核电厂事故后应急控制中心新风量敏感性分析

核 科 学 与 工 程 Nuclear Science and Engineering

Vol.38 No.3

Jun.2018

核电厂事故后应急控制中心

新风量敏感性分析

王梦溪，刘新建，蔺洪涛 （中国核电工程有限公司，北京 100084）

摘要：作为福岛事故的重要经验反馈之一，应急控制中心在事故条件下发挥的作用应受到足够重视。目前在应急控制中心可居留性评价中通常采用固定的非过滤泄漏量，未考虑非过滤泄漏与事故新风量的关系。事故条件下新风量的增加有利于维持应急控制中心可居留区域边界的正压，防止外界污染空气未经过滤直接渗入可居留区域内，即降低非过滤渗漏量，但也必然引入更多的污染空气，因而有必要针对应急控制中心的新风量开展敏感性分析，讨论室内空气中放射性浓度随新风量的变化情况。本文深入研究了事故工况下新风量与非过滤渗入风量的关系，结合污染物在应急控制中心可居留区域的迁移模型，针对NUREG—1465参考源项，对影响应急控制室放射性浓度的关键参数——新风量进行了敏感性分析，分别讨论了不同新风量条件下气溶胶和惰性气体引起的应急控制室内放射性浓度的变化情况，并确定了对剂量起主导作用的放射性核素组。相关分析结果可为应急控制中心的设计优化提供一定参考。 关键词：应急控制中心；可居留性；敏感性分析

中图分类号：TL48 文章标志码：A 文章编号：0258−0918（2018）03−0453−08

Fresh air flow sensitivity analysis of NPP’s emergency

management center in the accident condition

WANG Meng-xi，LIU Xin-jian，LIN Hong-tao

(China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100084，China)

Abstract：Based on lessons learned from Fukushima Daiichi NPP accident，new requirements for NPP emergency management center should be put forward. Increasing the amount of fresh air is conductive to maintain the sealing performance of emergency management center，and to prevent the polluted air entering room without filtration，but it also introduced more polluted air. While at the same time，fixed value for air infiltration leakage rate is used in the

______________________ 收稿日期：2017−12−21

基金项目：中核集团核电核动力工程设计软件（第三阶段）研发科研项目（FKY1616ZFS001） 作者简介：王梦溪（1990—），女，山西晋城人，工程师，现主要从事核与辐射应急相关工作

453

assessment of emergency management center habitability，it is necessary to make sensitivity analysis for fresh air flow during accident condition. Considering the radionuclide migration model established for evaluating activity level inside the emergency management center，correlation between fresh air flow and air infiltration leakage has been discussed in this paper. Meanwhile，based on NUREG—1465 reference source terms，sensitivity analysis of fresh air flow is performed for both aerosols and noble gas in the emergency management center，and the nuclide group with leading role of doses is identified. The preliminary results could provide necessary technical support to optimization of emergency management center design. Key words：Emergency management center；Habitability；Sensitivity analysis

日本福岛核事故受到世界的广泛关注。地震发生后约15分钟，在福岛第一核电站成立了以电站负责人为首的应急响应中心。该中心设在隔震建筑内，其中配备了电源和带过滤装置的通风系统[1]。在整个事故期间，应急响应中心发挥了积极的作用，现场应急救援和缓解行动主要是在应急响应中心完成的；福岛事故后IAEA派出专家团对事故现场进行了实况调查，总结了福岛核事故的16条教训，其中提到，“核动力厂的应急响应中心应该具备足够的抗震设防、适当的屏蔽、通风以及配备良好的装备，应该具备与福岛第一核电厂的应急响应中心所表现出的类似的能够抵抗其他外部事件的能力。”[2]因此，应急控制中心在事故情况下发挥的作用作为福岛事故的一条重要经验反馈应受到足够重视，同时这也是我国在福岛事故后进行核安全检查重点关注的问题之一。

目前在应急控制中心可居留性评价中通常没有考虑非过滤泄漏量与事故新风量之间的关系，而是采用标准推荐的固定泄漏量，如核电厂安全分析报告标准审查大纲（Standard Review Plan，SRP）推荐的17 m3/h[3]。

本文基于经典的流体力学模型和相关数值模拟分析结果，深入研究了非过滤渗入风量同缝隙两侧压差之间的关系，结合人员出入门操作的具体影响，对应急控制中心可居留区域的非过滤渗入风量进行了更细致的评估。在此基础上针对NUREG—1465参考源项，结合污染物在应急控制中心可居留区域的迁移模型，考虑了非过滤渗漏量与新风量之间的关系，对应急控制中心新风量开展了敏感性分析，分别讨论了气溶胶和惰性气体引起的应急控制室内放454

