反应堆放射性气体处理

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1、第1章绪论1.1 概述能源是社会和经济发展的基础，是人类生活和生产的要素。随着 社会的发展，能源的需求也在不断扩大。目前世界能源的主力是煤和石油。这些化石燃料是不可再生的能 源，在地球上的储量有限，而且煤和石油燃烧生成的二氧化碳，氮氧 化合物及二氧化硫等，都是造成全球污染的重要原因，由此造成的温 室效应和酸雨正在破坏人类赖以生存的生态环境。从这些意义上讲， 人类需要一种清洁，经济，安全的替代能源。可再生能源包括水利， 太阳能，风力，潮汐能，波浪能等。水利资源的利用受到地理条件的 限制，而靠近生产和生活中心的水利资源已得到比较充分的利用。其 它可再生的资源因种种限制而难以形成工业利用规模。而核电

2、厂受地 理限制比较小，也不像火电厂那样排出大量的灰尘，二氧化碳，氮氧 化合物及二氧化硫，在正常运行过程中排放的放射性总量微乎其微， 不会对环境和人类的健康造成危害，加之从发展原子能事业的初级阶 段开始，人们就已认识到了核电离辐射对人体可能产生的危害，并且 广泛进行了有关安全防护方面的研究，制定了各种法律，条例和规定， 可以说目前核能技术的研究已经比较成熟。这样核能这种崭新的能源 便应运而生了。核能的发展与和平利用是20 世纪科技史上最杰出的成就之一，在 核能利用中，核电厂的发展相当迅速，已被公认为一种经济，安全， 可靠，干净的能源。核动力技术在多数发达国家得到巨大发展，在很 多发展中家也获得了

3、广泛的认可，世界上的核电厂已有丰富的运行经 验和良好的安全记录。国家原子能机构 2003 年 5 月 30 的统计数字表明，全球正在运行中的核电机组到2002年年底共有441座,总发电能力为359.7TW,发电 量约占全世界总发电量的 16%。其中法国，立陶宛，比利时和斯洛伐 克等国家的核电所占的比重都超过了 50%，而法国和立陶宛的核能发 电所占的比重占全国发电总量分别达到了 78%和 80.1%，在电力生产 中已占绝对的支配地位，实现了由燃油和燃料发电向核能发电的转变。我国是个电力需求大国，核电的发展有着一个广阔的市场，中国 核电从 1985 年开始起步，在 1985 年到 2008 年间

4、，一共建设了 11 台 核电机组，总装机容量为 910 万千瓦。核电基地分布在沿海的浙江、 广东、江苏三个省，包括秦山一期、秦山二期、秦山三期、大亚湾、 岭澳一期、田湾等项目，核电技术包括法国技术、加拿大技术、俄罗 斯技术，这些技术引进后都进行了不断的改进和发展，当然，也有完 全依靠我们自己发展的核电技术，比如秦山一期项目。2005 年以来， 在国家的支持下，广东、浙江、辽宁、福建、山东等沿海地区正在建 设一批新的核电站，与此同时，在电力需求的强力推动下，湖北、湖 南、江西、安徽、四川、重庆等内陆省市也在竞相成为我国第一批内 陆核电站的所在地，过去几十年只能在沿海地区发展核电的格局正在 被打破

5、，核电建设正向我国内陆地区迈进。近年来，根据世界各国经济建设和社会发展形势预测，由于能源 资源缺乏和温室效应使全球变暖，加上核动力所具有的有益于环境保 护的明显优势，将导致核动力工业的复兴。1.2我国核电辐射监测工作的现状随着我国核能事业的发展，核辐射安全工作变得日益重要。我国辐 射环境监测部门加强了对核电站周围辐射环境的监测。目前，我国核辐射安全监督工作既面临着良好的发展机遇，也面临 着严峻的挑战。由于我国建设的核电站的起点比较高，资金比较雄厚，设备比较先 进，都能够独立承担起常规的环境辐射监测的任务。另外，全国已有多 所大学及研究所开设了核方面的专业，形成了强大的核后备队伍。但核 燃料循环

