碘吸附器在 M310及 ACP1000堆型中的应用

曾维明 程刚强

中国核电工程有限公司 华东分公司卡拉奇调试项目部

摘要：放射性碘是核电厂需要重点除去的放射性物质之一，文章介绍了M310及ACP1000机组中碘吸附器的结构类型，碘吸附器试验方法应用现状以及M310及ACP1000碘吸附器效率试验方法的差异，详细分析了碘吸附器效率试验的影响因素，包括设备机械密封性、气流速度、气流湿度、气流温度以及活性炭老化对碘吸附器性能的影响。最后比较了放射性甲基碘法与氟利昂现场泄漏率检测和实验室取样罐效率试验法的优缺点。

关键词：碘吸附器、试验方法、影响因素、优缺点

0 引言

在核电站等核设施排出的废气中，尤其是在事故情况下，放射性碘是需要重点去除的放射性物质之一。因此，在可能会存在放射性污染的核空气净化排风系统中均安装有去除放射性碘的吸附器。M310机组和ACP1000机组不仅碘吸附器类型不同，其试验方法也有较大差异。了解碘吸附的结构，选择碘吸附器试验方法，分析效率影响因素等对控制放射性碘等气载放射性物质的泄漏具有重要意义。

1 碘吸附器的结构类型

M310机组中碘吸附器设备类型大多是Ⅰ型碘吸附器，个别系统为Ⅱ型碘吸附器；ACP1000(华龙一号)机组均为Ⅲ型碘吸附器。

M310机组Ⅰ型碘吸附器为折叠式结构，外形尺寸（宽×高×深）为610mm×610mm×292mm，由金属外框、吸附床、支撑板、密封垫等组成，结构图如1-1所示。金属外框内存在等距的V形或半V形过滤板，过滤板两端成V型夹角反向焊接固定在外壳中，相邻两过滤板间装填浸渍活性炭，使炭床呈折叠式分布炭床厚度不小于50mm。壳体与过滤点固定，缝隙装填缝胶密封。通常以单独的箱体或排架的形式安装在空气净化系统中。

图1-1：Ⅰ型（折叠式）结构图 图1-2：Ⅱ型（抽屉式）结构图

Figure 1-1: structural diagram of type I (foldable) Figure 1-2: structure diagram of type II (drawer type)

M310机组Ⅱ型碘吸附器结构形式为抽屉式结构，外形尺寸（宽×高×深）为610mm×160mm×762mm，碘吸附器分为上中下三层，上下层由5cm厚的吸附器组成，中间层为空气通道，同样以单独的箱体或排架的形式安装在空气净化系统中。

ACP1000机组Ш型碘吸附器属于深床碘吸附器，为单体式非可进入式结构，由多个单体炭床组成^[1]，基于通风系统不同风量碘吸附器外形尺寸大小不一，其风量适用范围广^[2]，其中最大设备外形尺寸为VNA系统设备（额定风量34000m³/h，尺寸3500×2370×3900mm）；最小设备外形尺寸为CAM系统设备（额定风量1800m³/h，1750×1630×1660mm）。Ⅲ型碘吸附器与基础之间的连接采用与预埋板进行焊接连接，与前后风管或阀门之间一般采用法兰螺栓连接，设备由箱体、吸附床、核级活性炭、料斗、底座、取样罐、核级活性炭装卸系统及附件（多台设备共用）、配对法兰及其密封垫、螺纹紧固件等组成。且配备自动装卸料机进行自动装碳及卸碳，大大节省了人力。

图1-3 Ⅲ型（深床式）结构图

Figure 1-3 structure of type III (deep bed type)

2 碘吸附器试验方法应用现状及分析

核电厂通风系统中碘吸附器效率试验方法主要有两个标准体系：①放射性甲基碘法；②氟利昂现场泄漏率检测和实验室取样罐效率试验法（简称氟利昂法）。放射性甲基碘法一般主要用于参考法国标准建立的核电机组；氟利昂现场泄漏率检测和实验室取样罐效率试验法主要用于Ⅲ型碘吸附器，而国内三代堆型核电机组全部采用Ⅲ型碘吸附器。

氟利昂法依据EJ/T791-2014《核空气净化系统的现场检验》，进行一系列的条件试验后用氟利昂进行检漏，检漏合格后取出活性炭样杯送至实验室进行效率试验。

3 试验方法差异对比

M310机组参考行业标准《EJ/T1183-2005 核空气净化系统碘吸附器净化系数的测定放射性甲基碘法》采取放射性甲基碘法进行碘吸附器效率试验^[3]；为避免现场试验放射性风险，ACP1000(华龙一号)机组参考《EJ/T 791-2014 核空气净化系统的现场检验》及EJ/T《20056-2014 核级活性炭去除甲基碘性能试验方法》采取氟利昂现场泄漏率检测和实验室取样罐效率试验法^[4]。

