核电厂事故工况源项中碘的形态调研报告_李昂.pdf

2023年第22卷 第3期产业与科技论坛2023（22）3Industrial&Science Tribune核电厂事故工况源项中碘的形态调研报告李昂陈广恒丁世海【内容摘要】核电厂在事故工况下可能大量排放放射性碘。放射性碘对人体的健康危害很大。目前国际上共发生过三次影响比较深远的核电厂严重事故。I 131 在事故影响中是十分重要的一种核素，事故工况下放射性碘的重要性一直受到广泛的关注。本报告对目前国内外已开展的相关研究资料进行收集整理，形成调研报告。对放射性碘基本特性、危害及其理化特性，以及目前调研到的国内外针对事故工况下碘形态研究相关文献的基本内容进行介绍。最终得出针对事故工况下释放到安全壳的碘形态以 CsI 为主，但是较为细致的分析事故工况下的碘形态并不切实践。【关键词】碘核素;事故工况;安全分析;环境影响【基金项目】本文为项目课题“气态流出物取样系统性能计算和试验分析试验任务”(编号:LXSQ 2900 QTXM 2019 0034/00)研究成果。【作者简介】李昂，男，河北石家庄人，中国核电工程有限公司助理工程师，硕士;研究方向:核电工程运行陈广恒，男，北京人，中国核电工程有限公司高级工程师;研究方向:核电工程运行丁世海，男，北京人，中国核电工程有限公司研究员级高级工程师，硕士;研究方向:科研设计管理一、概述在核电厂的正常运行过程中，气态流出物中放射性碘的浓度很低，只有在事故工况下才可能大量排放放射性碘。人体甲状腺对放射性碘有很高的吸收能力，导致核设施释放的放射性碘对人体的健康危害很大。因此，在流出物监测领域中，碘的监测及取样一直是一个非常重要的问题。目前国际上共发生过三次影响比较深远的核电厂严重事故，即切尔诺贝利核事故、三哩岛核事故以及福岛核事故，每次核事故发生都对核电的发展带来了重大的影响，同时也促使国内外对事故中放射性源项的释放开展了大量的研究工作。而放射性碘，特别是 I 131 在事故影响中是十分重要的一种核素，在核电厂安全分析、环境影响评价以及应急预案等执照申请文件中，均需对事故的影响进行评价，其中的一项重要工作即为确定事故工况下释放到环境中的碘的含量，并明确其可能的化学形态。我国尚未开展过压水堆核电厂源项中碘的形态试验，然而自核电发展以来，事故工况下放射性碘的重要性一直受到广泛的关注，因此针对事故工况下碘释放及其形态研究的资料也较为丰富。本报告将对目前国内外已开展的相关研究资料进行收集整理，形成调研报告。二、放射性碘的一般特性(一)放射性碘的产生。碘核素可分为放射性碘核素和非放射性或稳定性碘核素两大类。目前已知，存在于自然界中或由人工生产的碘核素共有 27 种，一般实际中应用的和文献中经常引用的碘核素有 26 种，它们的质量数从 117 140 不等，其中除 I 127 是自然产生的稳定碘核素外，皆为放射性碘核素1。稳定性碘主要存在于海水和智利硝石中，其次是土壤中2。(二)放射性碘的危害。辐射对人体的影响可分近期效应和远期效应两种类型。在辐射防护和环境保护工作中，通常照射均是小剂量的慢性照射，一般来说，小剂量慢性照射对人体的影响主要是远期效应。放射性碘会在人体内蓄积，尤其是 I 131，是、混合辐射体，其半衰期约为 8 天。当人体吸入或摄入放射性碘时，放射性碘会主要集中到甲状腺中，并在该器官中蓄积，形成高浓度的放射性碘，高浓度放射性碘将会增加甲状腺癌发生的风险。