AP1000安全殼氫氣控制系統(tǒng)分析

張秉卓

摘 要：氫氣控制系統(tǒng)是在嚴(yán)重事故工況下保證安全殼完整性的重要措施之一。該文以AP1000安全殼氫氣控制系統(tǒng)為研究方向，介紹AP1000氫氣控制系統(tǒng)，說明AP1000在嚴(yán)重事故下氫氣控制有效可靠，滿足第三代核電技術(shù)安全標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：氫氣控制 AP1000 安全

中圖分類號(hào)：TL48 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）06（a）-0070-02

Abstract：Hydrogen control system is an important measure to protect the integrality of containment vessel during severe accident. This paper is to study and introduce AP1000 Hydrogen control system in containment vessel， and its aim is to explain AP1000 technique about Hydrogen control is available and credible during severe accident which satisfies third generation nuclear power safety standard.

Key Words：Hydrogen control；AP1000；Safety

2011年3月11日，日本發(fā)生9級(jí)地震引發(fā)海嘯，福島核電站進(jìn)水導(dǎo)致失去全部電源，安全殼內(nèi)氫氣無法正常消除，氫氣燃燒發(fā)生爆炸，導(dǎo)致安全殼破裂大量放射性物質(zhì)外泄。事實(shí)再次證明安全殼氫氣控制在嚴(yán)重事故下的重要作用。針對(duì)嚴(yán)重事故下安全殼內(nèi)氫氣風(fēng)險(xiǎn)控制，國家核安全局頒布的《核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定（HAF102）明確要求：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。該文簡要介紹氫氣產(chǎn)生方式，常規(guī)氫氣控制方法，氫氣點(diǎn)火器、非能動(dòng)氫氣復(fù)合器特點(diǎn)，重點(diǎn)分析AP1000氫氣控制系統(tǒng)，說明AP1000在嚴(yán)重事故下，可以有效控制安全殼內(nèi)的氫氣濃度，防止氫氣燃燒發(fā)生爆炸，為安全殼的完整性提供保證。

1 氫氣產(chǎn)生方式及控制常規(guī)方法

1.1 氫氣產(chǎn)生方式

氫氣產(chǎn)生方式包括：燃料包殼鋯-水反應(yīng)、水的輻照分解、結(jié)構(gòu)材料的腐蝕和冷卻劑系統(tǒng)中溶解氫氣的釋放，其中起主要作用的是鋯-水反應(yīng)和結(jié)構(gòu)材料的腐蝕。因AP1000中有專設(shè)措施，防止熔融物熔穿壓力容器與結(jié)構(gòu)材料腐蝕產(chǎn)生氫氣，所以只考慮反應(yīng)堆內(nèi)的產(chǎn)氫，因此產(chǎn)生氫氣主要來源是燃料包殼鋯合金和水反應(yīng)生成氫氣。化學(xué)方程式：Zr+2H2O→ZrO2+2H2+△H △H是每摩爾鋯氧化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量每1磅（0.454 kg）鋯反應(yīng)生成8.5標(biāo)準(zhǔn)立方英尺（0.241標(biāo)準(zhǔn)立方米）的氫氣。

1.2 氫氣控制常規(guī)方法

在嚴(yán)重事故情況下的氫氣控制大致可以分為2種。

（1）稀釋氫氣濃度，控制安全殼內(nèi)混合氣體成分，避免氫氣可燃。如惰化、稀釋、混合等措施。

（2）減小安全殼可燃?xì)怏w成分。如燃燒器、催化復(fù)合等。

2 氫氣點(diǎn)火器、非能動(dòng)氫氣復(fù)合器功能及特點(diǎn)

2.1 氫氣點(diǎn)火器功能及特點(diǎn)

核電站發(fā)生失水事故或嚴(yán)重事故時(shí)， 氫點(diǎn)火器迅速啟動(dòng)，點(diǎn)火器上的加熱元件加熱升溫（可達(dá)900 ℃以上），當(dāng)安裝點(diǎn)火器處氫氣濃度達(dá)到可燃濃度4%后，氫氣被點(diǎn)燃。由于點(diǎn)火器啟動(dòng)時(shí)間早，避免氫氣的大量聚集，所以點(diǎn)火器點(diǎn)燃?xì)錃夂?，只?huì)形成燃燒而不會(huì)產(chǎn)生爆燃或爆炸。在失水事故或嚴(yán)重事故中水蒸氣是和氫氣一起釋放的，水蒸氣對(duì)氫氣燃燒時(shí)能量的傳遞有惰化影響， 從而降低氫氣燃燒的范圍。混合氣體中的水蒸氣濃度越高，點(diǎn)火引起的燃燒過程越溫和，壓力負(fù)荷越低。當(dāng)水蒸氣冷凝后，被水蒸氣惰化的混合氣體在適當(dāng)?shù)膲毫ο驴梢岳^續(xù)可靠的點(diǎn)燃，從而達(dá)到消除安全殼內(nèi)氫氣的目的[1]。由于氫氣點(diǎn)火器有可靠性高、安裝簡單、檢修便捷、經(jīng)濟(jì)性高等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。氫氣點(diǎn)火器目前主要有火花塞型、電擊發(fā)型、螺旋線圈型、催化反應(yīng)型。