3.1 放射性甲基碘法

将放射性¹³¹I标记的一定量的甲基碘气体注入到碘吸附器上游通风系统中，用采样器分别在碘吸附器的上、下游采集气体样品。每个采样器内装有一层高效滤膜和串联的两个由2cm厚的浸渍活性炭装填的标准炭盒。然后，用γ谱仪分别测量高效滤纸和采样炭盒的放射性活度，以确定碘吸附器的净化系数。

3.2 氟利昂现场泄漏率检测和实验室取样罐效率试验法

氟利昂现场泄漏率检测是以氟利昂气体为试验用气体，将其注入吸附剂排上游的气流中，测出吸附剂排前后氟利昂浓度的变化。下游浓度与上游浓度的比值用百分率表示，即为该吸附器排的泄漏率。参考标准《EJ/T 791-2014》，在此试验前进行以下条件试验：①风量试验：风量测点应选在直管段上。测点距上游扰动位置宜大于5倍风管直径；测点距下游扰动位置宜大于2倍风管直径。若为矩形风管，气流垂直方向截面分割若干个边长为150-200mm的正方形，测量各正方形中心的风速取平均值；若为圆形风管，气流垂直方向截面分割若干等面积的同心环形，在每个环的面积等分线上布置若干对称的测点，测取风速，然后取平均值；②气流分布试验：打开Ш型碘吸附器出口检修盖板，将测点布置在碘吸附器出口风室内部各碳床格栅板空气通道开口中心，各测点与格栅板距离一致且测点之间相距不大于30mm；③空气气溶胶混合均匀度试验：调节系统风量，与设计风量的偏差位于±10%的范围内，按要求的发生量，向系统中注入稳定的气溶胶，在过滤器排与吸附器排的上游靠近安装排架的平行面上取样，取样点位置应与主风管截面平行，任何一点的浓度与平均浓度值的偏差不得大于±20%；④外观复查工作。

活性炭实验室除碘效率试验按照ASTM D3803-1991标准执行^[5]。无论是新炭还是旧炭，首先使炭在湿空气（压力近似1atm，温度30.0℃，RH95%）中预平衡16小时。在预平衡阶段，试验系统在自动控制下运行。预平衡之后，严格控制所有参数平衡2小时。在供料阶段，将质量浓度为1.75mg/m³的放射性示踪的甲基碘湿空气通过试验床60分钟，然后，用不含吸附质的湿空气在其他条件不变下吹洗60分钟。试验期间，在试验床后装有两级后备床，吹洗结束后用γ计数器分别测量试验床和两级后备床的I¹³¹的γ放射性，计算出穿过试验床的吸附质占总量的百分比。

4 试验影响因素

M310和ACP1000机组碘吸附器试验是否合格主要受设备机械密封性以及活性炭除碘性能两个方面的因素影响。

4.1 设备机械密封性

实践证明装填不密实、装填量不足引起的机械泄漏是导致氟利昂现场泄漏率增大的主要因素，因此在装填过程中要严格控制振动频率、振幅、振动时间和振动次数。另外，同时受到设备密封性有影响，ACP1000机组泄漏包括以下两个方面：①设备法兰连接，密封盖压紧件和其它部分的螺栓、螺母、垫片是否损坏或松动；②检查口、手孔、取样箱、进出口法兰连接处密封垫是否严重老化，，一般2～3 年需更换一次。

4.2 活性炭除碘性能

活性碳的除碘性能即吸附剂的效率，该效率值是衡量吸附剂性能的主要指标，活性炭除碘性能的特性除取决于其物理性能、化学组成、活化程度、浸渍剂的类型和浸渍剂量等外，也决定于运行的环境条件，包括气流速度、温度、相对湿度以及活性炭老化等。

4.2.1 气流速度

对于一定的碳床厚度，滞留时间ts与面速度V关系如下:

ts=th(cm)/V(cms^-1) th为碳床厚度

对于碘吸附器，在工业应用中ts≥0.25s（推荐）,V在10-25 cms^-1之间，即推荐碳床厚度在5-12.5cm之间。而ACP1000机组Ш型碘吸附器性能参数如下：名义碳床厚度th为10cm，ts≥0.5s,即V≤20cms^-1。经发现，净化系数Sc(穿透率的倒数)的对数与滞留时间大致成正比，即lgSc=K·ts（K值取决于活性炭本身性能、被吸附碘性质、相对湿度、气流面速度）。综合以上两个公式可以得出，随着气流速度的增大（即面速度V值增大），滞留时间减少，碘吸附效率降低。所以在碘回路通风系统运行过程中，严禁超设计风量工作。

