反應(yīng)堆安全殼氫氣控制措施簡介

陶舒暢 葉 竹 秦 婧 曲自信 頡利東

0 前言

1979 年美國三哩島核電廠事故過程中，反應(yīng)堆壓力容器上部不可凝氣體的積聚對電廠安全造成了重大威脅。燃料元件的主要成分包括鋯氧化物，在發(fā)生燃料包殼燒毀的嚴(yán)重事故下，鋯-水反應(yīng)會產(chǎn)生大量的氫氣，這些氫氣釋放到安全殼，最終會由于氫氣燃燒造成了約0.2 MPa 的安全殼峰值壓力，對安全殼內(nèi)的設(shè)備造成了破壞并直接威脅到安全殼的完整性。

核電廠事故發(fā)生后的氫氣風(fēng)險受到了廣泛的關(guān)注。各國都制定相關(guān)的管理規(guī)程，對反應(yīng)堆失水事故（LOCA）后安全殼內(nèi)氫氣的長期產(chǎn)生和分布情況提出了控制要求。過去的考慮更多針對設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故，氫氣緩解主要通過啟動堆芯應(yīng)急冷卻系統(tǒng)來維持堆芯內(nèi)金屬與水的反應(yīng)在較低強(qiáng)度下，從而限制氫氣產(chǎn)生。堆芯與安全殼地坑內(nèi)水輻照分解等產(chǎn)生氫氣的過程相對較慢，在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故下，氫氣聚集到可燃濃度的時間足夠啟動不同措施來控制安全殼內(nèi)氫氣濃度，防止爆炸。大多數(shù)核電站都采取氣體混合裝置和復(fù)合器來保證局部氫氣濃度在4%以下。目前，世界各國對氫氣的產(chǎn)生、分布、燃燒、爆炸以及氫氣風(fēng)險的預(yù)防與緩解等方面進(jìn)行了眾多的研究，并發(fā)展了許多的氫氣緩解和控制系統(tǒng)[1-3]，如復(fù)合器、點(diǎn)火器、惰化措施等。

本文總結(jié)了反應(yīng)堆安全殼氫氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)當(dāng)遵循的法規(guī)、章程等，介紹了目前氫氣控制的主流措施，并系統(tǒng)闡述了不同控制控制措施的主要優(yōu)缺點(diǎn)，以便為反應(yīng)堆安全殼氫氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

1 氫氣控制相關(guān)法規(guī)、章程

1.1 美國法規(guī)、章程

美國聯(lián)邦法規(guī)10，Code of Federal Regulations 50.34 中規(guī)定，氫氣控制系統(tǒng)應(yīng)能夠安全地容納100%材料包殼金屬-水反應(yīng)所產(chǎn)生的氫氣：

（1）如果事故釋放出相當(dāng)于100%包殼金屬-水反應(yīng)所產(chǎn)生的氫氣，氫氣控制系統(tǒng)必須保證安全殼內(nèi)平均氫氣濃度在10%以下，或者事故后安全殼大氣不能夠支持燃燒。

（2）氫氣積累的區(qū)域不會發(fā)生導(dǎo)致安全殼完整性或關(guān)鍵緩解措施喪失的不可控爆燃或爆炸。

（3）如果事故釋放出相當(dāng)于100%包殼金屬-水反應(yīng)所產(chǎn)生的氫氣，在氫氣控制系統(tǒng)運(yùn)行創(chuàng)造的環(huán)境條件下，觸發(fā)并維持反應(yīng)堆安全停堆以及維持安全殼完整性所需要的關(guān)鍵設(shè)備可以完成其安全功能。

（4）如果氫氣控制方法選擇了事故后惰化系統(tǒng)，那么電廠正常運(yùn)行期間氫氣控制系統(tǒng)的意外動作造成的后果可以被消納。

美國聯(lián)邦法規(guī)10，Code of Federal Regulations 50.44 對核反應(yīng)堆中可燃?xì)怏w的控制還有如下規(guī)定：

（1）所有的安全殼都必須有能力保證一個混合稀釋的環(huán)境，即在安全殼的任意部分，可燃?xì)怏w的濃度都小于燃燒和爆炸所需濃度。

（2）所有Mark I 和Mark II 沸水堆安全殼都必須維持惰化的環(huán)境，即安全殼內(nèi)氧氣濃度保持在4%以下。

（3）惰化后的安全殼必須有氧氣濃度檢測設(shè)施。在超出設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故的情況下，氧濃度檢測設(shè)施必須能夠可行、可靠的持續(xù)測量安全殼內(nèi)氧氣濃度。

