发生后，台湾核能管理部门（AEC）要求台湾电力公司（TPC）重新审查现行的应急操作规程（EOP），研究这些战略，并为每个核电站增加严重事故预防和缓解所需的设施。相关部门已经提出了诸如改进的应急操作规程和最终响应指南（URG）策略的几个想法，并且计划了诸如第五紧急柴油发电机的一些设施。同时，已提出若干订单和报告，如EA-12-050、EA-13-109和SECY-12-0157，以解决通过强化安全壳排放系统、SA-HCVS和安全壳过滤排放系统进行安全壳排放问题。相关部门建议将安全壳过滤排放系统安装在核电站上，但暂停或接近退役的核电站除外。台湾地区核电站和计划中的安全壳过滤排放系统的现状如表E-3所示。Maanshan核电站的安全壳过滤排放系统仍处于规划阶段，因此细节可能会有所变化。

表E-3　台湾地区核电站安全壳过滤排放系统现状

图E-4显示了Maanshan核电站计划中的安全壳过滤排放系统示意图。如果适用，安全壳过滤排放系统管道系统将使用原始排放管道。安全壳过滤排放系统的阀门和管道的某些部分是新建的，例如烟囱（在结构厂房上方释放气体）、气动阀门（AOVs）、温度和压力表，以及过滤器建筑物等。台湾核能管理部门规定，安全壳过滤排放系统的要求是：对于气溶胶，DF＞10000；对于元素碘，DF＞500；未发现针对有机碘的去污因子，但建议DF＞50。

图E-4　Maanshan PWR中计划安装的安全壳过滤排放系统

在安全壳设计压力下，当蒸汽流量达到1%的运行热功率时安全壳过滤排放系统运行。该系统应能够在全厂断电情况下非能动并独立地工作至少24 h，并在事件发生后七天内持续工作。此外，根据EA-13-109的要求，安全壳过滤排放系统应能够在高达450 K的温度下留存衰变热并释放气体。Maanshan核电站安装安全壳过滤排放系统的时间表待定。

E.3　日本

在日本，已经针对机械故障或人为因素等内部事件采取了确保安全壳完整性的安全措施。然而，在福岛核事故发生后，电力公司需要针对地震和海啸等外部事件实施更全面的安全对策。

在福岛核事故期间，由于反应堆2号机组的安全壳破裂，大量放射性核素被释放到环境中。作为确保安全壳结构完整性和减少放射性核素释放的策略，安全壳过滤排放系统已被提议安装。截至目前，供应商正在进行积极的研究和开发，电力公司提出安装计划，以重启日本的核电站。东京电力公司（TEPCO）对开发的安全壳过滤排放系统进行了性能测试，以验证高温蒸汽流中气溶胶的去污因子（DF）。结果证实，对于气溶胶，DF＞1000。此外，测试了含银沸石的吸收性能，结果表明，即使在气体略微过热的条件下，对于CH3I，DF＞50。所开发的安全壳过滤排放系统已安装在Kashiwazaki Kariwa核电站上。

在日本核管理局（NRA）的监督下，包括Chubu、Chugoku、Kawamura和TEPCO在内的电力公司正在开发用于BWR和PWR的安全壳过滤排放系统安装程序。在本节中，我们将回顾日本的安全壳过滤排放系统类型，并了解日本核电站安全壳过滤排放系统开发的现状。

E.3.1　日本的安全壳过滤排放系统类型(www.xing528.com)

日本提出了两种类型的安全壳过滤排放系统，即干式过滤系统和湿式洗涤过滤系统。根据先前的研究，从主反应堆系统释放的大部分碘是碘化铯（颗粒），其余的是气相形式。干式过滤系统利用气溶胶过滤介质捕获具有长半衰期的气溶胶（例如Cs）和碘过滤介质捕获短半衰期的碘放射性同位素。干式过滤介质由金属纤维制成，可安装在安全壳的内部/外部，或安装在PWR安全壳中的间隙层。预计操作安全壳过滤排放系统后过滤介质会受到高辐射污染，因此建议将干式过滤系统安装在分离区域，以确保人员安全。对于半衰期短的含碘物质，预计在操作后辐射水平迅速下降，但是出于安全考虑，仍应在过滤介质周围安装屏蔽材料。

