淺析秦山第二核電廠事故情況下安全殼消氫

王超+要巍

【摘 要】在輕水堆核電廠嚴(yán)重事故進(jìn)程中，鋯合金包殼與水或水蒸汽產(chǎn)生大量的氫氣，并通過(guò)反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力邊界或壓力容器破口釋放到安全殼中。當(dāng)氫氣的濃度超過(guò)可燃濃度限值4%時(shí)，則可能發(fā)生燃燒，甚至爆炸。這將會(huì)引起安全殼超壓和溫度升高，從而對(duì)安全殼的完整性構(gòu)成威脅，放射性裂變產(chǎn)物因此可能釋放到環(huán)境中，造成嚴(yán)重后果。為了減小事故狀態(tài)下氫氣的威脅，目前國(guó)際上通常采用氫氣復(fù)合器或氫氣點(diǎn)火器等裝置來(lái)降低氫氣濃度。本文通過(guò)分析秦山二廠在事故狀態(tài)下的氫氣濃度變化，指出其在該領(lǐng)域的現(xiàn)狀以及存在問(wèn)題，并提出一些可行性建議，對(duì)核電廠的技術(shù)改造具有一定的借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】安全殼；氫氣來(lái)源；消氫裝置；氫氣復(fù)合器

0 引言

從福島核電廠爆炸可以看出核電廠嚴(yán)重事故下，氫氣在安全殼內(nèi)可能發(fā)生快速的燃燒或者爆炸，產(chǎn)生較大的溫度和壓力載荷，破壞安全殼的完整性。為監(jiān)測(cè)和消除安全殼內(nèi)的爆炸風(fēng)險(xiǎn)，有必要采用一套安全殼內(nèi)的氫氣控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)在安全殼內(nèi)堆芯分解或熔化的情形下，能夠采取措施限制安全殼內(nèi)的氫氣濃度，從而避免安全殼整體發(fā)生危險(xiǎn)。

能夠?qū)е聡?yán)重事故的始發(fā)事件非常多，表1列出了以秦山二廠為分析對(duì)象，在一回路冷段大破口失水（LB-LOCA）、小破口失水（SB-LOCA）和全廠斷電（SBO）嚴(yán)重事故序列中與氫氣風(fēng)險(xiǎn)有關(guān)的一些重要參數(shù)的計(jì)算結(jié)果。

注：T表示達(dá)到100%鋯-水反應(yīng)產(chǎn)氫量（695 kg）的計(jì)算時(shí)刻，LB-LOCA、SB-LOCA、SBO分別為321 min、730 min和710 min.

可以看出，由于LB-LOCA事故的堆芯熔化進(jìn)程很快，其鋯水反應(yīng)和氫氣產(chǎn)生的速率也最快，在約312 min時(shí)，釋放到安全殼內(nèi)的氫氣質(zhì)量相當(dāng)于反應(yīng)堆材料100%鋯-水反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣總質(zhì)量。相對(duì)于LB-LOCA事故，SB-LOCA和SBO的堆芯熔化進(jìn)程較慢，產(chǎn)生相當(dāng)于100%鋯-水反應(yīng)產(chǎn)氫的時(shí)間是730min和710min。但是，在LB-LOCA事故下，不足30%的鋯金屬在壓力容器內(nèi)被氧化，產(chǎn)生201.3 kg氫氣，大部分氫氣是在壓力容器失效之后熔融堆芯與混凝土材料反應(yīng)的過(guò)程中產(chǎn)生的。SB-LOCA和SBO事故的壓力容器內(nèi)階段分別有60.37%和50.34%鋯金屬被氧化，從而產(chǎn)生418.6kg和349.0kg氫氣。在達(dá)到100%鋯-水反應(yīng)產(chǎn)氫量（695 kg）的計(jì)算時(shí)間點(diǎn)（T時(shí)刻），主要安全殼隔間的氫氣濃度也如表1所示。LB-LOCA事故導(dǎo)致的隔間內(nèi)氫氣濃度最高，破口區(qū)氫氣濃度為9.6%，堆腔氫氣濃度達(dá)到11.1%，穹頂氫氣濃度為9.3%，其安全殼空間的平均氫氣濃度接近10%。而T時(shí)刻SB-LOCA和SBO事故導(dǎo)致的隔間氫氣濃度大致相當(dāng)，數(shù)值在7%～8%的范圍內(nèi)。參考美國(guó)聯(lián)邦法規(guī)10CFR的氫氣控制和風(fēng)險(xiǎn)分析標(biāo)準(zhǔn)：在事故期間及以后，相當(dāng)于100%燃料包殼金屬-水反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣均勻分布時(shí)的濃度小于10%，LB-LOCA嚴(yán)重事故導(dǎo)致的氫氣風(fēng)險(xiǎn)最高，不排除存在整體性氫氣燃燒甚至爆炸的可能。