（4）安全殼內(nèi)必須有氫氣濃度檢測設(shè)施。在超出設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故的情況下，氫濃度檢測設(shè)施必須能夠可行、可靠的持續(xù)測量安全殼內(nèi)氫氣濃度。

1.2 中國相關(guān)法規(guī)、章程

中國國家核安全局（NNSA）2002 年在《新建核電廠設(shè)計(jì)中幾個重要安全問題的技術(shù)政策》中有如下規(guī)定：

（1）壓力容器的支撐和堆腔結(jié)構(gòu)應(yīng)能承受壓力容器熔穿的影響，對安全殼內(nèi)部構(gòu)筑物應(yīng)考慮局部氫爆燃等影響。

（2）在嚴(yán)重事故下應(yīng)能維持安全殼的完整性。要考慮可燃?xì)怏w的燃爆效應(yīng)，必須消除威脅安全殼完整性的大體積氫爆燃。

此外，國家核安全局在2004 年頒布實(shí)施的《核動力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定》中對安全殼內(nèi)氣體的控制和凈化提出了要求：

（1）必要時，必須設(shè)置用以控制可能釋放到反應(yīng)堆安全殼內(nèi)的裂變產(chǎn)物、氫、氧和其他物質(zhì)的系統(tǒng)，借以：a）減少設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故下可能釋放到環(huán)境的裂變產(chǎn)物的數(shù)量。b）控制設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故下安全殼氣體中的氫或氧和其他物質(zhì)的濃度，以防止可能危及安全殼完整性的爆燃或爆炸。

（2）安全殼氣體凈化系統(tǒng)的部件和設(shè)施必須在假設(shè)單一故障下要求具有適當(dāng)?shù)亩嘀匦?，以保證安全組合完成所要求的安全功能。

（3）必須充分考慮在嚴(yán)重事故下控制可能產(chǎn)生或釋放的裂變產(chǎn)物、氫和其他物質(zhì)的措施。

2 氫氣控制措施

2.1 混合（Mixing）

將氫氣與安全殼內(nèi)空氣混合是最容易實(shí)現(xiàn)的一種氫氣控制方式。對于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故和大部分嚴(yán)重LOCA 事故條件下，通過混合稀釋氫氣并維持氫氣濃度在燃燒極限以下是短期內(nèi)氫氣緩解的一種主要方式。大型干式安全殼獨(dú)有的氫氣混合能力可以稀釋大量氫氣并保證可燃濃度不會達(dá)到?；旌峡赏ㄟ^一些自然機(jī)理實(shí)現(xiàn)，例如對流和擴(kuò)散，包括能夠有效利用自然機(jī)理的安全殼設(shè)計(jì)。一些工程系統(tǒng)，如冰冷凝器和噴淋器等，可以加強(qiáng)或有效利用這些自然機(jī)理。一定的能動設(shè)備可以創(chuàng)造所需要的混合和擴(kuò)散模式，例如風(fēng)扇、冷卻器或通風(fēng)系統(tǒng)等。盡管混合是一種有效的氫氣緩解方式，但是當(dāng)氫氣釋放量超過了安全殼內(nèi)空氣能夠稀釋的范圍時，仍然需要其他的方式來避免可燃?xì)怏w的形成。

2.2 事故預(yù)惰化（Pre-inerting）

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(yùn)行之前，必須降低安全殼空氣中氧氣的濃度。為了達(dá)到這個目的，通常向安全殼內(nèi)注入氮?dú)鈦斫档脱鯕獾臐舛?，使其保持在氫氣的可燃濃度水平以下?/p>

圖1 Mark Ⅰ安全殼可燃?xì)怏w控制系統(tǒng)

圖1 為Mark Ⅰ沸水堆安全殼可燃?xì)怏w控制系統(tǒng)示意圖。Mark Ⅰ沸水堆在正常運(yùn)行期間主安全殼內(nèi)氧氣體積濃度必須維持在4%以下。當(dāng)主安全殼內(nèi)氧氣濃度超過限制時，要求在24小時內(nèi)恢復(fù)氧氣濃度在4%以下；如果相應(yīng)的動作或者需要的時間不能滿足，那就要求反應(yīng)堆功率在8 小時內(nèi)降低到額定功率的15%以下。

