核電廠氫氣控制系統(tǒng)布置原則與現(xiàn)場踏勘問題探討

丁 超，徐 朋，仇蘇辰，李 揚(yáng)，宋明強(qiáng),*

（1.生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心，北京 100082；2.生態(tài)環(huán)境部華東核與輻射安全監(jiān)督站，上海200233；3.福建福清核電有限公司，福清 350318）

2016年新發(fā)布的《核動力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定》（HAF 102—2016）［1］要求：“設(shè)計(jì)必須做到實(shí)際消除可能導(dǎo)致早期放射性釋放或大量放射性釋放的核動力廠工況發(fā)生的可能性”“安全設(shè)計(jì)的基本目標(biāo)是在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)減輕放射性后果的場外防護(hù)行動是有限的甚至是可以取消的”。為實(shí)現(xiàn)HAF 102—2016提出的安全目標(biāo)，國家核安全局發(fā)布了《“華龍一號”融合方案核電項(xiàng)目審評原則》（簡稱《審評原則》）［2］，其中，對嚴(yán)重事故下安全殼內(nèi)可燃?xì)怏w控制提出設(shè)計(jì)要求：“采取氫氣復(fù)合器、氫氣點(diǎn)火器等措施控制安全殼內(nèi)可燃?xì)怏w濃度時(shí)，應(yīng)明確這些裝置的布置原則，并輔以評價(jià)，表明布置原則的合理性”?！秾徳u原則》在嚴(yán)重事故可燃?xì)怏w安全分析中，著重強(qiáng)調(diào)可燃?xì)怏w控制裝置的布置原則。因此，全面地認(rèn)識并提出適用于我國先進(jìn)壓水堆核電廠技術(shù)的氫氣控制裝置布置原則，對提高我國核電廠氫氣安全水平具有重要意義。

1 氫氣安全分析的構(gòu)架

氫氣安全分析是嚴(yán)重事故安全分析中的重要內(nèi)容，其目的是驗(yàn)證氫氣控制系統(tǒng)的有效性。氫氣安全分析的主要內(nèi)容包括：（1）質(zhì)能釋放分析，使用MAAP等一體化程序分析嚴(yán)重事故瞬態(tài)，計(jì)算質(zhì)能釋放源項(xiàng)；（2）整體消氫效果分析，使用集總參數(shù)法程序分析安全殼內(nèi)平均氫氣濃度，確定非能動復(fù)合器的總個(gè)數(shù)和總體布置原則，并驗(yàn)證消氫系統(tǒng)的有效性；（3）總體方案評估，對確定的氫氣控制系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算和評估，包括氫氣燃燒風(fēng)險(xiǎn)評估、安全殼內(nèi)溫度與壓力的評估等。

典型結(jié)合集總參數(shù)法程序與三維CFD程序的氫氣安全分析計(jì)算路線圖［3］如圖1所示。氫氣安全分析中的定量化驗(yàn)收準(zhǔn)則為：按照反應(yīng)堆堆芯活性區(qū)全部的鋯與水發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣量評價(jià)安全殼內(nèi)氫氣控制措施，安全殼內(nèi)平均氫氣濃度小于10%［4］。在安全分析中僅以10%的驗(yàn)收準(zhǔn)則分析消氫控制的有效性是不夠的，但是國內(nèi)缺少足夠翔實(shí)的布置原則以及相應(yīng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)實(shí)踐。

圖1 核電廠氫氣風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算分析技術(shù)路線示意圖Fig.1 Technical roadmap of hydrogen risk analysis calculation for NPP

2 國際上布置原則的調(diào)研

2.1 美國先進(jìn)核電廠對布置原則的考慮

SYSTEM80+是美國ABB/CE公司設(shè)計(jì)的一座1 350 MW的先進(jìn)核電廠，該核電廠遵照先進(jìn)輕水堆用戶要求文件（URD）和美國核管會關(guān)于先進(jìn)核電廠嚴(yán)重事故的政策要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且按照核管會新的執(zhí)照程序獲得了FDA（Final Design Approval，最終設(shè)計(jì)批準(zhǔn)）［5］。

