三代非能動(dòng)壓水堆核電機(jī)組安全殼內(nèi)氫氣控制

王大威　李少沛　唐秋月

摘 要：本文論述了三代非能動(dòng)壓水堆核電機(jī)組在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故及嚴(yán)重事故工況下，安全殼內(nèi)氫氣的控制思路及控制方法。

關(guān)鍵詞：三代非能動(dòng)壓水堆核電機(jī)組；氫氣控制；設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故；嚴(yán)重事故

1 概述

三代非能動(dòng)壓水堆核電機(jī)組是利用非能動(dòng)理念發(fā)展起來(lái)的核電技術(shù)。與二代核電相比，三代非能動(dòng)壓水堆核電機(jī)組在設(shè)計(jì)時(shí)不僅考慮了設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故，還考慮了如何預(yù)防和緩解嚴(yán)重事故，這使得三代非能動(dòng)壓水堆核電機(jī)組更為安全。本文就三代非能動(dòng)壓水堆核電機(jī)組在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故和嚴(yán)重事故工況下，如何控制殼內(nèi)氫氣做了簡(jiǎn)要介紹。

2 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故下安全殼內(nèi)氫氣控制

2.1 氫氣來(lái)源及危害

設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故下，安全殼內(nèi)氫氣主要來(lái)源于：鋯燃料包殼與水反應(yīng)，水輻照分解，結(jié)構(gòu)材料的腐蝕以及反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)內(nèi)溶解的氫氣。當(dāng)氫氣在安全殼內(nèi)的體積濃度在4.1%～74.2%之間時(shí)，遇火源就會(huì)爆炸。殼內(nèi)氫氣一旦整體爆炸會(huì)給安全殼的完整性造成威脅，導(dǎo)致安全殼作為放射性物質(zhì)外放邊界的功能喪失，進(jìn)而引起放射性物質(zhì)釋放，對(duì)公眾和環(huán)境安全造成威脅。

2.2 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故下安全殼內(nèi)氫氣控制

設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故下，三代非能動(dòng)壓水堆核電機(jī)組通過氫氣濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、氫氣復(fù)合系統(tǒng)、氫氣點(diǎn)火系統(tǒng)對(duì)殼內(nèi)氫氣進(jìn)行控制。

通過氫氣濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，操縱人員可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)安全殼內(nèi)的氫氣濃度。該系統(tǒng)由1E級(jí)的電源供電，這保證了在發(fā)生地震等惡劣事件時(shí)，系統(tǒng)仍能獲得可靠的電力供給。

氫氣復(fù)合系統(tǒng)由兩臺(tái)非能動(dòng)氫氣自動(dòng)催化復(fù)合器組成，通過催化劑使氫氣和氧氣在較低溫度下發(fā)生復(fù)合反應(yīng)，達(dá)到去除氫氣的目的。

兩臺(tái)氫氣復(fù)合器被安裝在安全殼內(nèi)的不同位置。在位置的選擇上氫氣復(fù)合器放置于氫氣潛在釋放點(diǎn)的上部，同時(shí)確保在自然循環(huán)時(shí)不處于空氣下降區(qū)，而處于自然對(duì)流路徑空氣的上升區(qū)，這樣利于含氫空氣從復(fù)合器的下部入口進(jìn)入，上部出口排出。氫氣復(fù)合器的設(shè)計(jì)采用了非能動(dòng)原理，氣體在發(fā)生氫氧復(fù)合時(shí)被加熱，從而形成對(duì)流。

三代非能動(dòng)壓水堆核電機(jī)組在安全殼內(nèi)的不同區(qū)域設(shè)置了氫氣點(diǎn)火器，當(dāng)氫氣的產(chǎn)生速度超過復(fù)合器的處理能力時(shí)，氫氣點(diǎn)火系統(tǒng)投入運(yùn)行。通過主動(dòng)引燃局部氫氣，降低殼內(nèi)整體氫氣體積濃度。

3 嚴(yán)重事故工況下安全殼內(nèi)氫氣控制

核電廠嚴(yán)重事故是指：冷卻劑不能有效冷卻堆芯，堆芯內(nèi)燃料包殼大面積失效，發(fā)生大范圍的鋯水反應(yīng)，應(yīng)急規(guī)程已不能很好地對(duì)機(jī)組進(jìn)行控制的運(yùn)行工況。

嚴(yán)重事故工況下對(duì)安全殼內(nèi)氫氣采取的控制分為兩種，一種為氫氣在安全殼內(nèi)局部位置積累，但尚未達(dá)到殼內(nèi)整體爆炸極限時(shí)的控制；另外一種為殼內(nèi)氫氣整體濃度已經(jīng)達(dá)到爆炸極限時(shí)的控制。

3.1 減少安全殼內(nèi)氫氣

隨著堆芯的裸露，燃料包殼在蒸汽中被氧化，當(dāng)溫度超過982℃后，氧化反應(yīng)極為劇烈，產(chǎn)生大量氫氣。氫氣首先在一回路中集聚，進(jìn)而通過一回路的破口進(jìn)入安全殼。如不干預(yù)，當(dāng)殼內(nèi)的氫氣達(dá)到4%-6%時(shí)將會(huì)燃燒，當(dāng)燃燒引起的殼內(nèi)壓力上升，超過安全殼的最終設(shè)計(jì)壓力時(shí)，安全殼將被損壞。為了避免這種情況的發(fā)生，應(yīng)及時(shí)采取有效措施降低殼內(nèi)氫氣濃度。