安全殼惰化系統(tǒng)由一套氮?dú)鈨艋?yīng)設(shè)備和一套氮?dú)庋a(bǔ)給供應(yīng)設(shè)備組成。氮?dú)鈨艋?yīng)設(shè)備用來創(chuàng)造主安全殼內(nèi)初始的惰化環(huán)境。氮?dú)鈨艋?yīng)設(shè)備包括一個液氮儲存箱，一個氣體發(fā)生器（使液氮轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w狀態(tài)）和向安全殼通風(fēng)線路傳遞氮?dú)獾拈y門管道組成。氮?dú)馔ㄟ^凈化供應(yīng)管線以1.416-2.14 m3/s 的速率供給主安全殼，同時主安全殼內(nèi)的氣體被排放到備用氣體處理系統(tǒng)（Standby Gas treatment System，SGTS）或者 HVAC 系統(tǒng)（Heating Ventilation and Air Conditioning System，HVAC）的排氣通風(fēng)管。這個過程一直持續(xù)到主安全殼內(nèi)氧氣濃度低于4%，大約經(jīng)歷四個小時和3-5 個安全殼氣體體積的變化。

主安全殼內(nèi)的惰化環(huán)境形成以后，氮?dú)庋a(bǔ)給供應(yīng)設(shè)備按照溫度的變化以及泄露的要求繼續(xù)向安全殼內(nèi)供應(yīng)氮?dú)狻５獨(dú)庋a(bǔ)給管線和凈化管線共用一個液氮儲存箱和自帶的氣體發(fā)生器。補(bǔ)給管線通過閥門調(diào)節(jié)經(jīng)由管道向主安全殼內(nèi)提供氮?dú)?，主安全殼由于氮?dú)獾墓┙o會保持輕微的正壓力。

2.3 事故后惰化（Post-accident inerting）

事故后惰化就是在事故發(fā)生后，向安全殼內(nèi)注射不可燃?xì)怏w或者燃燒抑制氣體，例如氮?dú)夂投趸?。能否在形成可燃混合氣體之前迅速地注入氣體，取決于操縱員的干預(yù)，因此這個措施除了需要相應(yīng)的設(shè)備系統(tǒng)外，還需要一套切實(shí)可行的事故判斷準(zhǔn)則。目前，事故后惰化系統(tǒng)尚未應(yīng)用于核電廠，但是理論研究表明事故后惰化能夠有效阻止氫氣的燃燒，但同時會導(dǎo)致安全殼壓力升高，因此放射性向外界泄漏的概率也相應(yīng)增加。

2.4 事故后稀釋（Post-accident dilution）

事故后稀釋是通過按照一定方式向安全殼內(nèi)注射少量的不可燃?xì)怏w來達(dá)到與完全惰化相同的效果。完全惰化會導(dǎo)致安全殼升壓，帶來安全性影響。而且事故后惰化的操作規(guī)程和系統(tǒng)啟動準(zhǔn)則等尚有許多不確定性。為了避免氫氣局部爆炸，在氫氣釋放源附近注射少量惰化氣體，可以明顯地降低該區(qū)域混合氣體爆炸的可能性。目前，事故后稀釋已經(jīng)得到了分析論證，但是還沒有投入到實(shí)際應(yīng)用中的例子。

2.5 催化復(fù)合器（Catalytic recombination）

催化復(fù)合器利用催化劑使氫氣和氧氣在可燃濃度范圍以外發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生水。最新的氫氣復(fù)合器是非能動的，利用氧化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量使氣體流動，形成自然循環(huán)。非能動氫氣復(fù)合器（PAR）不需要外界能量或者操作者干預(yù)，只需要將復(fù)合器安裝在安全殼內(nèi)合適的位置。催化復(fù)合器的應(yīng)用強(qiáng)化了氣流在安全殼隔間內(nèi)的對流，同時也加強(qiáng)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，它容易受到傳質(zhì)限制，而且不能夠應(yīng)對較高的氫氣釋放速率，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。非能動氫復(fù)合器在任何反應(yīng)堆設(shè)計(jì)中都可以很好地被接受，目前經(jīng)濟(jì)簡化型沸水堆ESBWR 的安全殼設(shè)計(jì)也采用PAR 來控制氧氣濃度。

圖2 ESBWR 安全殼可燃性氣體控制系統(tǒng)