6、系统的各企业，虽然还保留着一支放射性监测队伍，人员的流 失、资金的匮乏、仪器设备的老化，同时在放射性监测中一直没有一个 统一的考核标准和机构，没有专门的培训机构，各单位的监测能力不统 一，已经严重影响到监测任务的完成。我国政府高度重视核安全与辐射环境的保护工作。国家十五计划纲 要中强调环境监测的重要性，要求完善标准和法规，修改不合理的排放 标准，健全环境监测体系，加强环境保护执法和监督。国务院发布的国 家环境保护“十五”计划中明确了我国核安全核辐射环境安全目标和 任务，并将辐射环境监测网的建设列入国家“十五”期间重点工程项目。 2002 年国家环保总局召开了全国辐射环境保护工作会议，提出了进一

7、步 加强辐射环境保护工作的指导意见，推动了全国辐射环境保护工作的发 展5。1.3 本文工作的目的和意义核设施的运行或多或少的要以放射性废气、废液或固体废物的形式 产生一定的放射性废物。对于这些放射性废物的管理和处置通常有两种 方式，即“稀释和弥散”与“浓集和滞留”，无论哪种方式放射性废物中 将要向环境排放。以当今科学技术水平，人们认识到实现“零排放”的 目标是不现实的。对气载放射性核素浓度较低的废物，可以适度利用环 境自身的稀释和弥散能力，经过核设施废物处理系统和（或）控制设备 （包括就地贮存和衰变）之后，从核设施内按预定的途径向外环境进行 可控排放。核设施流出物向环境排放的控制要求主要有6：

8、1. 排放限值。核设施放射性流出物的排放采取排放总量限值和浓度限值 控制。每年排放的流出物总量不得超过国家制定的总量限值，每次排放 的流出物的浓度也不得超过规定的浓度限值。2. 可控排放。核设施放射性流出物的排放必须是可以控制的，应具备有 效的监测和控制系统或手段，超标排放应立即报警并停止排放。严格控 制非计划排放，减少排放量。3. 剂量限值。排放所致的公众照射符合规定的剂量限值要求。4. 液态流出物采取槽式排放，严禁采取稀释排放方式排放液态流出物。5. 控制的最优化。使所有放射性核素的排放量保持在排放限值下可合理 达到的尽量低水平。通过对放射性废气产生流程和排放途径的了解，分析放射性废气中所

9、含 放射性核素种类和活度，有目的、有计划的实施放射性废气排放，保证 核电站在正常运行寿命期内，降低由于人类的放射性活动对生态环境所 造成的任何风险。对核设施放射性流出物实时监测的主要目的如下4：1. 设施流出物中的放射性物质的数量，以便与管理限值和（或）运行限值 进行比较。2. 为应用适当的环境模式评价环境质量、估算公众所受的剂量，提供放射 性上的源项数据和资料。3. 为判明设施的运行以及放射性废物的处理系统和控制装置的工作是否 正常、有效提供数据和资料。4. 使公众确信核设施的放射性释放确实受到严格的控制。5. 迅速发现和鉴定计划外释放的性质（种类）及其规模。6. 给出是否需要启动警报系统或

10、应急警报系统的信息。在我国核能事业迅速发展的今天，放射性废物管理问题已经成为了制约我国 核事业发展的重要问题，放射性流出物排放作为一种特殊的放射性废物处置形 式，应当引起监管部门和核设施营运单位的高度重视，加强放射性流出物排放优 化控制和流出物在线监测等方面的研究开发是值得关注的问题。与其它能源工业相比，核能工业最主要的区别就是它的裂变产物带有放射性 问题，会对人、对环境产生巨大的危害。核反应堆在投入运行以后，其中的裂变 产物以及它们的衰变产物绝大多数都存在放射性，是一个很强的辐射源。由于核 电具有潜在的放射性危险,将可能对周围的环境造成一定的影响，对周围的居民 的身体健康及人们的正常生活产生

11、威胁。因此，对核电站运行时排出的气体及液 体废物进行实时的放射性监测有着重要的意义7。本课题就对压水堆（PWR）型 核电厂在正常运行（包括预期运行事件）期间释放的气体流出物进行研究。目前，国内外运行的压水堆大多数都有一、二回路，在一、二回路中间有蒸 汽发生器隔开。蒸汽发生器既可以把一回路中的热量传给二回路，又不至于在正 常运行下使二回路带有放射性，有利于设备的检修和人员的操作安全。压水堆的一回路是带有放射性的。这些放射性核素成气体或溶胶状态存在。 其放射性主要来自：经中子照射后产生的一回路水的固有活性；一回路水中杂质 活性；腐蚀产物活性和裂变产物活性。当燃料元件包壳保持气密的情况下，裂变 元件