1 秦山二廠在嚴(yán)重事故下消氫技術(shù)的現(xiàn)狀

1.1 消氫系統(tǒng)布置

秦山二廠1、2號(hào)機(jī)組安全分析是以設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故為基礎(chǔ)的。所設(shè)置的安全殼內(nèi)大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（ETY）用于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況下安全殼內(nèi)氫氣的消除，并沒(méi)有考慮在超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況下安全殼內(nèi)氫氣的消除問(wèn)題。

系統(tǒng)由兩根平行的管線組成，一根運(yùn)行，一根備用，該管道從安全殼穹頂抽風(fēng)，在一根管道上裝有兩個(gè)密封的蝶閥，位于安全殼外側(cè)。100%容量的電動(dòng)風(fēng)機(jī)使空氣從安全殼頂部到下部的循環(huán)，在每臺(tái)風(fēng)機(jī)的每一側(cè)有一個(gè)接管嘴，使用一部可移動(dòng)的取樣裝置，使之可能通過(guò)在兩個(gè)管嘴之間循環(huán)的空氣小流量取得空氣樣品，用一根返回管線引導(dǎo)空氣返回到安全殼的下部，這樣進(jìn)行安全殼大氣的混合和取樣?；旌?、取樣、監(jiān)測(cè)、復(fù)合部分主要用于控制安全殼內(nèi)氫氣濃度。為了連續(xù)監(jiān)測(cè)安全殼大氣中氫濃度，配備兩臺(tái)氫分析儀001MG、002MG，分別與風(fēng)機(jī)001ZV、002ZV 進(jìn)出端連接，同時(shí)氫濃度在主控室顯示。

秦山二廠采用的是典型的抽出式測(cè)量法，且系統(tǒng)手冊(cè)中明確要求在LOCA以后約1天，當(dāng)安全殼絕對(duì)壓力降到0.15MPa以下和溫度80℃以下且安全殼內(nèi)空氣己被混合后，才能進(jìn)行取樣。測(cè)量結(jié)果存在滯后，嚴(yán)重事故工況下高水蒸氣含量對(duì)測(cè)量結(jié)果有很大影響。另外測(cè)量結(jié)果僅能反映殼內(nèi)混合氣體的平均濃度，對(duì)于局部氫氣濃度的變化無(wú)法判斷。

當(dāng)溫度和壓力條件許可且氫濃度在達(dá)到臨界起爆值 4.1%之前，就要根據(jù)取樣數(shù)據(jù)，啟動(dòng)氫復(fù)合器，氫濃度在1%和3%范圍內(nèi)時(shí)開(kāi)始復(fù)合。在氫氣復(fù)合器中，空氣被加熱到320℃，然后進(jìn)入催化床，在鈀催化劑的作用下，空氣與氫氣發(fā)生反應(yīng)生成水蒸汽（2H2+O2→2H2O）。兩臺(tái)輕便式氫氣復(fù)合器（ETY 001RV、002RV）平時(shí)存放在燃料廠房的K230 和K270 房間。LOCA事故后，移到燃料廠房K212 或K252 房間同風(fēng)機(jī)進(jìn)出口混合管道相接。

