超高效无隔板过滤器在核设施放射性气溶胶过滤中的可靠性评估
引言
在核能工业中，保障工作人员、公众及环境安全是首要任务。核设施运行过程中可能产生含有放射性物质的气溶胶颗粒，这些微粒若未被有效拦截，将通过空气传播造成严重辐射危害。因此，对放射性气溶胶进行高效、稳定、可靠的过滤处理，成为核设施通风与空气净化系统的核心环节。超高效无隔板过滤器（Ultra-Low Penetration Air Filter, ULPA Filter）因其卓越的过滤效率和紧凑结构，已成为现代核设施中关键的空气过滤设备。
本文旨在系统评估超高效无隔板过滤器在核设施放射性气溶胶过滤应用中的可靠性，涵盖其工作原理、技术参数、性能测试方法、国内外研究进展、实际工程案例以及长期运行稳定性分析，并结合权威文献与标准规范，全面探讨其在极端工况下的适用性与安全性。
一、超高效无隔板过滤器的基本原理与结构特点
1.1 工作原理
超高效无隔板过滤器主要基于机械拦截、扩散沉积、惯性碰撞和静电吸附四种物理机制实现对空气中微小颗粒物的捕集。对于粒径在0.1~0.3 μm范围内的气溶胶颗粒（即最易穿透粒径，Most Penetrating Particle Size, MPPS），ULPA过滤器可实现≥99.999%的过滤效率（按ISO 29461-1:2017标准），远高于传统HEPA过滤器（High Efficiency Particulate Air Filter）。
在核设施环境中，放射性气溶胶主要包括碘-131、铯-137、锶-90等同位素形成的微米级或亚微米级颗粒，其粒径多集中于0.01–1.0 μm之间，正位于ULPA过滤器高效捕集区间内。
1.2 结构特征
与传统有隔板HEPA/ULPA过滤器相比，无隔板过滤器采用波纹状热熔胶分隔的滤纸折叠结构，取消了金属或塑料隔板，显著提升了单位体积内的过滤面积，降低了风阻，同时减轻了整体重量。
| 特性 | 有隔板过滤器 | 无隔板过滤器 |
|---|---|---|
| 滤料材质 | 玻璃纤维 | 超细玻璃纤维复合材料 |
| 分隔方式 | 铝箔或塑料隔板 | 热熔胶点状支撑 |
| 厚度（mm） | 150–300 | 69–100 |
| 初始阻力（Pa） | 200–280 | 100–160 |
| 过滤效率（MPPS） | ≥99.995% | ≥99.999% |
| 容尘量（g/m²） | 8–12 | 6–10 |
| 使用寿命（年） | 3–5 | 5–8（视环境而定） |
数据来源：ASHRAE Standard 52.2 (2017); GB/T 13554-2020《高效空气过滤器》
无隔板设计不仅提高了空间利用率，还减少了因隔板腐蚀导致的泄漏风险，在高湿、高辐照环境下更具优势。
二、关键产品参数与性能指标
为确保在核设施中长期可靠运行，超高效无隔板过滤器需满足一系列严格的技术要求。以下为典型产品参数表：
表1：典型超高效无隔板过滤器技术参数
| 参数项 | 标准值 | 测试依据 |
|---|---|---|
| 过滤等级 | U15（EN 1822）或 H14以上（GB/T 13554） | ISO 29461-1:2017 |
| 过滤效率（@0.12 μm DOP） | ≥99.999% | IEST-RP-CC001.5 |
| 初始压降 | ≤120 Pa @ 0.45 m/s | ASHRAE 52.2 |
| 额定风速 | 0.45–0.6 m/s | DIN 24183 |
| 滤料材质 | 超细玻璃纤维，驻极处理 | MIL-STD-282 |
| 框架材质 | 防火型铝合金或镀锌钢板 | UL 586 |
| 密封胶类型 | 聚氨酯或硅酮密封胶 | ASTM C518 |
| 耐温范围 | -30°C 至 +80°C（短期可达120°C） | NFPA 90A |
| 耐湿性 | 相对湿度≤95%，无凝露 | JIS Z 8122 |
| 抗震性能 | 可承受地震加速度0.3g（IEC 60721-3-3） | IEEE 344 |
| 放射性耐受剂量 | ≤1×10⁶ Gy（γ射线） | ANSI N42.15 |
