消氫技術(shù)在壓水堆核電站中的應(yīng)用比較

李　坤（中核遼寧核電有限公司 ，遼寧 葫蘆島 125100）

消氫技術(shù)在壓水堆核電站中的應(yīng)用比較

李坤
（中核遼寧核電有限公司 ，遼寧 葫蘆島 125100）

摘要：本文對VVER機組及第三代非能動壓水堆核電機組對消氫技術(shù)的應(yīng)用進行了比較，分析存在的問題并提出了改進建議，可作為國內(nèi)新建核電廠的設(shè)計借鑒。

關(guān)鍵詞：VVER；安全殼；設(shè)計基準事故；消氫技術(shù)； 氫氣點火器； 對比

為保證設(shè)計基準事故和嚴重事故期間核電站安全殼的完整性，防止放射性物質(zhì)進入環(huán)境，壓水堆核電機組中都設(shè)置了不同的安全殼消氫系統(tǒng)來控制事故工況下安全殼內(nèi)氫氣的濃度。

1　國內(nèi)壓水堆核電機組消氫技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

在國內(nèi)壓水堆核電機組安全殼氫氣控制中，二代核電機組依靠移動式能動復(fù)合器、二代改進型壓水堆核電機組依靠移動式能動復(fù)合器加非能動復(fù)合器，而VVER機組和第三代非能動壓水堆核電機組的安全殼消氫技術(shù)則相對完善。

2　VVER機組消氫系統(tǒng)

VVER機組安全殼消氫系統(tǒng)由JMU10、JMU20、JMT三個子系統(tǒng)組成。JMU10子系統(tǒng)用于嚴重事故工況下安全殼內(nèi)氫氣和氧氣濃度的監(jiān)測；JMU20子系統(tǒng)用于正常運行和設(shè)計基準事故工況下安全殼內(nèi)氫氣濃度的監(jiān)測；JMT子系統(tǒng)由44個非能動氫氣復(fù)合器組成，通過催化反應(yīng)減小安全殼內(nèi)的氫氣濃度，保障事故工況時安全殼的氫安全。

圖1　氫氣點火器結(jié)構(gòu)簡圖

2.1 JMU20子系統(tǒng)

JMU20氫濃度分析子系統(tǒng)分布在反應(yīng)堆廠房內(nèi)，實現(xiàn)在正常運行工況和設(shè)計基準事故工況下對反應(yīng)堆廠房內(nèi)氫濃度的連續(xù)測量。該子系統(tǒng)最多可達16個測量通道，并且這16個通道可以連接到一個主模件上，JMU20氫濃度分析子系統(tǒng)的測點主要分布在反應(yīng)堆廠房內(nèi)氫氣容易產(chǎn)生和聚集的位置，氫氣濃度信號送到主控室和備控室操縱員OM畫面顯示。當待測區(qū)域氫氣體積濃度大于4%時，主控室和備控制室的OM上同時給出報警信號，提醒操縱員及時采取措施防止氫氣濃度上升達到爆炸極限。

2.2 JMU10子系統(tǒng)

JMU10系統(tǒng)配置有13塊氫表和8塊氧表，正常運行時JMU10不投入。當發(fā)生嚴重事故時，投入JMU10用于檢測氫氣和氧氣濃度，JMU10由專門用于嚴重事故時的XKA70移動式柴油機帶載，保證了嚴重事故時VVER機組具備氫氣監(jiān)測能力。測量結(jié)果能同時在主控室和備控室得到顯示和記錄，為操縱員提供了良好的信息支持。

2.3 JMT子系統(tǒng)

JMT子系統(tǒng)由44個非能動催化復(fù)合器（PAR）組成，用于燃燒掉事故工況下安全殼內(nèi)的氫氣，使安全殼內(nèi)氫氣濃度降低，保障噴淋系統(tǒng)運行期間的氫安全。

2.3.1 非能動催化復(fù)合器（PAR）的工作原理

PAR的核心部分是催化板，催化板的材料為不銹鋼，其外面包著一層氧化鋁，氧化鋁上面粘著催化劑（鉑/鈀）。催化劑的主要成分是鉑，鈀是為了加快在低溫下反應(yīng)的初始速度而涂在板上的。催化反應(yīng)步驟：第1步，大量的H2和O2從蒸汽中通過邊界層進入催化劑表面；第2步，H2和O2進入內(nèi)部毛孔結(jié)構(gòu)的活性中心；第3~5步，在表面反應(yīng)產(chǎn)生水；第6步，水從內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)擴散到催化劑表面；第7步，大量的水從催化劑表面通過邊界層進入安全殼內(nèi)。