2.1.1 氫氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

（1）氫氣點(diǎn)火器系統(tǒng)將安全殼整體氫氣濃度控制在8%以下，局部氫氣濃度控制在10%以下，確保安全殼內(nèi)不會發(fā)生爆炸。安全殼的完整性通過等容絕熱燃燒（AICC）峰值壓力小于ASME Level C限值的分析來驗(yàn)證說明。

（2）對于局部子空間或小房間內(nèi)氫氣濃度高于10%的情況，需要保證氫氣混合物不會爆炸（通過蒸汽惰化或氧氣耗盡等辦法實(shí)現(xiàn)），即使爆炸也不會威脅安全殼的完整性。

2.1.2 氫氣控制系統(tǒng)布置原則制訂的主要依據(jù)

SYSTEM80+氫氣控制系統(tǒng)相關(guān)布置原則是基于比例臺架的試驗(yàn)觀測結(jié)果制訂的，在其制訂中，首先設(shè)置考慮因素的優(yōu)先次序，并按照功能對布置準(zhǔn)則進(jìn)行了分類概述：

（1）可靠性及電源冗余性；

（2）布置位置的可維修性；

（3）技術(shù)性布置準(zhǔn)則：

a.點(diǎn)火器布置的流道技術(shù)要求，首先應(yīng)考慮主導(dǎo)流通通道，同時(shí)考慮二級流通通道，且應(yīng)布置在氫氣容易點(diǎn)著的位置。技術(shù)布置準(zhǔn)則主要基于從試驗(yàn)觀測結(jié)果中歸納的專家判斷制訂。

b.封閉空間是氫氣容易聚集區(qū)域，同時(shí)也可能成為氫氣釋放的源項(xiàng)。為控制封閉區(qū)域在通風(fēng)條件下的氫氣風(fēng)險(xiǎn)，SYSTEM80+的所有封閉空間至少布置一臺點(diǎn)火器。

c.點(diǎn)火器布置的間隔距離同樣基于比例試驗(yàn)結(jié)果設(shè)置：點(diǎn)火器之間間隔50～75 in（1 in=0.304 8 m）；為了促進(jìn)火焰向上燃燒，點(diǎn)火器距離房頂至少10 in。

2.2 歐洲先進(jìn)核電廠對布置原則的考慮

歐洲壓水堆核電廠（EPR）機(jī)組由Framatome-ANP聯(lián)合EDF以及德國用戶開發(fā)，以法國N4和德國KONVOI機(jī)組為基礎(chǔ)，采用先進(jìn)核電技術(shù)演變而來。機(jī)組的設(shè)計(jì)考慮了法、德安全專家提出的“下一代壓水堆設(shè)計(jì)和建造的技術(shù)要求”［6］。

2.2.1 氫氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)安全要求

法國對于壓水堆氫氣控制系統(tǒng)有以下3方面的設(shè)計(jì)安全要求：

（1）AICC壓力應(yīng)小于安全殼的設(shè)計(jì)壓力；

（2）為避免安全殼內(nèi)的整體燃燒，要求安全殼內(nèi)平均氫氣濃度小于8%；

（3）為降低發(fā)生火焰加速的可能性，降低動態(tài)壓力載荷，要求安全殼局部氫氣濃度小于10%。

2.2.2 氫氣控制系統(tǒng)布置原則制訂的主要依據(jù)

非能動氫氣復(fù)合器布置原則是：保持復(fù)合器周圍良好的通風(fēng)條件，實(shí)現(xiàn)復(fù)合器有較大的進(jìn)氣和出氣流量，以增強(qiáng)復(fù)合器的工作效果。

