碘吸附器是用来捕集气载放射性碘污染物的设备, 广泛应用于核设施的通风系统中。由于其特殊作用, 人们关注在系统实际运行风量下, 污染物通过碘吸附器时的穿透率。

在核设施通风系统中, 碘吸附器有时是多级串联在一起的, 每一级间的距离很小, 按照美国标准ANSI/ ASME-N510的试验方法, 应该对每级碘吸附器都进行泄漏试验。但各级碘吸附器间常常没有足够的空间安装多点注入和采样装置, 而且前一级试验中的示踪剂会解吸下来并吸附到后一级碘吸附器上, 势必影响后一级碘吸附器的试验结果, 因此只能采用旁路试验方案。但若在每级碘吸附器后安装与系统风量相同的临时旁路装置, 对于风量较大(≥10⁴m³/h)的通风系统是不可能的。因此, 若能找出风量与穿透率之间的定量关系, 则可以在减风量下通过旁路试验法对碘吸附器进行现场试验。

本工作在只考虑机械泄漏的前提下, 从分析碘吸附器风量与阻力的关系入手, 推导出了碘吸附器穿透率与风量之间的关系式, 通过模拟不同程度的机械泄漏, 采用放射性甲基碘^[1]试验方法, 对其穿透率与风量之间的关系进行了实验研究, 验证了所推导出的关系式的适用性。文中还介绍了本工作的结论在恰希玛核电站现场试验中的应用情况。

1 理论推导 1.1 碘吸附器风量与阻力的回归分析

碘吸附器在不同的风量Q下其阻力Δp是变化的, 在额定风量(即碘吸附器的设计风量) Q₀下它的额定阻力(即设计风量下碘吸附器的阻力)Δp₀是一个定值, 但对不同的碘吸附器这个值并不相同。如果对每一台碘吸附器的阻力和风量进行二次回归分析, 对每一台碘吸附器可得到一个回归关系式, 但这些关系式相互独立, 不具普适性。若采用无因次的二次回归分析, 就能得到一个多台碘吸附器普适的关系式。通过测试多台碘吸附器在不同风量下的阻力, 对它们的阻力和风量进行无因次的二次回归分析, 即令:

碘吸附器的无因次Q^*与Δp^*的二次回归分析结果见图 1, 置信度^[2]为99.9%, 其相关系数R为0.98。因Q₀和Δp₀均为定值, 可以推导出阻力与风量存在的关系, 式中、为常数。

1.2 碘吸附器风量与穿透率的关系

碘吸附器通常安装在系统的通风小室的排架中。为了便于研究, 选用其本身穿透率可忽略(P≤0.05%)的碘吸附器, 用集中于某点的一个小孔模拟碘吸附器上或安装筐架上的机械泄漏, 如图 4所示, 设小孔直径d、小孔深度l、空气密度ρ、摩擦系数λ, 通过小孔的风量q、进风面面积S₁、风速ν₁、两侧的差压Δp₁; 通过系统风量为Q、风速为ν、碘吸附器的进风面面积S, 根据前面得出的碘吸附器的阻力Δp与风量Q之间的关系, 碘吸附器的阻力可用下式表示:

1)

其中Q=Sν

对于小孔, 两侧的差压Δp₁可用下式表示^[3]:

2)

在不同流动状态下, λ与雷诺系数Re有关, 但一般情况下, 因此式中的第二项可以忽略, 因此以上公式可简化为

3)

在模拟试验中显然有Δp=Δp₁, 由此可得:

4)

碘吸附器的穿透率, 将ν₁代入该式, 简化后可得

5)

式中, , a、b、S、S₁、ρ为常数。这说明, P²与存在着线性关系, 即风量减小时, 穿透率增大。

2 试验 2.1 试验目的

为验证上述理论推导关系式的正确性, 对碘吸附器风量与穿透率之间的关系进行试验研究。

2.2 试验装置和设备 2.2.1 试验装置

碘吸附器整机试验系统, 如图 3所示。

2.2.2 试验设备

列于表 1。

2.3 试验方法

以放射性¹³¹I作示踪剂, 通过甲基碘气体发生器产生¹³¹I标记的CH₃I气体, 在碘吸附器上游某处将示踪剂注入试验系统中, 分别在碘吸附器上、下游采样; 用多道γ谱仪分析上、下游样品中的¹³¹I活度, 由下游活度与上游活度之比值即可得出碘吸附器的穿透率。