2.3.2 非能動催化復(fù)合器（PAR）在事故工況下的運行

JMT子系統(tǒng)的44個氫氣復(fù)合器有兩種型號，16個FR1-750T，每個含有75塊催化板；28個FR1-1500T，每個含有150個催化板。當發(fā)生超設(shè)計基準事故時，在安全殼內(nèi)氫氣濃度高于2%體積濃度時氫氣復(fù)合器開始工作，在氧氣濃度低于5%體積濃度時停止工作，不需要外部電源和控制設(shè)備。氫氣復(fù)合器工作環(huán)境壓力小于等于0.7MPa，工作環(huán)境溫度在150℃之下（設(shè)計基準事故）和250℃之下（超設(shè)計基準事故），在濕度100% 的環(huán)境下能正常運行。

3　第三代非能動壓水堆核電機組消氫系統(tǒng)

第三代非能動壓水堆核電機組設(shè)置了安全殼氫氣控制系統(tǒng)（VLS），該系統(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（PAR）以及布置在安全殼容器內(nèi)的66個氫氣點火器。

3.1氫氣濃度監(jiān)測

正常運行時，氫氣濃度監(jiān)測子系統(tǒng)監(jiān)測安全殼內(nèi)的氫氣濃度，該系統(tǒng)由三個非1E級的氫氣傳感器組成，這些傳感器安裝在安全殼穹頂上部以監(jiān)測總體氫氣濃度，對安全殼總體氫濃度的變化能作出快速靈敏探測，響應(yīng)時間為10秒內(nèi)能探測到90%的氫氣濃度。

3.2 設(shè)計基準事故下的氫氣控制

設(shè)計基準事故下，兩臺PAR能適應(yīng)預(yù)期的氫氣產(chǎn)生率，將安全殼內(nèi)的氫氣濃度控制在小于4%的安全限制內(nèi)。PAR安裝在安全殼內(nèi)高于操作平臺的區(qū)域，標高分別為162英尺（49.38 m）和166英尺（50.6 m），布置點位于安全殼內(nèi)均勻混合區(qū)域。此外，PAR的布置遠離了可能的蒸汽快速向上流動區(qū)域。

第三代非能動壓水堆核電機組PAR的工作原理同VVER核電機組一致。在發(fā)生設(shè)計基準事故期間，只需一套PAR運行，就能提供足夠的能力來維持氫氣濃度低于4%限值。

3.3 超設(shè)計基準事故下的氫氣控制

而對于超設(shè)計基準事故，第三代非能動壓水堆核電機組需應(yīng)用氫氣點火子系統(tǒng)。

3.3.1 氫氣點火器的布置

氫氣點火器共66個，布置在安全殼內(nèi)各個可能的氫氣釋放區(qū)域、流通區(qū)域或可能積累的區(qū)域，在每個封閉區(qū)域至少安裝有兩個點火器，減少了安全殼或單獨隔間內(nèi)點火器可能出現(xiàn)的功能失效。

為了使氫氣點火器點燃時減小對安全殼殼體的沖擊，氫氣點火器需要布置在遠離安全殼殼體的位置。可以采用混凝土墻作為實體上的隔離，使氫氣燃燒產(chǎn)生的擴散火焰不會傳播到安全殼殼體，從而不會對安全殼完整性產(chǎn)生沖擊。為了在安全殼水淹工況下能夠繼續(xù)發(fā)揮消氫能力，氫氣點火器需要盡量布置在安全殼淹沒水位以上。

3.3.2 氫氣點火器的工作原理

第三代非能動壓水堆核電機組氫氣點火器為Tayco線圈式點火器，依靠點火頭產(chǎn)生的高溫點燃局部氫氣，使氫氣在低濃度下可控燃燒。圖1為線圈式氫氣點火器的結(jié)構(gòu)簡圖。正常啟動情況下，外部電源通過連接電纜給氫氣點火器自身攜帶的螺旋線圈持續(xù)供電，螺旋線圈始終保持在高溫狀態(tài)。當嚴重事故發(fā)生時，安全殼內(nèi)高濃度氫氣與螺旋線圈接觸，將其點燃使其快速消除。低靜態(tài)時可以點燃氫氣濃度5.5%的混合氣體，氣體攪混時可以點燃氫氣濃度為4.5%的混合氣體。