注：DOP为邻苯二甲酸二辛酯，常用于气溶胶挑战测试
根据《核电厂空气处理系统设计规范》（NB/T 20044-2011），用于主控室、反应堆厂房、燃料操作区等关键区域的过滤器必须达到U15级（EN 1822:2009）或等效国家标准H14级以上，且应具备良好的抗老化和抗辐照能力。
三、放射性气溶胶特性及其对过滤性能的影响
3.1 放射性气溶胶的来源与组成
核设施中放射性气溶胶主要来源于：
- 反应堆冷却剂泄漏
- 燃料元件破损释放
- 放射性废物处理过程
- 气体衰变产物（如氡子体）
据IAEA Technical Reports Series No. 464（2009）统计，核电站正常运行期间，室内空气中放射性气溶胶浓度通常低于1 Bq/m³，但在事故工况下（如LOCA，失冷事故），可瞬间升高至数千Bq/m³。
3.2 气溶胶粒径分布
不同源项产生的气溶胶粒径差异显著：
| 来源 | 平均粒径（μm） | 分布特征 | 参考文献 |
|---|---|---|---|
| 碘蒸气冷凝核 | 0.1–0.3 | 单峰，集中在MPPS附近 | Park et al., Aerosol Sci. Tech., 2012 |
| 铯氧化物颗粒 | 0.2–0.6 | 多模态分布 | OECD/NEA, Fukushima Report, 2015 |
| 燃料碎片再悬浮 | >1.0 | 粗颗粒为主 | EPRI TR-102293, 2003 |
| 氡子体附着颗粒 | 0.05–0.2 | 极细颗粒，扩散主导 | UNSCEAR 2008 Report |
研究表明，ULPA过滤器在0.1–0.3 μm粒径段具有最低穿透率，正好覆盖多数放射性核素载体颗粒的尺寸范围，因而表现出优异的截留能力。
四、国内外研究进展与标准体系对比
4.1 国际研究动态
美国能源部（DOE）在其《Nuclear Air Cleaning Handbook》（DOE-STD-1169-2018）中明确指出，ULPA过滤器适用于高完整性空气净化系统（HIPAS），特别是在后处理厂、研究中心及应急响应设施中。该手册强调，ULPA过滤器应在全寿命周期内保持完整性，并定期进行现场检漏测试（如DAOP测试）。
欧洲方面，德国KTA 1508.1《核设施通风系统安全要求》规定，安全壳内空气净化系统的最终过滤阶段必须采用U15级及以上过滤器，并配备双层冗余配置以提升可靠性。
日本原子力机构（JAEA）在福岛事故后开展了一系列过滤器性能评估实验，结果显示：即使在高温高湿（80°C, RH=90%）条件下连续运行500小时，优质ULPA过滤器的效率下降仍小于0.5%（JAEA-Review 2021-003）。
4.2 国内研究与标准建设
我国《核动力厂设计安全规定》（HAF102）及《核设施通风系统设计规范》（NB/T 25088-2018）均要求关键区域设置高效或超高效过滤装置。中国核工业集团有限公司（CNNC）联合清华大学核研院开展了“极端环境下ULPA过滤器性能退化机制”课题研究，发现：
- 在累积γ剂量达5×10⁵ Gy时，部分国产滤材出现纤维脆化现象；
- 经驻极增强处理的复合滤料可将耐辐照能力提升至8×10⁵ Gy；
- 硅酮密封胶在长期辐照下更稳定，优于聚氨酯类。
此外，《高效空气过滤器》（GB/T 13554-2020）已等效采用EN 1822标准，引入局部扫描法（Local Scan Method）检测过滤器完整性，精度可达±0.01%。
表2：中外ULPA过滤器主要标准对比
| 标准名称 | 发布机构 | 过滤等级划分 | 检测方法 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|
| EN 1822:2009 | CEN（欧盟） | E10–U17 | MPPS扫描法 | 核电、医药 |
| ISO 29461:2017 | ISO | U15–U17 | 光学粒子计数 | 国际通用 |
| GB/T 13554-2020 | 中国国家标准化管理委员会 | H13–H14（≈U15） | 扫描法+钠焰法 | 核电、洁净室 |
