AP1000核電廠事故下安全殼氫氣濃度控制

章正格

【摘 要】在核電廠發(fā)生事故情況下，鋯包殼與水或水蒸氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生大量氫氣，可能在安全殼內(nèi)引起氫氣爆燃或爆炸，形成較大的壓力載荷，對安全殼的完整性構(gòu)成極大威脅。AP1000具有專設(shè)的安全殼氫氣控制系統(tǒng)可限制安全殼內(nèi)大氣中的氫氣濃度。

【關(guān)鍵詞】AP1000；安全殼氫氣濃度；控制

Hydrogen Concentration Control of Ccontainment after an Accident in AP1000 Nuclear Power Plant

ZHANG Zheng-ge

（Sanmen Nuclear Power Co.，Ltd.， Sanmen Zhejiang 317112， China）

【Abstract】In the event of a nuclear power plant accident， the chemical reaction of water or water vapor and zircaloy cladding produces a large amount of hydrogen， hydrogen may cause deflagration or explosion in the containment. And the formation of greater pressure load will be a great threat on the integrity of containment. AP1000 has the engineered Containment Hydrogen Control System to limit the concentration of hydrogen in the atmosphere of containment.

【Key words】AP1000； Concentration of hydrogen in containment； Control

0 前言

在核電廠發(fā)生嚴(yán)重事故情況下，鋯包殼與水或水蒸氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生大量氫氣，可能在安全殼內(nèi)引起氫氣爆燃或爆炸，形成較大的壓力載荷，對安全殼的完整性構(gòu)成極大威脅。為避免大面積或局部氫氣爆燃和爆炸，預(yù)防和降低氫氣所引起的風(fēng)險，目前在大型干式安全殼內(nèi)通常安裝非能動氫氣復(fù)合器或氫氣點火器來控制嚴(yán)重事故情況下的氫氣濃度。AP1000具有專設(shè)的安全殼氫氣控制系統(tǒng)可限制安全殼內(nèi)大氣中的氫氣濃度。

1 概述

安全殼氫氣控制系統(tǒng)分為三個子系統(tǒng)：氫氣濃度監(jiān)測子系統(tǒng)、氫氣復(fù)合子系統(tǒng)和氫氣點火子系統(tǒng)。氫氣濃度監(jiān)測子系統(tǒng)用于氫氣濃度監(jiān)測，包括三臺氫氣探測器、三臺壓力變送器和兩臺分析器，可以提供氫氣分壓和安全殼內(nèi)總壓力，計算出安全殼內(nèi)氫氣濃度。氫氣復(fù)合子系統(tǒng)用于設(shè)計基準(zhǔn)事故期間控制安全殼內(nèi)氫氣濃度不超過4%；氫氣點火子系統(tǒng)用于嚴(yán)重事故期間，氫氣復(fù)合器不足以抑制氫氣濃度快速上升時，點燃氫氣達到控制氫氣濃度的目的。

在導(dǎo)致堆芯溫度升高的假想事故發(fā)生后，燃料包殼錯合金和蒸汽反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣有可能釋放到安全殼內(nèi)。安全殼氫氣控制系統(tǒng)包括3個氫氣濃度監(jiān)測器，2個非能動自動催化復(fù)合器，以及布置在安全殼容器內(nèi)的66個氫氣點火器，這些設(shè)備用于限制安全殼內(nèi)大氣中的氫氣濃度。

2 氫氣緩解措施

2.1 混合

為了確保氫氣濃度低于可燃極限，將氫氣與安全殼內(nèi)空氣混合，是短期內(nèi)氫氣緩解的一種方法。通常，大型干式安全殼可以稀釋數(shù)百千克的氫氣，保證氫氣濃度低于可燃濃度。盡管混合是一種有效的氫氣緩解方式， 但如果氫氣的釋放質(zhì)量超過安全殼空間的稀釋和混合的能力，則需要采取其他措施來避免安全殼內(nèi)可燃氣體的形成。

2.2 事故預(yù)惰化

對于那些需要絕對禁止氫氣燃燒的安全殼，在核電廠投入正常運行之前，必須降低安全殼空氣中氧氣的濃度。為了達到這個目的，通常向安全殼內(nèi)注入氮氣來降低氧氣的濃度，使其保持在氫氣的可燃濃度水平以下。事故預(yù)惰化適用于小體積安全殼，同時要保證核電廠在正常運行時，不需要對任何設(shè)備進行操作。

2.3 催化復(fù)合

催化復(fù)合器是利用催化劑使氫氣和氧氣在濃度低于可燃極限的時候發(fā)生化合反應(yīng)消耗掉，從而降低安全殼內(nèi)氫氣濃度。最新的這種復(fù)合器是自動啟動，并且能依靠自身產(chǎn)生的熱量使氣流流動，不需要外部的電源和操作，稱為非能動催化復(fù)合器。催化復(fù)合器的應(yīng)用強化了氣流在安全殼隔間內(nèi)的對流，同時也加強了各氣體組分的混合。但是催化復(fù)合器的氫氣移除能力是有限的，它受到氫氣產(chǎn)生速率的限制，例如在氫氣源附近，復(fù)合器可能就沒有足夠的能力來移除氫氣。