非能動氫氣復(fù)合器與安全相關(guān)設(shè)備之間應(yīng)留有合適的距離。例如，復(fù)合器的布置應(yīng)與安全相關(guān)電纜托架之間留出合適的距離，以避免復(fù)合器的出口高溫對電纜造成損壞而失效。相應(yīng)的定量化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與布置原則［7］如下：

（1）在距離非能動復(fù)合器入口、出口半徑0.5 m的范圍內(nèi)，不應(yīng)有障礙物。本條原則同樣適用于復(fù)合器入口與地面的最小距離，以及出口與房頂?shù)淖钚【嚯x；

（2）在距離復(fù)合器0.2 m的范圍內(nèi)，不應(yīng)有易燃設(shè)備和物品；

（3）在距離復(fù)合器5 m的范圍內(nèi)，不應(yīng)有用于嚴(yán)重事故管理的安全相關(guān)設(shè)備（布置在復(fù)合器表面的熱電偶?xì)浔頊y量系統(tǒng)除外）。

3 核電廠現(xiàn)場踏勘中發(fā)現(xiàn)的問題

氫氣控制系統(tǒng)布置原則的制訂離不開對現(xiàn)場情況的考慮。筆者以現(xiàn)場踏勘的方式，實(shí)際走訪了正在建設(shè)安裝階段的反應(yīng)堆廠房（安全殼內(nèi)），發(fā)現(xiàn)了一些重要問題，舉例如下：

（1）安全殼主要隔間的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而三維氫氣安全分析計(jì)算均以簡化的方式進(jìn)行處理，存在不確定性。

以蒸汽發(fā)生器隔間與穩(wěn)壓器隔間為例，如圖2～圖5所示。隔間內(nèi)的布置非常復(fù)雜、緊密，而在氫氣三維計(jì)算的實(shí)際建模中采用的系統(tǒng)設(shè)備與隔間的尺寸都來自二維的設(shè)計(jì)圖紙，對于流道上的障礙物，如格柵樓板、樓梯等均以模型簡化的方式處理，存在不確定性。同時(shí)，筆者在現(xiàn)場踏勘中發(fā)現(xiàn)蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器等主設(shè)備在加裝保溫層后，體積增加了很多，隔間中相應(yīng)的流通截面隨之減小。

（2）以掛墻的方式安裝非能動氫氣復(fù)合器受較大的空間限制。

氫氣本身的密度較空氣要小很多，從一回路中釋放的氫氣在事故中將主要向上流動和擴(kuò)散。相應(yīng)地，非能動氫氣復(fù)合器也需要在隔間的上部區(qū)域布置。但是從穩(wěn)壓器與蒸汽發(fā)生器隔間的現(xiàn)場踏勘情況來看，如圖2～圖5所示，隔間內(nèi)部豎直方向上的空間較狹窄，而氫氣復(fù)合器的體積又比較大，在隔間內(nèi)部墻面上布置存在空間限制。

圖2 蒸汽發(fā)生器隔間現(xiàn)場圖（一）Fig.2 Scene of steam generator compartment(1)

圖3 蒸汽發(fā)生器隔間現(xiàn)場圖（二）Fig.3 Scene of steam generator compartment(2)

圖4 穩(wěn)壓器隔間現(xiàn)場圖（一）Fig.4 Scene of pressurizer compartment(1)

圖5 穩(wěn)壓器隔間現(xiàn)場圖（二）Fig.5 Scene of pressurizer compartment(2)

（3）主泵隔間頂部的蓋板在事故期間是否能夠保持敞開需要重點(diǎn)關(guān)注

現(xiàn)場踏勘發(fā)現(xiàn)，主泵隔間上方的蓋板在建造安裝階段關(guān)閉，如圖6、圖7所示。主泵隔間上方的開口是主泵隔間重要的氣體流通通道，決定可燃?xì)怏w是否會在主泵隔間發(fā)生聚集。因此，必須確定主泵隔間的蓋板在核電廠運(yùn)行及事故情況下的打開情況。