2.2 催化復(fù)合器功能及特點(diǎn)

催化復(fù)合器是利用催化劑使氫氣和氧氣在濃度低于可燃閾值的時(shí)候發(fā)生化合反應(yīng)，反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量用于在催化劑表面產(chǎn)生自然對(duì)流，從而使反應(yīng)能夠持續(xù)?？刂瓢踩珰?nèi)整體和局部空間中氫氣體積濃度小于4%。在超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故下，控制100%燃料包殼與冷卻劑反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣在安全殼內(nèi)均勻分布的體積濃度不超過10%。催化復(fù)合器有自動(dòng)啟動(dòng)，不需電源和操作、低溫運(yùn)行，能有效清除惰化后氫氣等特點(diǎn)。

3 AP1000氫氣控制系統(tǒng)概述及安全性分析

3.1 系統(tǒng)組成

安全殼氫氣控制系統(tǒng)（VLS）包括三個(gè)子系統(tǒng)：氫氣濃度監(jiān)測子系統(tǒng)、氫氣復(fù)合子系統(tǒng)和氫氣點(diǎn)火子系統(tǒng)，這些系統(tǒng)用于監(jiān)測、控制安全殼內(nèi)大氣中的氫氣濃度。

3.2 系統(tǒng)描述

3.2.1 氫氣濃度監(jiān)測子系統(tǒng)

氫氣濃度監(jiān)測子系統(tǒng)提供聯(lián)系的安全殼空氣中氫氣濃度監(jiān)測和顯示。氫氣濃度監(jiān)測為事故后監(jiān)測和事故后緩解操作的運(yùn)行評(píng)估提供輸入信號(hào)。包括3個(gè)氫氣濃度探測器，探測器及其相關(guān)儀表分布在安全殼穹頂處監(jiān)測整體氫氣濃度，監(jiān)測氫氣濃度范圍為0%～20%。氫氣濃度監(jiān)測器由非1E級(jí)電源盒UPS系統(tǒng)供電。主控室可連續(xù)顯示氫氣濃度，并提供高氫濃度報(bào)警。該傳感器在10 s內(nèi)就能探測到氫氣濃度變化量的90%。

3.2.2 氫氣復(fù)合子系統(tǒng)

氫氣復(fù)合子系統(tǒng)適用于失水事故（LOCA）時(shí)較慢的氫氣產(chǎn)生速率，即少于1%的燃料鋯包殼與水反應(yīng)產(chǎn)生氫氣。該系統(tǒng)由兩臺(tái)安全相關(guān)的PAR組成。PARs安裝在安全殼內(nèi)高于操作平臺(tái)區(qū)域，標(biāo)高分別為162英尺（118.898 m）和166英尺（120.117 m），距離安全殼均為13英尺（3.962 m），布置點(diǎn)位于安全殼均勻混合區(qū)域。PAR非常簡單，并且是非能動(dòng)的，它沒有運(yùn)動(dòng)部件，也不需要電源或者其他支持系統(tǒng)，當(dāng)存在反應(yīng)物（氫氣）時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)。PARs可使氫氣與氧氣復(fù)合。復(fù)合過程發(fā)生在事故早期階段氫氣積累前。PARs可以在很大范圍內(nèi)的環(huán)境溫度、氣體濃度和蒸汽壓力下正常工作。PARs在發(fā)生設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故后，能維持安全殼內(nèi)較低的氫氣濃度。對(duì)于嚴(yán)重事故，PARs消除氫氣功能能，為氫氣點(diǎn)火器提供縱深防御能力。endprint

3.2.3 氫氣點(diǎn)火子系統(tǒng)