可以看出該系統(tǒng)是在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故下將安全殼大氣抽出一部分，使之通過(guò)被加熱的金屬媒網(wǎng)，以促使氫和氧化合而達(dá)到消氫的目的。目前的系統(tǒng)其觸發(fā)點(diǎn)為2%左右氫濃度，系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)口較小（單臺(tái)約120m3/h），無(wú)法解決氫的局部濃積問(wèn)題，而分析恰恰表明，氫的局部濃積，在一定隔室內(nèi)燃燒產(chǎn)生火焰加速，是最有威脅性的。此外，移動(dòng)式氫復(fù)合器體積較大，操作費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還必須考慮采取屏蔽措施減少人員受到的輻照。以及需電源和冷卻水支持，發(fā)生多重故障時(shí)將失去功能。因此，有必要采取其它措施以降低安全殼內(nèi)氫氣燃燒產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 技術(shù)改造

參考田灣核電站及秦山二廠3/4號(hào)機(jī)組所采取的增加超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況下消氫的措施，秦山二廠1/2號(hào)機(jī)組分別于110和209大修中增設(shè)安全殼消氫系統(tǒng)（EUH），在安全殼內(nèi)布置了23臺(tái)（2號(hào)機(jī)組21臺(tái)）非能動(dòng)氫氣復(fù)合器，用于在超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況下將安全殼大氣中的氫氣濃度減少到安全限值以下，從而避免發(fā)生由于氫氣爆炸而導(dǎo)致的第三道安全屏障-安全殼的失效。

設(shè)備采用中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院研制的型號(hào)為PARQX的非能動(dòng)氫氣復(fù)合器，分別有PARQX-150和PARQX-75兩種規(guī)格，消氫速率分別為5.36kg/h和2.4kg/h。綜合考慮安裝位置應(yīng)接近氫氣源、防噴淋、氣體易擴(kuò)散及對(duì)流等因素，設(shè)備主要分布在安全殼內(nèi)的環(huán)廊及主泵、穩(wěn)壓器、卸壓箱、安注間、蒸汽發(fā)生器等設(shè)備隔間。當(dāng)安全殼內(nèi)氫氣濃度達(dá)到啟動(dòng)閾值時(shí)（2%氫氣體積濃度）氫復(fù)合器自動(dòng)啟動(dòng)消氫，停止閾值為0.5%氫氣體積濃度。

非能動(dòng)氫氣復(fù)合器在機(jī)組運(yùn)行期間會(huì)受到多種因素的影響。表 2 為3 號(hào)機(jī)組4 臺(tái)非能動(dòng)式氫復(fù)合器對(duì)應(yīng)的同一組催化片1個(gè)換料周期（1C）前后的消氫效率對(duì)比數(shù)據(jù)。

可見(jiàn)經(jīng)過(guò)一個(gè)換了周期后，催化片的消氫成功時(shí)間均有不同幅度的延長(zhǎng)，其中運(yùn)行環(huán)境相對(duì)較差的卸壓箱間、蒸汽發(fā)生器間、主泵間催化片消氫成功的時(shí)間延長(zhǎng)均在10s以上。這主要是受到油污、浮塵及銹蝕等的影響，其中銹蝕容易造成催化片穿孔、破損，影響催化片的使用壽命，過(guò)量油污致使催化片在消氫過(guò)程中產(chǎn)生煙氣，易對(duì)消氫過(guò)程產(chǎn)生干擾。因此應(yīng)定期對(duì)催化片進(jìn)行檢查，對(duì)臟污的催化片做清掃去污處理，必要時(shí)在再生裝置中功能再生甚至更換。

另外由于秦山二廠地處沿海，日常環(huán)境空氣濕度大，對(duì)于倉(cāng)儲(chǔ)時(shí)間較長(zhǎng)的催化片應(yīng)做好防潮和防油污工作，特別是大修期間催化片的防潮防噴淋問(wèn)題。