| MIL-STD-282 | 美国国防部 | HEPA/ULPA | DOP法 | 军用、应急 |
| ASME AG-1 | 美国机械工程师学会 | Section FC | DAOP测试 | 核电站专用 |
资料来源：王志刚等，《核科学与工程》，2021年第4期
值得注意的是，ASME AG-1《核电厂空气净化设备规范》被认为是全球最严格的过滤器标准之一，其FC章节专门针对ULPA过滤器提出包括抗震、防火、抗化学腐蚀在内的多项严苛试验要求。
五、可靠性评估方法与实证分析
5.1 可靠性定义与评估维度
在核安全领域，过滤器的“可靠性”不仅指高过滤效率，还包括：
- 完整性：无结构性缺陷或穿孔；
- 稳定性：在温度、湿度、压力波动下性能不变；
- 耐久性：长期运行不失效；
- 可监测性：支持在线检漏与状态诊断；
- 冗余性：系统层面具备备用过滤单元。
5.2 实验室加速老化测试
清华大学核能与新能源技术研究院搭建了模拟核环境的老化平台，对某型号ULPA过滤器进行综合应力测试：
| 应力类型 | 实验条件 | 持续时间 | 性能变化 |
|---|---|---|---|
| 高温高湿 | 70°C, RH=90% | 1000 h | 压降上升18%，效率下降0.2% |
| γ辐照 | ⁶⁰Co源，1×10⁶ Gy | 单次照射 | 滤纸强度降低23%，但未破裂 |
| 机械振动 | 正弦扫频5–50 Hz, 0.5g | 20 cycles | 无结构损伤，密封完好 |
| 化学暴露 | 含碘蒸汽（CH₃I）环境 | 72 h | 吸附层轻微饱和，基础过滤层不受影响 |
结果表明，高质量ULPA过滤器在模拟核事故环境下仍能维持基本功能，但需配合前置活性炭吸附层以应对放射性气体。
5.3 现场应用案例：秦山核电站三期项目
秦山核电站三期CANDU堆机组在其主控室通风系统中采用了双级过滤配置：前级G4预过滤器 + 中效F8 + 两级并联ULPA（U15级）。自2003年投运以来，累计运行超过18万小时。
运维数据显示：
- 年均更换频率：0.3台/年（共6台在线）
- 最大压差增长速率：1.2 Pa/月
- 年度DAOP检漏合格率：100%
- 事故响应测试（模拟LOCA）：过滤效率保持>99.998%
该案例验证了ULPA过滤器在真实核电环境中的高可靠性与长周期稳定性。
六、影响可靠性的关键因素分析
6.1 滤料质量与制造工艺
滤料均匀性直接影响局部穿透率。国内某厂商生产的ULPA过滤器曾因滤纸克重不均导致局部效率低于99.99%，经改进涂布工艺后达标（张伟等，《暖通空调》，2020）。
6.2 密封结构与安装方式
边框密封不良是现场泄漏的主要原因。采用液槽密封（Liquid Seal）或刀口密封（Gasketless）可大幅提升接口可靠性。上海核工程研究设计院建议在安全级系统中优先选用液槽式安装。
6.3 运行工况波动
频繁启停、风量突变会造成滤纸疲劳。法国电力公司（EDF）统计显示，非稳态运行工况下过滤器寿命平均缩短30%。
6.4 维护与监测策略
定期压差监测、年度DAOP扫描测试、事故后即时复检是保障可靠性的必要手段。IAEA Safety Guide No. SSG-30（2014）推荐每6个月进行一次完整性测试。
七、未来发展趋势与技术挑战
随着第四代核能系统（如高温气冷堆、钠冷快堆）的发展，对过滤器提出了更高要求：
- 耐温需求提升至200°C以上；
- 需抵抗钠火产生的碱性气溶胶；
- 在强中子场中保持结构完整。
目前，国际上正在研发陶瓷基复合过滤材料（如SiC纤维膜）、纳米纤维增强滤纸等新型介质。美国橡树岭国家实验室（ORNL）开发的碳化硅纳米纤维过滤器在1000°C下仍保持99.99%效率（ORNL/TM-2022/189）。
在国内，中广核与中科院苏州纳米所合作开展“纳米纤维ULPA过滤器”项目，初步试验显示其对0.1 μm颗粒的初始效率达99.9995%，且容尘量提高40%。
与此同时，智能监测技术也在融合应用。嵌入式光纤传感器可实时感知滤层堵塞程度，实现预测性维护。韩国KHNP已在新古里核电站试点部署此类“智能过滤器”。
八、结论与展望（略）
（根据指令，此处不作结语概括）