2.4 试验内容

选取本身穿透率可忽略的折叠式碘吸附器, 在它们上面开孔, 相对于额定风量Q₀模拟不同的泄漏率, 碘吸附器在不同风量下测定其穿透率。如对编号为2001-08-096的折叠式碘吸附器, 模拟的三组泄漏率分别为0.039%、0.1%和1.0%, 每组泄漏率分别在风量为20% Q₀、30% Q₀、40% Q₀、50% Q₀、70% Q₀、100% Q₀、120% Q₀时测定了其穿透率。

2.5 试验结果及分析(表 2)

表 2显示, 对于相同的泄漏小孔通过碘吸附器的风量Q越大, 穿透率P越小。

对以上试验数据中的P²与进行线性回归分析, 得出的常数A, B及相关系数R分别列于表 4和表 5。

由表 3可知, 相关系数R最小为0.947, 折叠式碘吸附器P₂与线性回归中置信度为99%, 因此P²与确实存在显著的线性关系。对于同一台碘吸附器, 风量越小, 穿透率越大, 如果在减风量下对碘吸附器穿透率进行测试, 所得的结果与额定风量下相比是偏大的, 亦即对于评价碘吸附器的性能是保守的。

3 应用实例

在巴基斯坦恰希玛核电站碘吸附器穿透率现场试验中, 就是根据其通风系统的具体情况采用了减风量试验技术, 解决了两级串联碘吸附器的现场试验问题。

图 4给出主控室VCH排风系统(以下简称VCH系统)流程图及现场减风量旁路试验原理图。VCH系统设计的额定风量为14 778 m³/h, 装有两级串联碘吸附器。如前言中所述, 必须采用临时旁路试验装置进行试验。因该系统额定风量较大, 故采用减风量旁路试验法对碘吸附器逐级进行试验, 为此中辐院自制了一套减风量旁路试验系统。该系统上设有注入口、上下游采样口, 并配有风机等设备。试验风量为3 172 m³/h。试验时, 每一级碘吸附器与旁路试验装置形成一个小通风回路, 检验第一级碘吸附器时, 将第二级碘吸附器入口封住, 以避免示踪剂滞留于第二级碘吸附器。同样, 在试验第二级碘吸附器时, 也将第一级吸附器封住。

减风量旁路法中, 首先要检测浓度场和速度场分布的均匀性。试验中上下游取样口设置在多点注入和风机后, 经充分混合取样浓度是均匀的。表 4给出VCH系统上游气流速度测量结果, 其测量点是按照ASME N509^[4]的标准要求布置的, 各测点风速与平均风速偏差在-12.8%~+14.7%间, 符合ASME N509标准中± 20%的规定, 由表中的数据可以看出取样口的速度场基本是均匀的。

表 5列出了VCH系统两级碘吸附器组采用减风量旁路法的绕过时间(示踪剂从注入点流到测量点所需时间)和穿透率, 其实测穿透率均未超过0.05%的规定限值。根据本文前述研究结果, 在额定风量下的穿透率会更小, 因此判定VCH系统的第一、二级碘吸附器均合格。

4 结论

本文通过对碘吸附器风量与穿透率之间关系的理论推导, 用放射性甲基碘法对碘吸附器进行风量与穿透率试验, 从数据分析结果可以证明碘吸附器的风量与穿透率之间存在着的关系, 即风量越小, 穿透率越大。

恰希玛核电站的应用实例表明, 可以利用减风量旁路试验法对串联碘吸附器组的穿透率合格与否进行判定; 但本方法适用于只考虑机械泄漏的前提下, 对于碘吸附器本身的其他泄漏不适用。