圖2 為ESBWR 安全殼可燃性氣體控制系統(tǒng)（Flammability Control System，F(xiàn)CS）緩解氫氣風(fēng)險示意圖。事故后，當(dāng)安全殼內(nèi)氧氣濃度較高時，F(xiàn)CS 通過氫氣復(fù)合器（PAR）來消除氫氣，降低氫氣濃度，緩解氫風(fēng)險。FCS 不需要輔助電力、輔助系統(tǒng)和任何操作，是完全非能動的系統(tǒng)。ESBWR 安全殼濕井內(nèi)均勻分布了三個氫氣復(fù)合器，它們安裝在濕井較高的位置，從而可以避免池膨脹沖擊載荷。干井內(nèi)有兩個完整能力單元的PAR，它們以四分之一能力單元的形式分布在干井容易出現(xiàn)冷凝的區(qū)域，其中的六個四分之一的單元分布在干井頂部，其余兩個四分之一單元分布在干井下部。

2.6 直接點(diǎn)火（Deliberate ignition）

主動點(diǎn)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(jī)的點(diǎn)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(diǎn)火器主動點(diǎn)燃?xì)錃?，使之緩慢燃燒，不讓氫氣累積，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。目前較為成熟的點(diǎn)火器有火花塞式點(diǎn)火器（Glow-plug igniter）、電擊發(fā)式點(diǎn)火器（Spark igniter）、催化式點(diǎn)火器（Catalytic igniter）三種。

Mark III 安全殼體積較大，惰化措施不再適用于此類安全殼。Mark III 安全殼通常采用混合，氫氣復(fù)合器或直接點(diǎn)火的方式控制氫氣。

圖3 Mark III 安全殼可燃?xì)怏w控制系統(tǒng)

如圖3 所示，安全殼可燃?xì)怏w控制系統(tǒng)（Containment Combustible Gas Control System，CCGC）可以防止主安全殼內(nèi)氫氣濃度超過可燃極限4%。在LOCA 事故后，CCGC 系統(tǒng)能夠混合干井內(nèi)和安全殼內(nèi)的氣體。當(dāng)干井內(nèi)氫氣濃度開始增加的時候，干井混合壓縮機(jī)會由操作人員人工啟動。安全殼內(nèi)的空氣由泵抽取到干井內(nèi)，使干井內(nèi)壓力上升。干井壓力的升高會抑制環(huán)形噴水閥，從而使干井內(nèi)的氣體與安全殼內(nèi)的氣體混合。LOCA 事故后，盡管干井內(nèi)的氣體混合持續(xù)進(jìn)行，但是氫氣一直在產(chǎn)生，最終安全殼內(nèi)氫氣濃度會達(dá)到4%可燃極限。這時要求氫氣復(fù)合器和氫氣點(diǎn)火系統(tǒng)人工啟動來消除氫氣。干井壓力通過排氣和后備清洗管線排放到環(huán)形屏蔽建筑內(nèi)。如果LOCA 事故時氫氣復(fù)合器不能正常運(yùn)行，干井內(nèi)的排氣閥門會打開用以后備清洗。這條流通路徑允許大約0.047 m3/s 的空氣從干井流向環(huán)形屏蔽建筑，然后氣體在環(huán)形建筑內(nèi)消除或者由備用氣體處理系統(tǒng)處理。

3 氫氣控制措施總結(jié)與比較

針對不同的反應(yīng)堆安全殼，應(yīng)根據(jù)反應(yīng)堆系統(tǒng)特點(diǎn)選擇安全殼氫氣控制措施。表1 總結(jié)了幾類主要安全殼內(nèi)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故和嚴(yán)重事故下氫氣控制的方式。根據(jù)前方描述，表2 總結(jié)了六種常見氫氣緩解措施的優(yōu)劣。

表1 不同類型安全殼氫氣控制措施

4 結(jié)論

由于受美國三哩島核電廠事故的影響，反應(yīng)堆安全殼氫氣控制受到越來越廣泛的關(guān)注。本文首先介紹了法規(guī)、規(guī)程對安全殼氫氣控制方面的規(guī)定，接著介紹了目前的控氫措施及每種措施的特點(diǎn)，最后總結(jié)了不同類型安全殼所采用氫氣控制策略并比較了不同控氫措施的特點(diǎn)，為反應(yīng)堆安全殼氫氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一定的參考。

表2 不同氫氣緩解措施比較