射性浓度随新风量的变化情况，并确定了对人员受照剂量起主导作用的放射性核素组。相关分析结果可为应急控制中心应急通风系统设计及可居留性的设计优化提供一定技术支持。

1 事故新风量与非过滤渗入风量

的关系

为了保证应急控制中心可居留区域边界的密闭性，防止室外受污染的空气未经过滤直接渗入可居留区域内，应急控制中心通风系统的设计需要使其维持一定微正压。尽管设计上能够通过对可居留区域边界建筑物构件和系统部件的密封、贯穿件的封堵以及应急通风过滤系统的严格布置来实现，然而实际上存在一些难以识别的加压空气流，导致少部分未经过滤的污染空气通过通风管道、电缆、门窗等缝隙进入应急控制中心的可居留区域。此外，应急控制中心的可居留区域边界上人员出入开关门也将引起少量放射性进入可居留区域内[4]。

因而有必要研究影响应急控制中心室内污染物浓度的关键因素：事故新风量与非过滤渗入风量的相关性。

保持室内一定正压所需的最少新风换气次数可参考表1进行估算[5]。

表1 保持室内正压所需的最少新风换气次数[5] Table 1 Minimum fresh air ventilation frequency

for different indoor positive pressure

室内正压值/Pa

5 10 15

换气次数/h

0.6 1.0 1.5

续表

室内正压值/Pa

换气次数/h

25 2.5 30 2.7 35 3.0 40 3.2 45 3.4 50

3.6

由于新风量和换气次数成正比，易得到保持室内不同正压所需的新风量。

当相邻空间之间有门窗或任何缝隙存在时，空气将会通过关闭的门窗缝隙从高压的一侧流向低压一侧。若应急控制中心室外气压瞬时超过室内气压，就会有非过滤途径的放射性渗入。

影响缝隙非过滤渗漏量的因素很多，如缝隙内空气的流动状态、缝隙的几何形状、尺寸、两侧的静压差等。认为建筑内的缝隙大多是没有充分发展的层流，采用幂指数方程[6]更符合建筑围护结构的实际缝隙情况，且适用范围更广泛，见下式：

L=aΔPb （1）式中，L——每米缝隙的基准渗透风量，

m3/（s·m）

； a、b——缝隙的特性系数。

基于经典的流体力学模型和相关数值模拟分析结果，表2给出了通风管道、电缆、门窗等其他设施引起的非过滤渗入量与缝隙两侧压差的关系。

表2 宽1.0 mm直缝隙压差和非过滤渗入量的关系

Table 2 Relationship between air infiltration leakage through cracks（width 1.0 mm）

and pressure difference

压差/Pa 单位长度渗入量/（m3/h）

5 1.751 10 3.222 15 4.604 20 5.930 25 7.217 30

8.473

续表

压差/Pa 单位长度渗入量/（m3/h）

35 9.704 40 10.914 45 12.106 50

13.282

在应急控制中心迎风面，由于空气流动受阻，理想状态下，风的全部动能变为静压，使迎风面上的压力大于大气压，从而形成正压ΔP。风速v引起的室外压强ΔP满足下列关系式：

ΔP=ρv2/2

（2）依据式（2），给出不同风速引起的室外压强ΔP，当室外压强ΔP超过室内维持的微正压时，就会有非过滤途径的放射性渗入。

由某厂址2013年的全年逐时气象数据，采用滑动平均的方法可找出一年内平均风速最大的720 h（持续应急响应期间取30 d），统计该720 h内不同风速段对应的小时数如图1所示。保守选用该时段的风速情况进行后续非过滤渗入量的计算。

图1 持续应急响应期间（30 d）的风速统计 Fig.1 Wind speed statistics of emergency

response period

以维持室内30 Pa微正压为例，给出持续应急响应期间对应的平均非过滤渗入量，即该720 h内不同风速段引起的非过滤渗入量对时间的加权平均值，如表3所示，维持室内30 Pa微正压对应的平均非过滤渗入量为6.34 m3/h。依次类推，得到维持室内不同微正压对应的平均非过滤渗入量。

455

表3 维持室内正压（30 Pa）对应的

平均非过滤渗入量

Table 3 Average air infiltration leakage based on

30 Pa indoor positive pressure

风速/ 非过滤 （m/s） 小时数 压差/Pa时间份额渗入量/（m3/h）＞10 2 30 0.003 262.66 9 8 18.6 0.012 172.32 8 29 8.4 0.042 85.29 7 133 0* 0.193 0 6 142 0 0.206 0 5 124 0 0.180 0 4 108 0 0.157 0 ＜4