氫氣點(diǎn)火子系統(tǒng)由布置在安全殼內(nèi)各處的66個(gè)氫氣點(diǎn)火器組成，點(diǎn)火器用于低概率嚴(yán)重事故，即100%燃料包殼與水反應(yīng)產(chǎn)生氫氣。點(diǎn)火子系統(tǒng)為非1E級(jí)。點(diǎn)火器的覆蓋范圍、分布和電源供給均使得整個(gè)安全殼內(nèi)和單個(gè)隔間內(nèi)喪失點(diǎn)火器保護(hù)的可能性最小。點(diǎn)火器分成由不同電源供應(yīng)的兩組。點(diǎn)火器的布置原則是在每個(gè)隔間或覆蓋區(qū)域內(nèi)每組電源至少有一個(gè)點(diǎn)火器。氫氣點(diǎn)火子系統(tǒng)在較低氫氣濃度燃燒（爆燃）氫氣，控制在發(fā)生嚴(yán)重事故和堆芯融化時(shí)氫氣的快速釋放，防止氫氣濃度達(dá)到可能發(fā)生爆炸的限值。氫氣點(diǎn)火子系統(tǒng)用來應(yīng)對(duì)快速產(chǎn)生大量氫氣的超基準(zhǔn)事故，此時(shí)氫氣濃度超過氫氣復(fù)合器的工作能力。氫氣點(diǎn)火子系統(tǒng)沒有自動(dòng)啟動(dòng)功能，電廠控制系統(tǒng)（PLS）和多樣化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（DAS）對(duì)氫氣點(diǎn)火器進(jìn)行控制和啟動(dòng)，點(diǎn)火器點(diǎn)燃?xì)錃獗ＷC安全殼濃度低于10%限制。

3.3 安全性分析

AP1000安全殼結(jié)構(gòu)平臺(tái)間隔都是大開放空間，并且相互之間的通道相對(duì)較大，可以促進(jìn)平臺(tái)以下區(qū)域內(nèi)氣體混合。平臺(tái)下所有隔間的頂部都有開口，同時(shí)安全殼大氣通過非能動(dòng)安全殼冷卻引起安全殼內(nèi)空氣再循環(huán)流動(dòng)，從而消除出現(xiàn)高濃度氫氣區(qū)域，使氫氣充分混合，降低濃度，避免因局部氫氣濃度過高發(fā)生的爆炸。氫氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)符合10CFR氫氣控制和風(fēng)險(xiǎn)分析規(guī)定，具體內(nèi)容如下。

（1）假定100%活性區(qū)燃料包殼金屬-水反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣在安全殼內(nèi)均勻分布時(shí)的濃度低于10%。

（2）若安全殼不是依賴于惰化來控制氫氣，那么安全殼應(yīng)有足夠的自由容積以保證相當(dāng)于75%活性區(qū)燃料包殼氧化所產(chǎn)生的氫氣均勻分布，且在安全殼大氣干燥條件下的濃度不超過13%。

（3）安全裕度基準(zhǔn)要求。設(shè)計(jì)的安全殼能承受失水事故（LOCA）加75%活性區(qū)燃料包殼金屬-水反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣全部燃燒的聯(lián)合載荷。

設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故，非能動(dòng)氫氣復(fù)合器可以防止安全殼平均體積濃度超過4%。該限制消除了可燃狀態(tài)的可能性。嚴(yán)重事故氫氣控制通過分散式氫氣點(diǎn)火子系統(tǒng)的運(yùn)行，限制安全殼內(nèi)氫氣濃度[2]。點(diǎn)火促使氫氣濃度在可燃限值和10%體積濃度之間的爆燃，從而防止發(fā)生氫氣爆炸。非能動(dòng)氫氣復(fù)合器加氫氣點(diǎn)火器設(shè)計(jì)是目前最優(yōu)的氫氣控制方式，可以在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故或嚴(yán)重事故情況下有效控制氫氣，點(diǎn)火器在嚴(yán)重事故下氫氣快速釋放達(dá)到可燃閾值時(shí)，讓氫氣充分燃燒，降低氫氣濃度。氫氣復(fù)合器在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)時(shí)將氫氣濃度保證在4%以下，低于可燃閾值。在嚴(yán)重事故中后期，采取氫氣復(fù)合器可以在低于氫氣可燃濃度，或者氫氣濃度被水蒸汽惰化的情況下持續(xù)有效地消除氫氣。

4 結(jié)論

AP1000氫氣控制系統(tǒng)對(duì)安全殼內(nèi)氫氣濃度能夠有效監(jiān)測。氫氣復(fù)合子系統(tǒng)在正常運(yùn)行、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況下能夠有效控制安全殼氫氣濃度。氫氣點(diǎn)火子系統(tǒng)在嚴(yán)重事故工況下快速清除達(dá)到可燃閾值的氫氣，同時(shí)氫氣復(fù)合子系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行，有效控制氫氣濃度。綜上，AP1000氫氣控制系統(tǒng)具有非常高的安全性和可靠性，可以有效控制事故情況下安全殼內(nèi)大氣的氫氣濃度，防止發(fā)生氫氣燃燒爆炸，為安全殼的完整性提供保證。

參考文獻(xiàn)

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