圖6 主泵隔間現(xiàn)場圖（一）Fig.6 Scene of primary pump compartment(1)

圖7 主泵隔間現(xiàn)場圖（二）Fig.7 Scene of primary pump compartment(2)

（4）卸壓箱隔間上部的流通通道的管線布置情況

卸壓箱隔間中，盡管在卸壓箱的斜上方有較大的開口，增加了隔間的流通性，但隔間流通通道上布置了很多管線，例如，穩(wěn)壓器排放管線、儀控線纜橋架、金屬套管線纜等，如圖8、圖9所示。一方面，由于卸壓箱隔間上方的流通通道是氫氣流通擴(kuò)散的重要流道，所以，該流道上發(fā)生氫氣燃燒的可能性較大；另一方面，流通通道上的障礙物也會增大發(fā)生湍流的可能性，進(jìn)而增大火焰加速與燃爆轉(zhuǎn)變的風(fēng)險(xiǎn)。因此，氫氣主要流道上的管線布置需要通過布置原則的制訂和執(zhí)行來進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)。

圖8 卸壓箱隔間現(xiàn)場圖（一）Fig.8 Scene of relief tank compartment(1)

圖9 卸壓箱隔間現(xiàn)場圖（二）Fig.9 Scene of relief tank compartment(2)

4 我國布置原則的初步探討

根據(jù)對美國和歐洲氫氣控制系統(tǒng)布置原則的調(diào)研可知：系統(tǒng)全面的布置原則首先應(yīng)包括安全目標(biāo)；其次至少應(yīng)包括：技術(shù)類布置原則、可維修性以及對其他設(shè)備的影響等方面；再次，布置原則需要有定量化的技術(shù)要求，不可過于寬泛，不利于現(xiàn)場執(zhí)行；最后，根據(jù)現(xiàn)場踏勘問題總結(jié)：氫氣控制系統(tǒng)的布置應(yīng)結(jié)合氫氣流通擴(kuò)散的主要流道進(jìn)行，并需要安全分析軟件的模擬計(jì)算驗(yàn)證。

4.1 布置原則中優(yōu)先級考慮

以非能動氫氣復(fù)合器為例，安全殼內(nèi)布置原則主要考慮以下3個(gè)方面的優(yōu)先級次序：

（1）保證非能動氫復(fù)合器的消氫效果，具體細(xì)則應(yīng)包括：

a.在氫氣積聚的隔間安裝；

b.應(yīng)考慮氫氣產(chǎn)生的可能位置（管道、設(shè)備高度等因素）、須考慮破口蒸汽沖擊及飛射物沖擊對氫復(fù)合器結(jié)構(gòu)完整性的影響；

c.應(yīng)考慮主要非能動氫氣復(fù)合器引起的氫氣流動，布置位置能夠促進(jìn)安全殼整體大空間和局部氫氣流動和分布；

d.避免布置在噴淋系統(tǒng)可直接噴淋到的區(qū)域；

e.避免噴淋可直接噴射進(jìn)入氫復(fù)合器殼體的開口部分；

f.防止熱沖擊；

g.盡量就高布置，地裝氫氣復(fù)合器的吸入口與地面保持一定距離，以保證氫復(fù)合器良好的流通條件。

（2）保證維修和定期試驗(yàn)，具體細(xì)則應(yīng)包括：a.保證維修和定期試驗(yàn)的可達(dá)性；b.與高放射性設(shè)備保持足夠距離。（3）避免影響其他安全設(shè)備和活動，具體包括：

a.與安全相關(guān)設(shè)備保持足夠距離，盡量避免氫氣復(fù)合器布置在存有嚴(yán)重事故相關(guān)設(shè)備、儀表的隔間內(nèi)；

b.保證不阻礙人員通道；

c.保證不影響附近其他設(shè)備（閥門、管道等）的維修。

4.2 布置原則中的關(guān)鍵難點(diǎn)問題

4.2.1 氫氣主要流通路徑與自然循環(huán)流動的相互影響

在嚴(yán)重事故中，氫氣釋放后一般首先進(jìn)入蒸汽發(fā)生器隔間、主泵隔間或卸壓箱隔間（包含波動管隔間與卸壓箱隔間）。為了防止氫氣在釋放隔間內(nèi)積聚，應(yīng)盡快讓氫氣從安全殼下部位置向上部大空間擴(kuò)散。