湿式洗涤过滤系统用于捕获气溶胶和碘。由于尺寸较大，需要安装在安全壳外或反应堆建筑物的屋顶上。图E-5所示为湿式洗涤加干式过滤型安全壳过滤排放系统的示意图。来自反应堆系统的气体将经历三个过滤阶段：①文丘里洗涤器，用于留存大部分气溶胶和元素碘；②金属纤维，用于捕获通过文丘里洗涤器的气溶胶和液滴；③含银沸石（AgX）过滤器。在第一个过滤阶段，蒸汽/气体混合物被分解成小气泡以增强过滤。重要的是，要使这个阶段内的压降最小化，以确保正常运行。筑波大学和日本原子能机构（JAEA）进行了文丘里洗涤器部分中有关自吸和流体动力学现象的一些基本试验。对于含银沸石过滤器，银和碘之间的化学反应可以形成碘化银（AgI），旨在通过该系统留存99.99%的放射性物质。在安全壳过滤排放系统运行之后，污染的过滤水可以被输送到安全壳的水池中，以降低安全壳过滤排放系统台架周围的辐射水平。

湿式洗涤和干式过滤安全壳过滤排放系统都用于PWR。如图E-6和图E-7所示，湿式洗涤过滤器放置在安全壳外部，也称为加压安全壳容器（PCV），而干式过滤器放置在反应堆厂房或PCV内部。安全壳过滤排放系统的所有结构都经过精心设计，能够承受现场潜在的地震。对于PWR，可以由现有的安全壳通风管道连接安全壳过滤排放系统入口。为了防止排放气流绕过其他部件，建议在管道上使用故障自动关闭阀门并提高通风管道的高度。

图E-5　湿式洗涤加干式过滤型安全壳过滤排放系统

图E-6　PWR中的湿式洗涤安全壳过滤排放系统

图E-7　PWR中的干式过滤安全壳过滤排放系统

安全壳过滤排放系统的操作流程由日本核供应商提出。安全壳过滤排放系统设计为在安全壳压力达到最大操作压力的200%（仍然低于安全壳的设计压力）时启动，并且应继续过滤通风，直到安全壳压力下降到最大操作压力水平。预期的安全壳压力趋势以及安全壳过滤排放系统操作如图E-8所示。安全壳过滤排放系统的推荐设计容量要求在严重事故的前48 h内排放。

图E-8　由于安全壳过滤排放系统引起的预期的安全壳降压

通常，湿式洗涤安全壳过滤排放系统用于BWR电站，但有一些例外，同时使用湿式洗涤和干式过滤。如图E-9所示，通风管道与安全壳和抑制室连接。为了最大限度地减少受放射性物质影响的面积并降低结构损坏的风险，安全壳过滤排放系统安装在反应堆建筑物外，提供了手动控制的可行性。这是因为反应堆内的辐射水平可能很高。

图E-9　BWR中的湿式洗涤安全壳过滤排放系统

图E-10显示了电力公司在BWR工厂安装的安全壳过滤排放系统。四个湿式洗涤安全壳过滤排放系统单元与安全壳和抑制室的通风管道并联。通过湿洗处理过的气体由金属纤维过滤器过滤，然后通过排放管道排放到大气中。安全壳过滤排放系统放置在反应堆建筑物外部，因此可以与其他反应堆组件隔离。此外，用于湿洗的化学物质储存在安全壳过滤排放系统厂房中，以便于注入或排出洗涤液。为了防止安全壳释放的气体转移到可能导致氢气爆燃的其他系统，安全壳过滤排放系统中的管道应独立于其他安全系统。为了在事故期间提供可行的控制，安全壳过滤排放系统进气阀可通过直流电源或空气促动器操作，以便即使在全厂断电情况下也可以进行排放。

图E-10　BWR中建议的安全壳过滤排放系统安装

E.4　韩国

在过去十年中，核电在韩国迅速发展。目前，韩国约有30%的电力来自核电。福岛核事故发生后，核专家和监管部门对韩国核电站的运行和建设进行了几次特别安全检查。根据检查结果，制定了56项旨在加强核电站安全的行动项目，其中10项与严重事故缓解策略的强化有关。这些项目规定应配备安全壳排放或减压系统，以防止安全壳在严重事故过程中因过度加压而失效。因此，韩国水电与核电公司决定为其在运电站安装安全壳过滤排放系统。表E-4显示了韩国在运核电站的安全壳过滤排放系统的现状。

2012年，KHNP在Wolsung 1号机组上安装了阿海珐的湿式洗涤系统。安装的安全壳过滤排放系统由几个浸没在洗涤池中的文丘里喷嘴、水池上方的金属纤维过滤器和金属纤维过滤器上游的去雾器或预过滤器组成。同样类型的安全壳过滤排放系统也预计安装在Wolsung 2号、3号和4号机组上。韩国电力公社（KHNP）要求在PHWR中该安全壳过滤排放系统应满足：对于气溶胶，DF＞1000，对于元素碘，DF＞100，对于有机碘，DF＞5。与此同时，KHNP决定为下列PWR装置安装这种湿式洗涤器系统：Kori机组2、3、4，Hanul机组1、2，Hanbit机组1、2。

