AP1000核電站安全殼內(nèi)氫氣控制

胡青松

AP1000核電站作為第三代反應(yīng)堆，在事故情況下安全殼內(nèi)氫氣控制上采取了能動和非能動相結(jié)合的方式控制廠房氫氣濃度。能動控制采用蓄電池供電的了氫氣點火器，非能動控制則采用催化直接化學(xué)反應(yīng)的非能動氫氣復(fù)合器。通過這兩種方式的設(shè)計能夠在設(shè)計基準(zhǔn)事故時，安全殼總體氫氣濃度應(yīng)被限制在4%以內(nèi)。發(fā)生嚴(yán)重事故時，控制安全殼氫氣的濃度水平應(yīng)與規(guī)定要求相一致。同時由于采用了非能動設(shè)計，能夠從根本上避免福島核事故中安全殼氫氣濃度控制失效而導(dǎo)致的氫氣爆炸，保證放射性物質(zhì)控制在安全殼內(nèi)。

氫氣控制系統(tǒng)主要包括3臺氫氣探測器，2臺非能動氫氣復(fù)合器和64個氫氣點火器。其中3臺氫氣探測器可以提供連續(xù)的安全殼氫氣濃度監(jiān)測和指示，為事故后監(jiān)測和事故后緩解操作的運(yùn)行評估提供輸入信號。一旦安全殼內(nèi)氫氣濃度有變化，在10秒內(nèi)就能探測到氫氣濃度變化的90%，在氫氣濃度達(dá)到高值時在主控室和遠(yuǎn)方停堆工作站報警，提醒操縱員采取措施。氫氣探測器是非安全相關(guān)設(shè)備，由非1E級電源供電，主要用于在嚴(yán)重事故后，氫氣濃度快速變化時，為操縱員提供及時的氫氣濃度數(shù)據(jù)，探測器的工作范圍是0-20%氫氣濃度。這個范圍能夠涵蓋氫氣爆燃、爆炸事故的所有氫氣濃度范圍。

非能動氫氣復(fù)合器沒有轉(zhuǎn)動部件，不需要電源或其它任何支持系統(tǒng)，在有反應(yīng)物（氫氣和氧氣）時自動啟動。非能動氫氣復(fù)合器由一個不銹鋼包殼構(gòu)成，不銹鋼包殼提供結(jié)構(gòu)支撐，也為催化材料提供支撐。包殼在底部和上部開口，并在催化層上部延伸而構(gòu)成一個煙囪，這可產(chǎn)生額外的升力來增強(qiáng)效率和裝置的通風(fēng)能力。催化材料被放置在網(wǎng)狀加藥箱內(nèi)或在金屬板酶催化材料上。氣體在加藥箱和金屬板之間的空間流動。在運(yùn)行期間，非能動氫氣復(fù)合器內(nèi)的氣體在復(fù)合過程中被加熱，通過自然對流上升。當(dāng)被加熱的氣體上升時，安全殼氣體混合物被吸入非能動氫氣復(fù)合器的底部，被加熱的同時也產(chǎn)生水蒸氣 ，通過安全殼大氣混合處的煙囪排出。由于在非能動氫氣復(fù)合器內(nèi)的反應(yīng)是放熱反應(yīng)，催化劑的溫度可能達(dá)到600℃甚至更高。正常情況下，氧氣和氫氣只在高溫（約大于600℃）時快速燃燒。然而，在有催化劑的情況下（如鈀基），催化燃燒即使在溫度低于0℃也能發(fā)生。由于催化劑表面原子或分子的吸引力，催化劑的表面可吸收氧和氫。在設(shè)計上，PARs使氫氣復(fù)合速度滿足預(yù)期的LOCA事故時氫氣產(chǎn)生的速率。兩個PARs安裝在安全殼內(nèi)操作平臺上方，分別在標(biāo)高18.9m和20.1m，處于淹沒層的上面，每個與安全殼殼體距離為4m。PARs安放的位置保證了PARs處于氫氣潛在釋放點的上部，離安全殼4m的距離是確保在自然循環(huán)的時不是處于空氣下降區(qū)，而是在自然對流時空氣上升區(qū)，這樣利于含氫氣的空氣從PARs的下部入口進(jìn)入，上部出口出去。

在事故早期階段氫氣積累前，自動復(fù)合器可以使氫氣和氧氣自動復(fù)合，針對氫氣產(chǎn)生比較少的設(shè)計基準(zhǔn)事故，氫氣復(fù)合器完全可以將氫氣濃度控制在安全濃度范圍內(nèi)，針對超基準(zhǔn)事故，可以降低氫氣積累的速度，為操縱員啟動氫氣點火器提供時間。操縱員打開氫氣點火器的有兩個依據(jù)，一個是氫氣探測器來的氫氣濃度，一個是堆芯出口溫度。在發(fā)生嚴(yán)重事故時，相對于氫氣濃度的快速上升，反應(yīng)堆出口溫度會更早的達(dá)到648.9℃，此時操縱員手動打開氫氣點火器。66個氫氣點火器的設(shè)置是針對超基準(zhǔn)事故，控制在發(fā)生嚴(yán)重事故和堆芯融化時，在100% 鋯和水反應(yīng)的氫氣濃度小于10%氫氣濃度，被分為兩組，正常由廠外電供電，當(dāng)廠外電不可用時，由非安全級的備用柴油發(fā)電機(jī)供電，若柴油發(fā)電機(jī)啟動失敗，則由非1E級蓄電池供電4個小時，在發(fā)生此種情況的兩個小時后，需要手動卸載掉蓄電池上的其他負(fù)荷，以保證蓄電池的容量。如果在廠外電源、備用柴油發(fā)電機(jī)喪失的同時，EDS也喪失，在發(fā)生堆芯熔化的嚴(yán)重事故時，VLS不能夠除去安全殼內(nèi)積累的大量氫氣，由于氫氣點火器的功率很小（0.1KW/個），并要求啟動的時間比較早，可以通過在現(xiàn)場配備抗震、抗海嘯、抗水淹的小型柴油發(fā)電機(jī)組，在發(fā)生地震事故后及時向氫氣點火器供電;同時可以考慮在鋼制安全殼頂部加裝放氣閥，在氫氣點火器所有電源喪失后，鋼制安全殼內(nèi)氫氣積聚時，向外可控的排放氫氣，以保證安全殼的完整性。

綜上分析，AP1000核電站基于能動和非能動設(shè)計相結(jié)合的氫氣控制系統(tǒng)能夠在正常運(yùn)行和設(shè)計基準(zhǔn)事故時維持安全殼內(nèi)氫氣濃度在限值范圍內(nèi)，即使發(fā)生福島核事故類似的全廠失電外事故，也有足夠的措施限制氫氣濃度，確保安全殼的安全。