10 刘锐，赵临龙 一道一阶微分方程解题思想的讨论J 山东工业技术，2019，21:174 11 陈丽敏，赵临龙 一道伯努利方程微分方程解法的讨论 J 山东工业技术，2019，21:203 12 李思瑜，赵临龙 一道一阶微分方程解法的讨论J 山东工业技术，2019，20:246 13 杨冯，赵临龙 从一道微分方程解题想到的积分因子变换 J 山东工业技术，2019，21:238 14 王洁，赵临龙 一道一阶线性微分方程的“一题多解”及推广 J 山东工业技术，2019，22:211 15 林田田，赵临龙 对一道一阶直线型微分方程给出 3 种解法 J 民营科技，2018，10:46 16 史凯文，赵临龙 对一道一阶常微分方程给出 3 种解法 J 民营科技，2018，10:57 17 赵静静，赵临龙 一道常微分方程习题的一题多解J 民营科技，2018，8:34 18 刘利，赵临龙 一道常微分方程的解法及其推广J 民营科技，2018，3:51 19 刘梦杰，赵临龙 浅析一道一阶微分方程的多种解法 J 民营科技，2018，1:42 20 王子怡，赵临龙 微分方程变换求解的本质讨论J 民营科技，2018，2:2154产业与科技论坛2023年第22卷 第3期Industrial&Science Tribune2023（22）3(三)放射性碘的理化特性。放射性物质在被摄入人体之后，在人体内呼吸道、消化系统的迁移传输较为复杂，有专门的生物动力学模型对此进行模拟3，并由此推导出了一套不同核素的吸入内照射剂量转换系数。不同碘形态的剂量转换系数是具有较大的差异的，据研究，元素态的碘对甲状腺的剂量影响更为显著，其剂量转换系数相有机碘要高30%，比气溶胶形态的碘要高 2.5 倍。压水堆核电站中的放射性碘是反应堆的裂变产物，它一般被包容在燃料包壳中，泄漏到外界的量极少。机组停堆后会对其进行过滤处理，释放到环境中的量极少，基本可以忽略。但是，当燃料元件熔化或元件包壳发生破损时，由于放射性碘的挥发性较强，它会通过破损的裂缝进行“间隙释放”，进入一回路冷却剂的量会明显增加。通过冷却剂这个载体扩散进入相关系统和设备。在一回路冷却剂温度、压力发生变化使得燃料包壳内压强大于冷却剂压强时，间隙释放的效应更加明显;而当发生燃料元件熔化的事故时，放射性碘(其中主要是 I 131)是造成环境污染的主要贡献核素。三、核电厂事故工况下碘的形态从第一个压水堆核电厂建成到今天，核电厂已经发生过三次重大的核事故，分别是美国三哩岛核事故、苏联切尔诺贝利核事故，以及日本福岛核事故。最新的热力学数据和实验认为，堆芯熔毁事故后在蒸汽还原气氛下，若无其它材料干扰，释放到主系统的碘，主要形态是 CsI4。对于碘形态的研究，经历了缺乏充足实验数据采用保守假设，到历次核事故期间及以后多项理论研究以及实验的不断发展过程。本章将首先对安全分析中碘形态假设的一些导则或技术文献进行介绍，此部分内容将主要针对考虑了堆芯熔化的严重事故;此外本项工作也对其它一些针对碘形态研究的理论及实验成果进行了搜集，此部分内容也在本报告中给出，以便读者对事故工况下碘形态的研究的进展有一个总体上的了解。(一)美国 RG 系列导则中碘形态假设。美国是核电技术发展的引领者，其针对碘形态的研究开展的也较早，一些研究成果体现在了核电执照申请相关导则中。在此给出美国核管会(NRC)发布的一系列导则中针对碘形态假设的基本情况简介。1 TID 14844 及 RG1.4。1962 年，美国 AEC(即 NRC 的前身)发布了一项重要的技术文件，即 Calculation of distancefactors for power and test reactor sites，即著名的 TID 14844文件，文中内容可总结出最大可信事故的典型源项释放份额假设:100%的裂变气体，50%的放射性碘和 1%的“固态”裂变产物。对于50%的碘来说，考虑有50%可沉降在反应堆系统和安全壳内壁表面，这样可供释放到环境中的碘的含量即为 25%的碘。再假设 25%的碘当中，5%是以颗粒碘(即气溶胶形态)存在，4%为有机碘(碘甲烷)，其余 91%为元素碘。同时在该文件中指出源项计算中不考虑喷淋、空气循环过滤等过程导致的源项去除，而这方面导致的去除可能会使源项降低 10 1,000 倍。这类事故源项作为美国核能管理委员会管理导则 1.3和 1.4 的基础，被用来测定各核电站是否符合美国核能管理委员会核电站标准(10 CFR Part 100)的依据，并用来评估其它重要核电站的操作要求，并作为许可证申请的基础。