144

0

0.209

0 平均非过滤渗入量

6.34

注：* 这里压差为0表示维持的室内正压30 Pa大于该风速段引起的室外压强，不会有放射性渗入。

此外，还要考虑应急控制中心人员进出可能引起的放射性渗入。事故工况下，应急控制中心只有主出入口的门对外开启。相关研究表明[7]，人员进出一次出入门引起0.6 m3外界空气进入。保守假设每小时有5人次进出，则人员进出出入门引起的非过滤渗入量为3 m3/h。

缝隙引起的非过滤渗入加上人员出入门操作引起的非过滤渗入（3 m3/h）即为总的非过滤渗入风量。表4给出了保持室内不同正压条件下，事故新风量与总的非过滤渗入风量的关系。由表可知，新风量不大时，人员出入门操作引起的非过滤渗入可忽略。新风量越大，出入门操作引起的非过滤渗入贡献越大。新风量提高到一定值以后，缝隙引起的非过滤渗入量可忽略，出入门操作引起的非过滤渗入为主导因素。

表4 新风量与非过滤渗入量的关系

Table 4 Relationship between annual average air

infiltration leakage and fresh air flow

保持室内新风量/ 缝隙引起的非总的非过滤正压/Pa

（m3/h）过滤渗入量/ 渗入量/（m3/h）

（m3/h）

50 4 536 0.28 3.28 45 4 284 0.41 3.41 40

4 032

1.55

4.55

456

续表

保持室内新风量/ 缝隙引起的非总的非过滤正压/Pa

（m3/h）过滤渗入量/ 渗入量/（m3/h）

（m3/h）

35 3 780 2.16 5.16 30 3 402 6.34 9.34 25 3 150 8.76 11.76 20 2 6 32.02 35.02 15 1 0 52.01 55.01 10 1 260 79.63 82.63 5

756

117.81

120.81

2 室内空气中放射性浓度计算

2.1 计算模型

应急控制中心采用集中式全空气空调系统，设置两台组合式空调机组、一台新风机组和一台碘吸附过滤机组。事故条件下两台空调机组同时运行，新风机组和碘吸附过滤机组对室外新风进行净化处理和冷却降温，维持各房间微正压。

事故条件下由于新风的引入，室外放射性物质进入应急控制中心，造成室内空气被放射性物质污染，进而对工作人员产生照射。假设进入室内的新风迅速在室内分布均匀，则室内某一时刻核素i的活度Ai计算如下：

dAi

dt

=[Qf(1−fi)+Qu]i(χ/Q)iRi−(λi+Qε/Vr)iAi （3）式中：

Ai：室内核素i的活度，Bq；

Qf、Qu：分别为经过滤的新风量、未经

过滤的新风量，m3/s；

Qε：总排风量，m3/s，Qε=Qf+Qu； fi：核素i的过滤效率；

χ/Q：大气弥散因子，s/m3；

Ri：事故时核素i向环境的释放率，Bq/s；λi：核素i的衰变常数，1/s；

Qε/Vr：由于室内向环境排风引起的核素

衰减系数，1/s；

Vr：通风区域的体积，m3。

2.2 计算参数

本文选取NUREG—1465源项[8]，考虑非过滤渗漏量与新风量之间的关系，在此基础上对新风量进行敏感性分析，分别讨论不同新风量条件下气溶胶和惰性气体引起的室内放射性浓度的变化情况。

计算采用的主要假设如下：

（1）堆芯积存量100%的惰性气体和75%的碘释放到安全壳；

（2）碘的化学形态：CsI形态的碘占95%，元素碘占4.85%，有机碘占0.15%；

（3）不考虑分子碘和气溶胶的喷淋去除与自然沉积作用；

（4）安全壳泄漏率：24 h内安全壳的体积泄漏率为0.3%/d，一天后降低为0.15%/d。事故后放射性物质排放持续30 d，30 d后的排放可忽略。

表5给出了各释放时段堆芯释放到安全壳大气的裂变产物份额。

表5 NUREG—1465源项释放到安全壳的份额[8]

