1. 引言

压水堆核电厂非能动安全壳依靠自然降低事故后放射性气溶胶的释放，从而缓解事故后果。付亚茹等针对AP1000非能动电厂的事故特点，深入研究了冷管段双端剪切大破口失水事故后安全壳内气溶胶的自然去除机理，发现AP1000气溶胶主要去除机制为扩散泳、热泳和重力沉降，扩散泳贡献最大，其次是热泳和重力沉降[1]，其中扩散泳沉降速率和安全壳的热工状态紧密相关。刘建昌等针对华龙一号冷管段双端剪切大破口失水事故开展了安全壳内气溶胶自然沉降现象研究，分析了气溶胶粒径分布特性、气溶胶释放假设对自然沉降现象的影响，研究发现气溶胶的粒径分布特性、放射性气溶胶释放特性和安全壳热工状态等会影响气溶胶自然沉降过程[2]。这些研究表明安全壳内气溶胶行为受气溶胶性质以及安全壳内热工状态等因素的影响。因此，对气溶胶沉降因素开展重要性排序是研究非能动核电厂在事故工况下安全壳内放射性气溶胶自然行为的前提，也是程序适用性验证的基础。

2. 非能动安全壳的特点

非能动安全壳采用了非能动安全壳热量导出系统(EPS)，其主要的技术特点是不依赖于外部动力，仅通过利用重力和密度差等自然力驱动安全壳内空气自然循环，保证核电厂事故工况下的冷却[3]。

2.1. 非能动安全壳热量导出系统方案

EPS系统主要由下降管、内部换热器、上升管、外部换热器、集气器和换热水箱组成，系统原理见图1。当核电厂一回路边界破损，大量的蒸气被释放至安全壳内，进而导致安全壳内压力、温度迅速上升，当安全壳喷淋系统不可用时，EPS系统投入运行。这些高温蒸气以冷凝的方式将热量传递给内部换热器，低温水在换热器内升温、膨胀，沿着系统上升管将安全壳内的热量导出至安全壳外部换热水箱，外部水箱最终将热量排放到大气环境，进而达到使安全壳降温、降压的目的[4]。

2.2. 非能动安全壳热量导出系统的运行

当核电厂一回路边界破损，大量一回路冷却剂闪蒸形成蒸气，释放至安全壳内，热的蒸气和空气上升到内部换热器附近后被迅速冷却。其中蒸气被快速冷凝形成水滴，蒸气分压迅速降低，在内部换热器传热管附近形成抽吸效应，大量空气被卷吸进入内部换热器。空气被冷却后密度增大向下流动，到达底部一回路破损边界时又被破口喷放的蒸气加热，向上运动，由此形成空气的自然循环(详见图2)。在此

Figure 1. Schematic diagram of EPS system principle

图1. EPS系统原理示意图

Figure 2. State of atmospheric flow in containment after EPS activation

图2. EPS启动后安全壳内大气流动状态

过程中，安全壳内的气体组分和温度形成明显分层，即下部破口处的蒸气浓度高，空气温度高，上部内部换热器传热管附近蒸气浓度低，空气温度低[5]。

3. 非能动安全壳大气内气溶胶沉降机理

高温高压冷却剂泄漏后闪蒸形成蒸气，夹带一回路和堆芯内的放射性产物形成放射性气溶胶释放到安全壳，安全壳内大气温度和压力、蒸汽浓度以及大气的流动状态均会对气溶胶的沉降造成影响。此外，气溶胶的凝聚、壁面沉积和重力沉降等将进一步影响安全壳大气内气溶胶的扩沉降。通常，安全壳大气内放射性气溶胶的粒径范围为0.1~10 μm，其几何粒径中位值在0.44 μm左右，质量中位粒径在1.2 μm左右。对于大颗粒的气溶胶(>10 μm)粒子，其在重力的作用下迅速沉积，无法长期悬浮在安全壳大气中；对于10 μm以下粒子，尤其是小于1 μm左右粒子易受流场扰动影响，会长期悬浮，同时做缓慢的沉降和扩散运动。因此，放射性气溶胶的扩散和沉降特性受粒径影响较大，而扩散和沉降的不同会导致气溶胶粒子有不同的凝聚特性，凝聚又会导致气溶胶粒子粒径的变化，从而进一步影响气溶胶粒子的沉降[6]。

总的来说，气溶胶的沉降过程主要包括迁移、扩散和沉积[7]。根据沉积机理的不同，主要有重力沉积、热泳沉积、扩散泳沉积和布朗沉积等，沉积是气溶胶粒子沉降的重要途径，气溶胶的沉降机理见表1。

Table 1. Settlement mechanism of aerosol

表1. 气溶胶的沉降机理

4. 安全壳内气溶胶沉降因素识别及排序(PIRT)