12、包壳表面的有污染和包壳材料中含有微量的天然铀的裂变也会导致一回路 水中有裂变产物活性的存在。在反应堆正常运行情况下，蒸汽发生器二回路中的水和蒸汽是没有放射性 的。当蒸汽发生器发生泄漏时，一回路中的放射性物质泄漏到二回路中，从而引 起二回路水和蒸汽中带有放射性。放射性气体和气溶胶通过二回路管道、阀门和 主冷凝器的空气喷射器引起设备房间的空气受放射性污染，气态放射性物质最终 主要是通过烟囱向环境释。放核电厂的放射性物质全部是在反应堆内产生的，其中很大部分是裂变产 物。一座电功率为1000MW的动力堆，堆芯中所含裂变产物的总放射性约3.7X 1020Bq,包括 4.07X1018Bq 的氙（其中 K

13、r-85 为 3.7X1016Bq）、9.25X1018Bq 的氙（其中 Xe-133 为 7.03X1018Bq）和 2.59X1019Bq 的碘（其中 1-131 为 7.03 X1018Bq）这样大量的放射性物质，如果扩散到环境中去，周围公众将受到强 烈的照射，后果极为严重3。因此，对反应堆释放的放射性物质的放射性水平进 行实时监测变得非常重要。1.4 本文完成的主要工作基于反应堆在正常运行时（包括预期运行事件）由于泄漏而使得一回路和二 回路含有放射性物质，对反应堆在运行期间排出的放射性废气进行研究。反应堆的废气的排放分为约定排放和连续排放。连续排放是各厂房自然通风 系统的排风气流，连续

14、排向大气环境9。约定排放是指废气在释放到环境以前要 经过一定时间的衰变，当废气达到允许排放的标准时，废气将被释放到环境中去。 例如反应堆厂房安全壳系统构件允许有微小气体泄漏，在压差达到定值时，手动 排向大气环境。在此期间，废气在安全壳内滞留衰变；另外，由废气系统收集的 废气将被贮存到贮存箱内进行放射性衰变，当废气的放射性水平达到允许排放的 标准后释放到环境。上述两类排放都属于约定排放。课题中放射性气体研究主要是惰性气体、气载碘及放射性气载微粒。这些废 气主要来自废气系统、安全壳厂房、核辅助厂房、汽轮机厂房、乏燃料池、蒸汽 发生器排污系统和冷凝器空气抽气器的排气等10。课题的主要工作分以下几个部

15、分：首先讨论气体的来源； 其次常见的处理方法； 最后对浓度监督进行研究。第二章 核电厂放射性气体2.1 气体源项核反应堆正常运行期间（包括预期运行故障）所释放的气体流出物中所含的 放射性物质主要包括堆本体一回路的裂变产物（如氙、氦等）和放射性微粒、碳 -14、氚、中子照射空气、微尘后生成的放射性核素（如氩-41）和释热元件烧焙 时释放出的氪-85、碘-131。由于堆内气体流出物的放射性主要来自几种重要的 放射性物质，因此在这里我们只考虑这几种重要的放射性物质。这些物质包括放 射性惰性气体、气载放射性微粒、放射性气载碘及氚等。放射性废气主要来自反应堆工艺系统和厂房排风系统：工艺系统废气含有较 多

16、惰性气体、氚和碘，它们的比放高；厂房排风系统一般只有活化气体和少量碘 -131 及气溶胶颗粒。活化气体、惰性气体、氚和碘的核素组成、半衰期、生物 毒性及空气中最大容许浓度列于下表 1。活化气体除碳-14外，半衰期都很短，没有重要影响。碳-14 半衰期很长，但 量少，毒性低。惰性气体是裂变产物之一，它们通过元件包壳泄漏到冷却剂中，因为其在水 中溶解度很小，故几乎全 部进入工艺系统中。它们是氪和氙的同位素，以氙-133 以占比例最大（80%以上），仅氪-85 有较长半衰期。但氙-133, 氪-85 都属低毒 类，空气中最大容许浓度均较高。碘也是裂变产物的一种，在常温下是一种固体，但容易挥发，所以一部分碘 以蒸气状态或气溶胶形式出现在排气中。废气中碘的状态比较复杂，有无机碘（单 质碘、次碘酸）、有机碘（碘甲烷、碘乙烷）。核电站废气中出现的碘同位素只有 碘-131 有较长