Table 5 NUREG—1465 source term

release fraction

间隙释放阶段 0.5 0.05 0.05 0.05

压力容器内部早期释放阶段1.3 0.95 0.35 0.25

压力容器外部释放阶段 2.0 0 0.25 0.35

压力容器内部晚期释放阶段10.0 0 0.1 0.1

新风系统各级过滤器对碘和气溶胶都有较好的去除作用。碘吸附器对分子碘的净化系数≥5 000，对有机碘的净化系数≥1 000，高效过滤器针对气溶胶的过滤效率为99.99%。保守考虑，分子碘、有机碘和气溶胶的过滤效率均取0.999。

3 敏感性分析

敏感性分析是指从定量分析的角度研究有关因素发生某种变化对某一个或某一组关键指标影响程度的一种不确定分析技术。

本文用敏感性系数来评价新风量对应急控制室内空气中放射性浓度/人员受照剂量的影响程度，计算公式如下[9]：

S=(ΔA/A)/(ΔQf/Qf)

（4）

式中：S为敏感性系数；ΔA/A为室内空气中放射性浓度/人员受照剂量的变化率；ΔQf/Qf为不确定性因素（新风量）的变化率。

当S＞0时，表示室内空气中放射性浓度/人员受照剂量与新风量正相关；当S＜0时，表示室内空气中放射性浓度/人员受照剂量与新风量负相关。S的绝对值越大，表明室内空气中放射性浓度/人员受照剂量对新风量越敏感；反之则不敏感。

3.1 室内气溶胶浓度随新风量的变化

气溶胶以

131

持续时间/h惰性气体 卤族元素 碱金属

I为例，取基准新风量为

3 400 m3/h，计算新风量在基准值附近发生变化对持续应急响应期间（30 d）应急控制中心室内

131

I放射性活度的影响（见表6）。

表6 室内气溶胶浓度随新风量的变化

Table 6 Aerosols activity level vs. fresh air flow

新风量/（m3/h） 变化幅度/% 放射性浓度/（105 Bq）

敏感性系数

1 0 −44.44 98.9 −15.599

2 6 −22.22 47.6 −12.685

3 150 −7.41 16.0 −3.822

3 780 11.11 8.02 −3.211

4 032 18.52 7.22 −2.273

4 284 25.93 6.09 −1.971

4 536 33.33 5.85 −1.592

各时段

131

I放射性浓度的具体变化情况如量反方向变化，新风量越大，室内放射性浓度越低。

3.2 室内惰性气体浓度随新风量的变化

惰性气体以

133

图2所示。可以看出，事故后气溶胶引起的应急控制室内放射性浓度随着新风量的增加而降低，即气溶胶引起的室内放射性浓度与新风

Xe为例，取基准新风量为

457

3 400 m3/h，计算新风量在基准值附近发生变化对持续应急响应期间（30 d）应急控制中心室内

133

Xe放射性活度的影响（见表7）。结果表

明，惰性气体引起的室内放射性浓度与新风量同方向变化，即新风量越大，惰性气体引起的室内放射性浓度越高。

各时段

133

Xe放射性浓度的具体变化情况

如图3所示。可以看出，事故后惰性气体在不同时段引起的应急控制室放射性浓度变化情况不同，前8 h新风量越大，室内放射性浓度水

图2

应急控制室内131I放射性水平

Fig.2 131I activity in the emergency management center based on different fresh air flow（m3/h）

不同新风量条件下（m3/h）

平越高，8～24 h期间新风量越大，放射性浓度先升高后降低，24 h以后放射性浓度随新风量的增加而降低，并逐渐趋于稳定。

表7 室内惰性气体浓度随新风量的变化 Table 7 Noble gas activity level vs. fresh air flow

新风量/（m3/h） 变化幅度/% 放射性浓度/108 Bq

敏感性系数

1 0 −44.44 5.88 0.013

2 6 −22.22 5.91 0.009

3 150 −7.41 5.91 0.008

3 780 11.11 5.92 0.007

4 032 18.52 5.92 0.006

4 284 25.93 5.93 0.006

4 536 33.33 5.93 0.006

3.3 主导放射性核素组

为了定量评估各放射性核素组对应急控制中心室内工作人员受照剂量的相对贡献、确定主导核素组，本文针对NUREG—1465参考源项，定量地评估了在基准新风量条件下，各放射性核素组对应急控制中心人员有效剂量的贡献，结果如图4所示。

图3 不同新风量条件下（m3/h） 应急控制室内133Xe放射性水平

Fig.3 133Xe activity in the emergency management center based on different fresh air flow（m3/h）

综上可知，应急控制室内气溶胶和惰性气体放射性浓度随新风量的变化情况不同，即对新风量的敏感性不同。室内工作人员剂量后果随新风量的变化情况最终取决于释放到环境的各核素组释放份额比。 458