對于安全殼內(nèi)的大氣自然循環(huán)，首先應(yīng)在安全殼設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)布置上考慮足夠的流道，例如，EPR在安全殼下部位置設(shè)計(jì)的混合風(fēng)門（Mixing Damper，HMD），可以促進(jìn)安全殼內(nèi)大氣的自然循環(huán)［6］，如圖10所示。一方面氫氣復(fù)合器的運(yùn)行對安全殼內(nèi)大氣自然循環(huán)有促進(jìn)作用；另一方面，氫氣復(fù)合器應(yīng)合理布置在自然循環(huán)流道上，可以提高復(fù)合器進(jìn)氣量和消氫效率。

4.2.2 嚴(yán)重事故設(shè)備可用性的影響

非能動氫氣復(fù)合器的布置應(yīng)考慮對嚴(yán)重事故設(shè)備可用性的影響，盡量避免與這些設(shè)備布置在同一隔間內(nèi)或與其距離盡可能遠(yuǎn)。

4.2.3 氫氣復(fù)合器之間的相互影響

隔間內(nèi)如設(shè)有兩臺及以上氫氣復(fù)合器，布置時(shí)氫氣復(fù)合器之間距離應(yīng)盡量遠(yuǎn)，或安裝于不同區(qū)域。這樣有利于不同區(qū)域的消氫，同時(shí)減少氫氣復(fù)合器之間的相互影響。

圖10 EPR核電站安全殼內(nèi)主要流道及氫氣復(fù)合器布置Fig.10 Main flow channel and placement of PARs in containment of EPR NPP

4.2.4 布置原則中定量化準(zhǔn)則的試驗(yàn)驗(yàn)證問題

美國先進(jìn)核電廠在制訂點(diǎn)火器定量化布置原則時(shí)，進(jìn)行了大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，如SNL FITS（Fully Instrumented Test Facility）試驗(yàn)、VGES（Variable Geometry Experimental System）試驗(yàn)、NTS（Nevada Test Site）試驗(yàn)、LLNL試驗(yàn)（NRC主導(dǎo)）等。非能動氫氣復(fù)合器的定量化布置原則，也應(yīng)有充分的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。

5 結(jié)論

福島核事故后，我國的核安全法規(guī)要求在設(shè)計(jì)上實(shí)際消除早期或大量放射性釋放的可能性。這對氫氣安全分析的論證手段提出了新的挑戰(zhàn)。

優(yōu)化與完善氫氣控制系統(tǒng)布置原則，是滿足“實(shí)際消除”設(shè)計(jì)要求的具體探索與良好實(shí)踐。

布置原則中應(yīng)明確安全目標(biāo)、設(shè)置原則的優(yōu)先級，并盡量提出定量的布置原則要求，布置原則的設(shè)置應(yīng)基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。

氫氣控制系統(tǒng)的布置應(yīng)充分利用和促進(jìn)安全殼內(nèi)的自然循環(huán)，安全殼內(nèi)的大氣流通與消氫效果需要經(jīng)過計(jì)算分析驗(yàn)證。

我國自主設(shè)計(jì)的先進(jìn)反應(yīng)堆，在安全殼內(nèi)隔間設(shè)置與系統(tǒng)布置上都進(jìn)行了改進(jìn)與優(yōu)化。本文通過對國內(nèi)外的氫氣控制系統(tǒng)布置原則的比較研究，為優(yōu)化相關(guān)設(shè)備布置及安全殼隔間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。