在氫氣點火器運行期間，安全殼壓力直接影響觸發(fā)氫氣點火器時擴散火焰對安全殼沖擊的大小，安全殼壓力越高，擴散火焰沖擊越大。因此在觸發(fā)氫氣點火器前，操縱員應(yīng)設(shè)法通過安全殼排氣來降低安全殼壓力。同時還需要確認安全殼內(nèi)氫氣濃度低于10%，如果在大于10%高氫氣濃度情況下觸發(fā)氫氣點火器，可能會引起安全殼內(nèi)氫氣爆燃，嚴重影響安全殼完整性。

3.3.3 氫氣點火器的供電方式

點火器分成兩組分別由不同電源供電，每組33個，每個耗能145W。正常情況下，每組電源都由廠外電源供應(yīng)；當喪失廠外電時，每組電源由廠內(nèi)非IE級的柴油機中的一臺供應(yīng)；當柴油機也不可用時，由非1E級的蓄電池為每組提供大約4小時的點火運行支持。

4　比較與分析

從傳統(tǒng)二代核電機組到第三代非能動核電機組，消氫技術(shù)的應(yīng)用是個逐步優(yōu)化完善的過程，但仍然存在一些問題。

4.1 氫氣監(jiān)測存在的問題

第三代非能動壓水堆核電機組氫氣濃度監(jiān)測儀由非1E級電源和UPS系統(tǒng)（EDS）供電，發(fā)生全廠斷電事故時，蓄電池僅能供電2小時；而VVER機組的JMU10子系統(tǒng)由專門用于嚴重事故時的XKA70移動式柴油機帶載的，保證嚴重事故時VVER機組具備氫氣監(jiān)測能力，且設(shè)置了13塊氫表。故在第三代非能動壓水堆核電機組自主化設(shè)計進程中，建議將氫氣濃度監(jiān)測儀改由抗震級的1E級電源和UPS系統(tǒng)（IDS）供電、增加氫表數(shù)量，并增加用于嚴重事故下的移動電源接口。

4.2 氫氣復(fù)合器設(shè)置問題

傳統(tǒng)二代壓水堆核電機組移動式復(fù)合器增加了安全殼旁通的可能性；同時沒有考慮超設(shè)計基準事故下安全殼的氫氣控制，必須加以改進。可借鑒VVER機組消氫系統(tǒng)的設(shè)計在安全殼內(nèi)布設(shè)適當數(shù)量的非能動氫氣復(fù)合器；并同時借鑒第三代非能動壓水堆核電機組經(jīng)驗，只把兩臺復(fù)合器定為安全相關(guān)級，其余屬于非安全級，既保證了足夠的消氫能力，又可節(jié)省投資。

4.3 氫氣點火器存在的問題

全廠失電事故發(fā)生后，操縱員需要掃掉EDS上的其它負荷，來保證氫氣點火器4小時供電，但以福島核電站事故為例，在喪失廠內(nèi)外和柴油機電源4天后，仍發(fā)生氫氣爆燃。第三代非能動壓水堆核電機組的控制氫氣點火器的控制系統(tǒng)均由EDS供電，EDS蓄電池僅能在全廠失電時保證工作2小時，之后氫氣點火器將失去多樣化控制手段。

針對上述兩個問題，在第三代非能動壓水堆核電機組自主化設(shè)計中，首先應(yīng)保證氫氣點火器具備就地觸發(fā)能力；并考慮增加氫氣點火器、控制系統(tǒng)供電電源蓄電池的容量，增加EDS用于嚴重事故下的移動電源接口；或者將氫氣點火器、控制系統(tǒng)改由1E級電源和UPS系統(tǒng)IDS供電，將IDS擴容。

結(jié)語

傳統(tǒng)二代核電機組相比第三代非能動壓水堆核電機組而言，必須做出很大的改進才能滿足氫氣的連續(xù)監(jiān)測和超設(shè)計基準事故下的安全殼氫氣控制。第三代非能動壓水堆核電機組在消氫技術(shù)的應(yīng)用上更為先進，建議在后續(xù)的自主化設(shè)計中對氫氣監(jiān)測儀表和氫氣點火器的供電電源等問題上進行改進。

參考文獻

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中圖分類號：TM623

文獻標識碼：A