压水堆核电站在反应堆功率运行期间和停堆燃料操作期间, 均可能出现燃料缺陷。燃料缺陷可分为燃料组件气密性丧失和破损两种, 燃料组件气密性丧失仅是燃料棒中的裂变气体通过缺陷气隙释放到一回路冷却剂中; 燃料组件破损是燃料包壳破裂, 燃料芯块与冷却剂直接接触, 裂变产物进入到一回路冷却剂中^[1]。燃料缺陷可通过对一回路冷却剂进行水化学分析发现。一旦燃料存在缺陷, 将导致一回路辐射源项发生变化, 使得一回路相关系统设备辐射水平升高, 给电站运行和大修期间的辐射风险控制带来不利影响。根据统计, 有超过20 000个燃料组件在VVER核电站机组中运行, 发现476个组件存在气密性丧失缺陷, 22个存在破损缺陷^[1]。运行期间出现燃料气密性丧失概率明显大于破损概率。

本文以VVER机组在运行期间出现燃料气密性丧失(以下简称燃料缺陷)情况为例, 分析该情况在大修期间的辐射风险, 总结相关控制实践, 为后续类似情况下防护措施的制定提供参考依据。

1 大修期间燃料缺陷的辐射风险分析

由于运行期间的燃料缺陷, 在该循环大修停堆过程极有可能出现尖峰效应, 导致一回路冷却剂中放射性水平(裂变产物)明显上升, 一回路正常净化后仍可能导致大修期间反应堆厂房及开口设备场地空气污染和外照射水平相比正常情况有所升高, 增加工作人员内、外照射的风险。

1.1 尖峰效应及其影响

反应堆功率运行时, 裂变气体聚集在燃料芯块的表面和包壳内表面, 很难从包壳中释放出来。当反应堆降功率、一回路降温降压时, 裂变气体可通过缺陷包壳进入一回路冷却剂中, 产生了一回路冷却剂中的尖峰现象^[2-3]。根据美国核管会NRC的研究及统计, 大修停堆过程的尖峰效应可使得一回路中裂变产物(放射性碘和惰性气体)活度值为正常运行期间的1~1000倍^[4]。在一回路解密封前, 需要对一回路进行净化和除气降低放射性水平。如一回路放射性无法净化到正常水平(燃料无缺陷的水平), 一回路开口后一回路冷却剂中放射性碘和惰性气体将进入空气中, 导致反应堆厂房及检修区域的空气污染和外照射水平升高, 增加工作人员受到内、外照射的风险; 此外还可能导致反应堆厂房内场所监测通道和通风系统监测通道出现超阈值报警, 如通风系统过滤失效最终将导致烟囱气态流出物排放量增加。

1.2 对大修检修工作的影响分析

根据大修检修过程, 一回路主设备检修作业期间, 较无缺陷的燃料循环大修空气污染风险更大, 具体为:①在进行一回路解密封、上部组件解密封、蒸汽发生器一次侧解密封、主泵解密封、阀门检修、容器检修、放射性系统排水排气等作业时, 由于系统设备开口, 系统中残留的放射性气体或液体将逸出至反应堆大厅或相关检修区域, 可能造成空气污染; ②在进行一回路氮气吹扫作业时, 由于出口在非密闭的反应堆竖井区域, 吹扫时大量放射性气体会逸出至反应堆大厅, 可能造成空气污染; ③在进行蒸汽发生器吹扫作业时, 由于反应堆厂房通风系统不能净化惰性气体, 在此循环净化期间惰性气体将排至反应堆大厅, 可能造成空气污染; ④在进行燃料操作时, 如出现燃料异常可能导致反应堆大厅空气污染, 且使得外照射水平升高。

2 辐射风险控制 2.1 控制方式

为避免燃料缺陷循环大修期间一回路开口后, 反应堆厂房及检修区域出现空气污染及外照射水平升高的情况, 增加人员内外照射风险, 需要采取相关控制措施。

2.1.1 一回路净化

通过一回路净化和除气能有效去除一回路放射性碘和惰性气体, 但在燃料缺陷情况下, 将一回路放射性碘和惰性气体净化到可以接受的正常水平必须加大净化能力、延长净化时间, 才能确保一回路开口后反应堆厂房空气污染和外照射剂量率在合理尽量低的水平。该净化限值应根据电站情况并结合国内同行电站的情况(见表 1)制定, 并考虑在限值无法达到的情况下应急处置方案。

2.1.2 厂房空气净化

在燃料缺陷情况下, 反应堆(UJA)厂房及其他厂房可能因设备开口、检修等作业导致存在空气污染, 需要针对大修作业过程考虑通风系统运行及净化方案, 确保在检修场所出现空气污染时能有效净化, 减少作业人员内外照射风险。

2.1.3 作业过程空气污染防护与控制

在大修过程中, 需要针对具体检修作业可能出现的空气污染, 提前考虑并制定相应的防护和控制措施, 具体应包括空气污染监测、空气净化、堆厂房进入人员控制、异常处理等。