图4 各核素组对应急控制中心人员

有效剂量的贡献

Fig.4 Contribution to worker effective dose in the emergency management center of different nuclide groups

由图4可知，气溶胶碘的剂量贡献最大，约占总有效剂量的60.7%，其他（9.72 mSv）

，占总有效剂气溶胶也有一定贡献（5.41 mSv）

量的33.8%，惰性气体的剂量贡献最小

，占总有效剂量的5.5%。 （0.872 mSv）

表8给出了新风量在基准值附近变化对持续应急响应期间（30 d）应急控制中心人员所受有效剂量和甲状腺当量剂量的影响。

表8 新风量敏感性系数

Table 8 Sensitivity coefficient of fresh air flow

新风量/（m3/h） 变化幅度/%

甲状腺当量 剂量/Gy

NUREG— 1465源项

敏感性系数 有效剂量/mSv敏感性系数

1 0 −44.44 1.26 −15.50 98.1 −11.51

2 6 −22.22 0.607 −12.65 49.5 −9.38

3 150 −7.41 0.204 −3.81 19.4 −2.83

3 780 11.11 0.103 −3.20 11.8 −2.37

4 032 18.52 0.092 2 −2.27 11.0 −1.68

4 284 25.93 0.078 0 −1.97 9.99 −1.46

4 536 33.33 0.074 8 −1.59 9.75 −1.18

结果表明，室内人员所受甲状腺当量剂量、有效剂量与新风量变化趋势相反，即新风量越大，甲状腺当量剂量、有效剂量越小；且新风量越大，剂量后果对新风量越不敏感。

对于NUREG—1465参考源项，气溶胶碘为主导放射性核素组，室内人员受照剂量随新风量的变化趋势与气溶胶放射性浓度的变化趋势一致。

射性浓度与新风量同方向变化，即室内惰性气体放射性浓度随着新风量的增大而升高；气溶胶引起的室内放射性浓度与新风量反方向变化，即室内气溶胶放射性浓度随着新风量的增大而降低。应急控制中心室内放射性浓度随新风量的变化情况最终取决于气溶胶和惰性气体的份额比。

3） 对于NUREG—1465参考源项，气溶胶（尤其是气溶胶碘）为主导核素组，对应急控制中心室内工作人员的有效剂量贡献较大。在持续应急响应期间（30 d）应急控制中心人员所受的有效剂量和甲状腺当量剂量与新风量变化趋势相反，且新风量越大，剂量后果对新风量越不敏感。即室内人员受照剂量随新风量的变化趋势与气溶胶放射性浓度的变化趋势一致。

4 结论

本文深入研究了事故新风量与非过滤渗入量的关系，结合污染物在应急控制中心可居留区域的迁移模型，针对NUREG—1465参考源项，分别讨论了不同新风量条件下气溶胶和惰性气体引起的应急控制室内放射性浓度的变化情况，并确定了对剂量起主导作用的放射性核素组。

本文的主要结论如下：

4） 对于双层安全壳设计，若考虑环形空间通风系统过滤器可以有效减少释放到环境中气溶胶的释放量，则释放到环境中的气溶胶将显著降低。当惰性气体变为主导放射性核素组时，随着设计新风量的提高，惰性气体引起的应急控制室放射性浓度增加量将超过气溶胶引起的应急控制室放射性浓度减少量，从而导致室内空气中放射性浓度随着新风量的增加而升高，不利于应急控制中心可居留性的保持，因而设计新风量不能过高。

1） 事故条件下新风量的增加有利于维持应急控制中心可居留区域边界的微正压，降低缝隙引起的非过滤渗漏量；新风量不大时，人员出入门操作引起的非过滤渗入可忽略；新风量越大，出入门操作引起的非过滤渗入贡献越大；新风量提高到一定值以后，缝隙引起的非过滤渗入量可忽略，出入门操作引起的非过滤

渗入为主导因素，总的非过滤渗入量趋于稳定。

2） 惰性气体引起的应急控制中心室内放

5） 事故后应急控制中心室内放射性浓度除了受新风量的影响，还受多个因素制约，释

459

放到环境的气溶胶和惰性气体份额比、过滤器的过滤效率、非过滤渗入风量等均会影响应急控制中心人员的可居留性。后续还需针对上述多个因素进行敏感性分析，找出保证应急控制中心人员可居留性的最优解，为应急控制中心的设计优化提供一定参考。 参考文献：

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