表E-4　韩国在运行核电站的安全壳过滤排放系统

与PHWR中安全壳过滤排放系统的去污因子要求相比，由于PHWR和PWR之间的差异，例如安全壳排放气流中潜在的较低pH值，PWR中安全壳过滤排放系统对有机碘的去污因子要求从DF＞5增加到DF＞50，因为在PWR冷却剂中使用了硼酸。对于其余12个运行的核电站，包括Hanul机组3～6，Hanbit机组3～6，Shin-Kori机组1、2以及Shi n-Wolsung机组1、2，计划安装安全壳过滤排放系统并确定安全壳过滤排放系统的类型。另一方面，正在建设的6个核电站，如新光系机组3～6和新汉武尔1号和2号机组，配备紧急安全壳喷雾备用系统（ECSBS），取代安全壳过滤排放系统实现在严重事故期间安全壳减压。

与此同时，韩国本土安全壳过滤排放系统项目于2013年启动，由韩国贸易工业能源部（MOTIE）资助，由FNC Technology、KHNP和包括韩国原子能研究所（KAERI）在内的研究机构和公司组成的联盟一直致力于该项目。该项目设计了一种湿式洗涤安全壳过滤排放系统，具有多个过滤阶段，如带有池洗涤的洗涤喷嘴、液滴分离器和金属纤维过滤器。安装具有含银沸石的分子筛以提高有机碘的过滤效率。该安全壳过滤排放系统的概念设计如图E-11所示。

图E-11　韩国安全壳过滤排放系统的概念设计

关于该安全壳过滤排放系统的热工水力特性、气溶胶和气态碘洗涤的功能性试验已在进行。试验方案分为三类：过滤组件测试、整体测试和第三方测试。过滤组件测试主要在FNC Technology进行。由KAERI进行的整体测试是在全高度、小面积的设施中进行气溶胶留存和碘消除，包括所有过滤阶段。初步试验结果表明，气溶胶的去污因子超过40000。此外，还研究了气溶胶的尺寸分布。系统的可靠性将由在瑞士Paul Scherrer Institute（PSI）进行的第三方测试验证。同时，在各种运行条件下研究了安全壳过滤排放系统的辐射屏蔽，并且通过数值模拟获得了严重事故条件下的安全壳排放策略。韩国安全壳过滤排放系统已经设计完成，预计将成为韩国核电站的安装选项之一。

E.5　印度

2017年，印度有22个在运行的反应堆机组和6个在建机组，发电量占总发电量的3.4%。据报道，印度计划发展核能，到2050年提供25%的电力。核能的安全保障对实现这样的计划起着至关重要的作用。目前，关于印度核电站的严重事故缓解和安全壳过滤排放系统的可用信息不多。有报道关于文丘里洗涤器中模拟放射性核素洗涤行为测量的研究正在印度相关机构中进行。印度核电公司还在调查包括安全壳过滤排放系统在内的选项，以保证严重事故期间安全壳的完整性，并对TAPS机组1、2的安全壳过滤排放系统进行评估和确认测试。

E.6　总结和讨论

目前，亚洲核能发展迅速，尤其是中国、印度、韩国等国家。此外，东亚和南亚的一些国家正在建设或规划新的核电站，包括越南、泰国、马来西亚和孟加拉国。在福岛核事故发生后不久，亚洲国家进行了广泛的严重事故缓解方面的调研和评估。政府和机构投入了大量资金和资源进行研究和测试，促进安全壳过滤排放系统设计的创新和升级。安全壳过滤排放系统的基本标准是过滤效率，或另一种形式——去污因子。针对三种主要放射性产物——气溶胶、元素碘和有机碘，表E-5总结了亚洲安全壳过滤排放系统的典型去污因子推荐值。应注意，随着技术与监管政策的改变，该数据可能发生变化。

表E-5　亚洲安全壳过滤排放系统推荐的去污因子值

译者注：

附录E内容来自：Overview of Filtered Containment Venting System in Nuclear Power Plants in Asia.Yang J，Lee D Y，Miwa S，Chen S W.Annals of Nuclear-Energy 199，2018.（不属于原报告内容）

附录E中的参考文献亦参见上述论文，不再详细列出。

附录E内容主要由董世昌翻译。