2.2 控制结果及评价 2.2.1 一回路净化情况

某VVER机组在运行期间存在燃料缺陷, 该燃料循环大修停堆净化除气期间一回路放射性水平趋势见图 1。停堆净化除碘情况见表 2。

从图 1中可看出, 零功率后2 h碘活度迅速升高, 表明缺陷燃料内放射性气体明显释放, 在第11 h左右达到峰值, 此时碘的释放和净化达到平衡; 之后随着净化缓慢下降, 但在第33 h略有上涨, 表明有新释放; 停运主泵后碘活度维持在稳定的水平。该趋势与同类型机组(俄罗斯巴拉科夫核电站)的趋势一致, 而由于俄罗斯机组净化流量较低(30 m³/h), 故相应峰值相比电站情况尖锐。

从图中可以看出, 惰性气体Xe比碘释放的更快, 经净化除气后逐步降低, 但由于碘不断衰变生成Xe, 在停主泵后反而升高并超过碘活度水平。

从表 2可看出, 碘峰的峰值与大修前预估基本相符, 但出现时间比预估晚6小时左右, 并且存在缓慢释放和多次释放的不利情况。一回路净化流量比预估要小13~17 m³/h, 所以净化速度比预期要慢(约6 h左右)。

2.2.2 厂房空气净化

表 3为大修第一、二周(停堆至装卸料期间)整体辐射监测情况; 图 2为大修第二周(装卸料期间)反应堆厂房空气中碘放射性水平和一回路温度趋势。

从表 3可以看出, 一回路除气期间, 由于除气量加大导致KPL2出口惰性气体活度增高, 烟囱惰性气体活度有所增加, 在后续的检修作业由于KLD20系统的净化, 对烟囱放射性碘和惰性气体排放影响较小; 在一回路吹扫和SG传热管吹扫期间, 反应堆厂房空气中碘和惰性气体体积活度明显上升, 表明一回路净化后因水位降低, 一回路产生气腔, 介质中的放射性碘和惰性气体一部分挥发到气腔中, 这些气体通过吹扫进入了KLD20系统进行了净化, 在KLD20系统内循环净化模式下反应堆大厅惰性气体水平较高, 切换至排风净化或排风模式后恢复正常。从图 2可以看出, 一回路温度低于35℃时有利于抑制放射性碘从介质中的挥发。

2.2.3 作业过程空气污染防护与控制

大修期间, 针对检修作业可能出现的空气污染, 确定了相应防护措施, 并跟踪了实施效果。

在进行一回路解密封、上部组件解密封、蒸汽发生器一次侧解密封、主泵解密封、阀门检修、容器检修、放射性系统排水排气等作业时, 人员需要佩戴气面罩或碘面罩, 必要时进行人员清场; 作业区域配备碘净化设备进行空气净化, 配备便携式监测设备进行连续监测。实施作业期间, 一回路解密封惰性气体升高至5.6E+6 Bq/m³; 上部组件解密封时碘升高至120 Bq/m³左右; 主回路某阀门排水检修时碘短时上升至570 Bq/m³。

在进行一回路氮气吹扫和蒸汽发生器吹扫作业时, 吹扫气体接入KLD20系统净化; 吹扫前反应堆大厅人员清场; 作业区域配备碘净化设备进行空气净化, 配备便携式监测设备进行连续监测。实施一回路氮气吹扫作业期间, UJA厂房内的放射性气溶胶、碘和惰性气体监测值最大分别为150、30、1.77E+6 Bq/m³; 实施蒸汽发生器吹扫作业期间, UJA厂房气溶胶在1.0 Bq/m³水平波动, 碘在2.6 Bq/m³左右, 惰性气体大幅上升至1.7E+6 Bq/m³左右。

在进行燃料操作时, 反应堆大厅应布置便携式监测仪进行连续监测, 配备碘净化设备进行空气净化; 作业时人员需要佩戴碘面罩进行防护。实施操作期间, UJA厂房气溶胶在1.0 Bq/m³水平波动, 碘最高升至6.3 Bq/m³左右, 惰性气体最高升至5.1E+4 Bq/m³左右。

此外, 整个大修期间人员污染情况见表 4。

从作业实施情况和表 6可以看出, 因燃料缺陷影响, 大修期间部分重要检修作业过程均出现了不同程度的空气污染, 在采取相关防护和控制措施后, 未出现人员体表和内污染情况, 表明所采取的措施是合理有效的。

3 结论

由于燃料存在气密性丧失缺陷, 使得一回路系统的放射性水平升高, 增加了相关系统、房间检修作业的辐射风险。在该循环大修期间, 通过一回路介质和厂房空气的有效净化降低辐射源项, 以及针对作业过程空气污染风险采取相应的防控措施, 可以有效降低燃料缺陷带来的辐射风险。

鉴于燃料缺陷在机组寿期内可能会多次出现, 建议后续从以下几方面完善该类风险的控制和防护:①针对燃料缺陷建立一回路放射性净化、除气程序, 并研究提高除碘除气能力的措施, 尽可能降低停堆后的一回路放射性水平。②研究停堆期间放射性碘和惰性气体的释放规律及与水温、所属系统设备等因素的关系, 采取适当的措施减少放射性气体(特别是碘)挥发进入厂房空气的可能性。③优化或改进设备开口程序, 尽可能将残留的放射性气体通过反应堆厂房通风系统进行净化。④重视一回路设备检修要残留冷却剂可能导致的空气污染风险, 提前考虑对作业区域空气采取隔离、净化等措施。