4.1. 非能动安全壳大空间气溶胶沉降因素分析

根据美国核管会(NRC)开发的PIRT九步法，评价气溶胶在安全壳大气流场中扩散和沉降时，影响评价标准的因素包括但不限于以下方面：安全壳大气的流动情况、安全壳体积和表面积、非能动安全壳热量导出系统的冷却能力、安全壳内设备隔间的布置状况[8]。其引起的重要的现象识别见表2，这是根据大气流场的流动路径来确定的。

4.2. 非能动安全壳大空间气溶胶沉降速率分析

安全壳气溶胶行为受安全壳载气行为和气溶胶自然去除两个方面的影响。一方面，核电厂事故下一回路破口喷放的蒸汽会形成射流，扰动安全壳大气的流动，促使载气夹带气溶胶流动。同时，非能动安全壳系统的运行时，自然循环的安全壳大气也会夹带气溶胶流动。另一方面，气溶胶扩散到安全壳大空间后，会发生自然沉降。

Table 2. Identification list of important phenomena

表2. 重要现象识别表

通常情况下，安全壳内载气的流动速度较慢(<0.3 Ma)，尤其非能动冷却系统运行时的安全壳大气自然流动。通过非能动安全壳冷却系统的冷凝速率，计算安全壳内的局部压差，再采用伯努利方程可以计算不同压差下大气的流动速度，可以发现壳内的空气流速不超过40 m/s，详见图3。

安全壳内气溶胶沉降机理包括湍流沉积、重力沉降、扩散泳、热泳和布朗扩散。计算不同粒径下，安全壳内气溶胶粒子在不同机制下的沉积速度见图4。从图4可以发现，大颗粒气溶胶的湍流沉积速度较快，能达到1 m/s左右，小颗粒气溶胶则沉积速度较慢，各个机理都有贡献，总的沉积速度不超过0.01 m/s。进一步对比图3的安全壳内空气流动速度，可以发现在安全壳存在局部压差的位置，空气的流速远高于气溶胶自然去除(重力、扩散泳、热泳、布朗扩散)的速度，与湍流沉积的速度大致在一个量级。因此，在安全壳内载气剧烈运动的区域(特别是一回路破口处、内部换热器传热管附近)，主要依靠湍流扩散去除，在安全壳内其它稳态区域，没有湍流，则气溶胶自然去除是重要的去除机理。

Figure 3. The flow rate of gas under local pressure difference of the containment

图3. 安全壳局部压差下载气的流动速度

Figure 4. Deposition velocity of aerosol in containment under different mechanisms

图4. 安全壳内气溶胶在不同机制作用下的沉积速度

4.3. 非能动安全壳大空间气溶胶沉降因素的PIRT建立

根据上述研究步骤，考虑事故下安全壳内空气流动情况，将事故后安全壳内气溶胶沉降分为两个阶段，早期释放和长期释放阶段。通过不同阶段的沉降评价标准确定各现象的重要等级，得到气溶胶沉降因素的PIRT见表3。表3将相对重要度现象、过程采用H (高)、M (中)、L (低)和N (无影响)进行分级。另外，也根据目前行业内对每种机理的掌握水平进行排序，以K (已知)，P (部分未知)和U来表示(未知) [9]。

Table 3. PIRT of aerosol deposition factors

表3. 气溶胶沉降因素的PIRT

根据表3，闪蒸冷却剂的射流、下部隔间结构的滞留、安全壳热的大气的局部冷却和内部换热器传热管附近的大气抽吸都是重要现象，这是由于这些现象都伴随着安全壳内大气剧烈流动，极大地影响了气溶胶行为。其中，安全壳热的大气的局部冷却和内部换热器传热管附近的大气抽吸是非能动安全壳内出现的新现象，目前对这两个新现象的机理认知还十分有限，模化实验应该特别体现这两种重要现象。安全壳内气溶胶重要现象的相关机理和参数见表4，开展模化实验时应该确保相关参数的模化，从而保证实验的准确性。

Table 4. Relevant mechanism of important phenomena

表4. 重要现象的相关机理

5. 结论

本研究分析了压水堆非能动安全壳内载气和气溶胶的行为，计算了不同机制下气溶胶粒子的沉降速率。在非能动安全壳内，气溶胶在载气剧烈流动区域的主要机制是湍流沉积，其它区域的主要机制是气溶胶的自然沉积(其中扩散泳占主导)。根据气溶胶行为，结合事故后的安全壳内大气的迁移行为，建立了安全壳内气溶胶沉降因素的PIRT表，识别出安全壳内不同区域和时间段内气溶胶沉积和迁移过程中所涉及的现象，并按照这些现象的内在机理对沉降速率的影响进行重要性评估和等级划分，得到了非能动安全壳内气溶胶模化实验和理论模拟需要重点关注安全壳热大气的局部冷却和内部换热器传热管附近的大气抽吸。

参考文献