4.2.2 气流相对湿度

碘吸附器中装填的活性炭均采用浸渍活性碳，气流相对湿度对浸渍活性碳的吸附效率影响较大，吸附效率随着气流相对湿度的增大而降低，尤其当相对湿度大于95%时，吸附效率的降低尤为严重。这主要是由于气流相对湿度增大时, 水份子凝结在活性炭的表面, 并且占据活性碳中的孔结构, 减少了活性碳吸附面积和吸附容量从而降低了吸附效率^[6]。M310及ACP1000机组均设置有自动加热装置，当气流相对湿度大于40%时，将自动触发电加热器工作直到气流相对湿度低于40%。

4.2.3 气流温度

在温度130℃甚至相对湿度95％时，炭的性能比低温高湿下反而更好。这是由于无论是容积扩散、孔扩散，还是化学反应的速率都随温度的升高而增大引起的。结果表明，在200℃时KI仍比较稳定，此时甲基碘在浸渍KI 的活性炭上的去除效果仍比较理想。但是，高温会造成碘(特别是元素碘)的解吸和炭的氧化，甚至着火；同时，高温会使浸渍剂氧化、解吸、着火，因此，M310及ACP1000机组各系统碘吸附器均布置有温度传感器和消防水接口，用以检测气流温度和扑灭火灾。

4.2.4 活性炭老化

老化是指活性炭的活性区逐渐破坏，老化的原因有：浸渍剂的解吸；活性炭表面发生氧化,炭中含的硫与氧生成S0₂；与被处理气体带来的杂质（或“毒物”,如有机溶剂和无机酸气）发生化学反应。在事故时使用的备用碘吸附器，平时处于静态情况下，主要发生静态老化。静态老化与其性能的缓慢降低相对应，并导致碘吸附器更换周期为2-5 年，具体更换时间取决于活性炭种类及静态老化条件；一直运行的碘吸附器，则主要处于动态老化，碘吸附器的动态老化依赖于有机物质在活性区上的吸附量以及浸渍剂的蒸汽压。为确活性炭的性能，一般12或18个月进行一次定期试验。

5 两种试验方法的优缺点

M310机组均采用放射性甲基碘法，该方法通过气体发生装置需将¹³¹I标记的甲基碘气体注入到通风系统上游中，存在放射性泄漏风险，具体包括：放射源的运输；放射源的储存保管；气体发生装置的操作以及通风系统回路的泄漏风险等。其有利方面是可以通过碘吸附器上下游空气中粒子活度的变化直接计算出碘吸附器的吸附效率。ACP1000(华龙一号)采用氟利昂现场泄漏率检测和实验室取样罐效率试验法，该方法包括在现场利用氟利昂来检测碘吸附器回路的机械密封性以及在实验室检验活性炭的除碘性能两个部分，其中要求机械密封性泄漏值L≤0.05%，活性炭吸附效率≥95%（在温度30℃，湿度95%的苛刻环境下），与放射性甲基碘法相比，该方法未能直接得出碘吸附器的吸附效率，但其有利方面是避免了现场试验的放射性风险以及因现场试验导致的放射源运输及储存保管等问题。

参考文献

[1] NB/T 20039.13-2012,核空气和气体处理规范，通风、空调与空气净化第13部分碘吸附器（Ⅲ型）[S].北京：核工业标准化研究所. NB/T 20039.13-2012, code for nuclear air and gas treatment, ventilation, air conditioning and air purification part 13 iodine adsorber (type III) [S]. Beijing: Institute of nuclear industry standardization

[2] 曾新耀. Ш型碘吸附器的设计[J].产业与科技论坛，2016，15（20）：53-54. Zeng Xinyao. Design of Ш type iodine adsorber [J]. Industry and Technology Forum, 2016, 15 (20): 53-54

[3] EJ/T 1183-2005,核空气净化系统碘吸附器净化系数的测定，放射性甲基碘法[S].2005. EJ / T 1183-2005, determination of purification coefficient of iodine adsorber in nuclear air purification system, radioactive methyl iodine method [S]. 2005.

[4] EJ/T 20056-2014,核级活性炭去除甲基碘性能试验方法[S]. EJ/T 20056-2014,核级活性炭去除甲基碘性能试验方法[S].

[5] ASTM D3803 –91 Standard Test Method for Nuclear-Grade Activated Carbon[s].

[6] 吴潞华, 杜建兴. 碘吸附器净化效率随气流相对湿度变化的研究[J].核科学与工程，2007，27(4)：345.

Wu Luhua, Du Jianxing. Study on the change of purification efficiency of iodine adsorber with air relative humidity [J]. Nuclear science and engineering, 2007, 27 (4): 345