2 存在問(wèn)題及未來(lái)展望

在目前的秦山二廠1/2號(hào)機(jī)組中，既保留了原有的ETY系統(tǒng)的移動(dòng)式消氫裝置，用于在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故下的消氫，以保證氫氣濃度低于可燃限值；又借鑒了田灣核電站及擴(kuò)建機(jī)組的經(jīng)驗(yàn)，增設(shè)了一個(gè)新的安全殼消氫系統(tǒng)EUH，在安全殼內(nèi)布置了23（21）臺(tái)非能動(dòng)的氫復(fù)合器用于超基準(zhǔn)事故情況下消氫，以保證氫氣濃度不超出10%。系統(tǒng)手冊(cè)中規(guī)定：在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故下，氫氣通過(guò)安全殼大氣監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)（ETY）的移動(dòng)式復(fù)合器去除，但在氫氣含量達(dá)到EUH氫復(fù)合器啟動(dòng)條件時(shí)，非能動(dòng)氫復(fù)合器也會(huì)自動(dòng)復(fù)合氫氣。

然而這種把兩種消氫方式簡(jiǎn)單地捏合在一起的設(shè)計(jì)是欠妥的，因?yàn)闊o(wú)論在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故下，還是在超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故下，布置在安全殼內(nèi)的非能動(dòng)氫復(fù)合器總是比移動(dòng)式的消氫裝置先發(fā)揮其消氫功能，而且在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故下，從一回路中釋放氫氣的速度是很緩慢，安全殼內(nèi)氫氣濃度達(dá)到可燃濃度大約需要50～70天。而一臺(tái)非能動(dòng)消氫裝置的處理能力就至少為2.4kg/h，且在復(fù)合器安全殼內(nèi)布點(diǎn)較多，完全能滿足消氫要求，使氫氣濃度保持在一個(gè)非常低濃度水平。如果這時(shí)再將投入移動(dòng)式消氫裝置，只能增加操作人員的額外工作量和受照劑量，是不適宜的。

另外，對(duì)于大型干式壓水堆安全殼，它有較大的安全殼體積和較強(qiáng)的壓力承載能力，所以氫氣不太可能在安全殼內(nèi)發(fā)生整體爆炸，更大的威脅是由于局部氫氣濃度過(guò)高而產(chǎn)生局部的爆炸。在氫氣釋放率較低的情況下，可以通過(guò)在合理的位置適當(dāng)增加復(fù)合器的數(shù)量的方式來(lái)有效緩解氫氣。但在特別嚴(yán)重的事故下，可能在短時(shí)間內(nèi)釋放大量氫氣，這時(shí)僅靠氫氣復(fù)合器來(lái)消除氫氣是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。在沒(méi)有其他緩解措施的情況下，氫氣將在安全殼內(nèi)聚集，一旦達(dá)到氫氣的可燃濃度，就有可能發(fā)生燃燒，甚至爆炸。

圖1表示在僅有復(fù)合器和有點(diǎn)火器參與時(shí)局部氫氣濃度的變化情況。只采用氫氣復(fù)合器時(shí)，在0～350s內(nèi)，局部氫氣平均濃度大于4%，最高時(shí)達(dá)到22%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了氫氣的可燃濃度下限，在350 s后，氫氣濃度才緩慢降至4%；在采用了復(fù)合器聯(lián)合點(diǎn)火器的措施后，氫氣濃度在極短的時(shí)間內(nèi)降低至4%，隨后由于氫氣復(fù)合器的作用，氫氣以比較緩和的方式在房間內(nèi)被消除。

因此，不能以安全殼內(nèi)的最終的氫氣濃度狀態(tài)來(lái)斷定只采用氫氣復(fù)合器是否足夠緩解氫氣燃爆風(fēng)險(xiǎn)。在事故早期采取點(diǎn)火器可以安全有效地降低氫氣濃度，消除氫氣燃燒爆炸的威脅；在事故中后期，采取氫氣復(fù)合器可以在低于氫氣可燃濃度，或者水蒸氣惰化的情況下持續(xù)、安全、有效地消除氫氣。AP1000堆型具有專設(shè)的安全殼氫氣控制系統(tǒng)VLS，包括3個(gè)氫氣濃度監(jiān)測(cè)器、2個(gè)非能動(dòng)自動(dòng)催化復(fù)合器，以及布置在安全殼內(nèi)的64個(gè)氫氣點(diǎn)火器，采用主動(dòng)點(diǎn)火與自動(dòng)催化相結(jié)合的方式消除氫氣，具有一定的借鑒意義。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]