2 NUREG 1465 及 RG1.183。(1)轻水堆事故源项 研究成果。美国核管会 NRC 于1995 年发布了 NUREG 1465 报告，即 轻水堆核电厂事故源项，该报告指出，在 TID 14844 发布后的 30 多年中，对反应堆严重事故的重要研究获得了大量充分的关于反应堆裂变产物释放的资料，大量研究资料的积累加深了我们对轻水堆严重事故和因此导致的裂变产物释放行为的认识。严重事故条件下事故源项的估算在三哩岛事故之后受到极大的重视，因为科学家们发现与核电站申请许可证的计算中假定的释放量相比，三哩岛事故中仅有相对较少量的碘释放到环境中去。这使得许多学者认为严重事故中的释放量应该远低于先前的估计值。在三哩岛事故中，从燃料中释放出来的 CsI，进入冷却剂后溶解成稳定的 Cs+和 I离子。当冷却剂进入安全壳内，悬浮物和空气接触氧化离子从而形成 I2，可能会有一部分 I2与有机物(油脂、沉积物、残渣)反应形成有机碘(CH3I)，气态中有 I2、CH3I、HOI，其中，HOI 的形式方程式为:I2(aq)+H2OH+I+HOI(aq)因此可知在 pH 没有维持在 7 或更高值的条件下，安全壳内会出现相当一部分的元素碘和有机碘。(2)评价核电厂反应堆设计基准事故的可替代源项 研究成果。2000 年美国 NRC 发布了 10CFR50.67“事故源项”，根据该法规，为便于应用10CFR50.67，2000 年7 月 NRC 发布了 评价 核 电 厂 反 应 堆 设 计 基 准 事 故 的 可 替 代 源 项(RG1.183)，该导则所依据的技术文件即 NUREG 1465。该中针对典型的设计基准事故(如 LOCA)，由反应堆冷却剂系统(RCS)向安全壳释放的放射性碘，假设按照如下的份额进行考虑，即 95%为 CsI，4.85%为元素碘，0.15%为有机碘。在燃料操作事故以及 LOCA 事故以外的其他事故，都假设碘具有上述的份额。然而需要说明的是，最终释放到环境中的碘的份额，还受碘核素迁移过程中的其它因素影响，如一般认为 CsI 形态的碘可溶于水，因此在 SGTR 一类事故源项计算过程中，一般都假设释放到环境的碘的形态为 97%的元素碘以及 3%的有机碘。国内目前在压水堆核电工程项目的安全分析中，现在已基本参照 RG1.183 中所提出的碘的形态份额假设:95%的 CsI(主要以气溶胶形式存在)，4.85%的元素碘，0.15%的有机碘，这种形态份额划分已得到较为广泛的应用，国内已有相应的行业标准。(二)法国 S3 源项及 DBA 源项。1 法国 S3 源项。在法国的 CPY 型机组(900MWe)概率安全研究中，将安全壳的失效模式分成了 5 种不同的失效模式，即:模式:反应堆压力容器内发生蒸汽爆炸 模式:安全壳隔离失效 模式:氢燃烧 模式:晚期超压 模式:基础板熔穿法国的 核 安 全 与 防 护 研 究 所(IPSN)于 1977 年 在WASH 1400 的基础上开展了核电站概率安全研究分析工作。当时他们根据堆芯熔化后向大气释放的途径分析，把向环境释放的放射性源项分为 3 类。(1)S1 源项。这是对应于发全壳早期(事故开始后几小642023年第22卷 第3期产业与科技论坛2023（22）3Industrial&Science Tribune时之内)失效导致的释放这相当于一般的、和 模式失效。(2)S2 源项。这是对应于事故发生后中期(1 天或几天后)安全壳密封破坏直接向环境释放。一般说来 模式失效与此相当。(3)S3 源项。这是对应于事故发生后晚期(通常为几天后)安全壳由于其基础板被熔穿后密封破坏，向环境的间接释放。此时放射性气溶胶和分子碘在通过释放通道时被滤去了一部分。一般说来 模式失效与此相当。三套源项的释放份额以及碘的形态如表 1 所示。表 1S1、S2、S3 源项释放份额(释放到环境的同位素以事故发生时堆芯总量的百分比表示)源项及核素组S1S2S3惰性气体(例如1