2.4 主動點火

主動點火的理論依據(jù)和假設(shè)是嚴(yán)重事故下安全殼內(nèi)不可避免地存在隨機的點火源（如電火花，電纜等），與其如此，不如在氫氣“安全濃度”的范圍內(nèi)利用點火器主動點燃氫氣，使之緩慢燃燒，從而消除氫氣避免更嚴(yán)重的氫氣爆炸發(fā)生，威脅安全殼完整性。

3 安全殼氫氣控制系統(tǒng)設(shè)備

3.1 氫氣監(jiān)測器

安全殼氫氣濃度監(jiān)測器用于監(jiān)測安全殼內(nèi)的氫氣濃度，量程0-20%。三個非安全相關(guān)的氫氣濃度檢測器安裝在安全殼穹頂上，通過兩個變送器將信號送至主控室，并可在主控室連續(xù)顯示安全殼內(nèi)氫氣濃度。當(dāng)濃度達到3.6%時，發(fā)出氫氣濃度高報警。

3.2 氫氣復(fù)合器

氫氣復(fù)合子系統(tǒng)包括了兩個安全相關(guān)的非能動氫氣復(fù)合器，安裝在安全殼操作平臺上方，高度分別為162英尺和166英尺，距離安全殼殼壁大約4m。安裝位置位于安全殼的均勻混合區(qū)，處于向上自然對流占主導(dǎo)的區(qū)域內(nèi)。復(fù)合器采用不銹鋼外殼，包殼頂部和底部設(shè)有開口，內(nèi)部放置銠釩鉑合金催化劑。此復(fù)合器能在比較寬泛的環(huán)境溫度和反應(yīng)物濃度范圍，以及由蒸汽鈍化作用（蒸汽濃度大于50%）存在的情況下工作。

3.3 氫氣點火器

當(dāng)發(fā)生堆芯傳熱惡化或者堆芯融化事故時，安全殼內(nèi)氫氣濃度急劇上升，根據(jù)規(guī)程要求，操縱員通過主控室的PDSP啟動氫氣點火器，點火器保持871-927℃的表面溫度，在氫氣濃度較低的情況下點燃氫氣，防止氫氣濃度超過10%。氫氣點火器等分為兩組，安全殼封閉區(qū)域內(nèi)至少安裝兩個點火器，點火器之間實體隔離。每個點火器最大功率為145W，由220V交流電源供電，失去廠外電源時可由備用柴油發(fā)電機供電，若備用柴油發(fā)電機無法帶載，可由EDS蓄電池持續(xù)供電約4個小時。PLS可對兩組點火器分別控制，DAS則將66個點火器作為一組進行控制，觸發(fā)DAS控制盤上兩個按鈕即可啟動點火器。點火器為密封組件，不需要維修，加熱元件臟污時，用鐵制軟刷清掃即可。每個月需要對點火器通電5分鐘，點火器電流達不到預(yù)定值時予以更換。

4 事故下安全殼氫氣濃度控制

4.1 設(shè)計基準(zhǔn)事故

失水事故后的氫氣產(chǎn)生來源包括鋯（燃料包殼）與水發(fā)生反應(yīng)（<1%的燃料包殼），水的輻照分解，安全殼材料腐蝕和一回路內(nèi)溶解氫氣的釋放。采用合理的安全殼結(jié)構(gòu)布局，通過自然循環(huán)加速混合：操作平臺下方的隔間是互相連通的大型開放區(qū)域；操作平臺下方隔間的頂部處于敞開狀態(tài)，以消除氫氣死點；如果在事故后的恢復(fù)過程中采用安全殼強迫空氣循環(huán)，則通過非安全相關(guān)冷卻風(fēng)機循環(huán)安全殼空氣。

非能動催化復(fù)合器在催化器表面復(fù)合氫氣和氧氣。反應(yīng)產(chǎn)生的熱量可通過自然循環(huán)加速與安全殼內(nèi)空氣的混合；反應(yīng)可在極低的氫氣濃度（低于1%）和極高的蒸汽濃度下發(fā)生；非能動催化復(fù)合器可加速安全殼內(nèi)氣體混合和降低氫氣濃度。

4.2 嚴(yán)重事故

嚴(yán)重事故可導(dǎo)致大量氫氣快速生成，氫氣產(chǎn)生速（下轉(zhuǎn)第38頁）（上接第27頁）度超過非能動催化復(fù)合器的處理能力，通過點火器燃燒氫氣，可有效防止氫氣爆炸導(dǎo)致安全殼損壞，氫氣監(jiān)測子系統(tǒng)可監(jiān)測小于等于20%的氫氣濃度。氫氣點火子系統(tǒng)采用受控方式燃燒氫氣：可防止超聲速火焰?zhèn)鞑サ谋棘F(xiàn)象；爆燃可導(dǎo)致安全殼內(nèi)壓力升高；當(dāng)堆芯出口溫度超過649℃時手動啟動，當(dāng)氫氣體積濃度接近10%時，點火器點燃氫氣；點火器可防止安全殼氫氣濃度超過10%。假設(shè)100%的堆芯燃料包殼鋯金屬與水蒸汽發(fā)生反應(yīng)。

【參考文獻】

[1]林千，周全福.AP1000核電廠氫氣點火器功能分析[J].原子能科學(xué)技術(shù)，2012，46（1）.

[2]顧軍.AP1000 核電廠系統(tǒng)與設(shè)備[M].北京：原子能出版社，2010.

[3]周曉寧.AP1000嚴(yán)重事故下安全殼內(nèi)消氫措施的研究[J].核安全，2011，1.

[責(zé)任編輯：湯靜]