3.1.1 通過局部燃燒的方式降低殼內(nèi)氫氣濃度

氫氣首先在局部區(qū)域聚集，通過輔助計(jì)算，當(dāng)操縱人員及技術(shù)支持人員確認(rèn)主動(dòng)燃燒氫氣不會(huì)對(duì)安全殼局部或整體造成威脅時(shí)，采用這種方式減少殼內(nèi)氫氣。

主動(dòng)燃燒前需確認(rèn)殼內(nèi)大氣狀態(tài)和點(diǎn)火源。如果殼內(nèi)大氣處于惰化狀態(tài)，氫氣不具備燃燒環(huán)境，無(wú)法被點(diǎn)燃。此時(shí)操縱人員可通過降低殼內(nèi)壓力的方式，如加大殼內(nèi)殼外噴淋水流量，破壞殼內(nèi)大氣的惰化狀態(tài)，回復(fù)殼內(nèi)氫氣的可燃性。

殼內(nèi)氫氣具備燃燒條件后，操縱人員及技術(shù)支持人員需選擇合適的點(diǎn)火源。應(yīng)首選相應(yīng)位置且具備功能的氫氣點(diǎn)火器，如氫氣點(diǎn)火器不可用，可使用該位置任意類型的電氣設(shè)備，如繼電器、電機(jī)、閥門電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等，通過操作這些設(shè)備連續(xù)啟停產(chǎn)生電火花引燃?xì)錃狻?/p>

點(diǎn)火操作完成后，操縱人員可通過氫氣濃度探測(cè)器、殼內(nèi)溫度、殼內(nèi)壓力的變化確認(rèn)點(diǎn)火是否成功。如果氫氣濃度探測(cè)器探測(cè)到的氫氣濃度無(wú)變化，或者殼內(nèi)溫度、殼內(nèi)壓力沒有相應(yīng)升高，則說(shuō)明點(diǎn)火未成功，操縱人員需選擇其他可能的點(diǎn)火源，重新點(diǎn)火。

3.1.2 通過催化復(fù)合的方式降低殼內(nèi)氫氣濃度

此種控制方式下，氫氣濃度降低速度較慢，只有在確認(rèn)不能采取主動(dòng)點(diǎn)燃方式，且通過催化復(fù)合在一定時(shí)間內(nèi)可有效降低殼內(nèi)氫氣濃度時(shí)，才考慮使用。

此種控制方式下，采用的設(shè)備為非能動(dòng)氫氣催化復(fù)合器。為了防止在此種控制方式下，氫氣意外燃燒，需考慮所有可能引起燃燒的條件。首先，操縱人員通過減少殼內(nèi)殼外的噴淋流量，保持殼內(nèi)大氣處于惰化狀態(tài)，使氫氣不具備燃燒條件；其次，操縱人員應(yīng)解除所有氫氣點(diǎn)火器的電源，防止氫氣點(diǎn)火器被意外觸發(fā)，同時(shí)需對(duì)電氣設(shè)備的啟停格外關(guān)注，防止產(chǎn)生電火花。

3.2 控制安全殼內(nèi)氫氣的可燃性

當(dāng)殼內(nèi)氫氣整體濃度已達(dá)到爆炸極限，且一旦氫氣爆炸將必然破壞安全殼的完整性時(shí)，需對(duì)殼內(nèi)氫氣的可燃性進(jìn)行控制。該種工況下，為盡快解除殼內(nèi)氫氣對(duì)安全殼完整性造成的威脅，在控制殼內(nèi)氫氣可燃性的同時(shí)，還應(yīng)盡快采取必要措施降低殼內(nèi)氫氣濃度。

3.2.1 識(shí)別能夠防止氫氣燃燒的策略

防止氫氣燃燒的主要策略有建立殼內(nèi)大氣的惰化狀態(tài)，使氫氣燃燒喪失條件，以及消除點(diǎn)火源兩種。在安全殼完整性受到威脅時(shí)，必須至少具備兩種條件中的一種。采取的方式可以是降低對(duì)安全殼的冷卻，建立并維持安全殼內(nèi)的惰化壓力，以及切斷所有氫氣點(diǎn)火器的電源。

3.2.2 安全殼排氣

在操縱人員及技術(shù)支持人員判斷因安全殼排氣導(dǎo)致的放射性物質(zhì)外泄引起的輻射值，不會(huì)超過廠外排放輻射劑量限值，且不會(huì)影響殼內(nèi)大氣惰化狀態(tài)時(shí)，應(yīng)盡快采取安全殼排氣操作，以便盡快解除安全殼完整性面臨的威脅。為減少安全殼排氣引起的放射性物質(zhì)外泄，排氣可經(jīng)由乏燃料處理系統(tǒng)的管道，使用乏池水洗消安全殼排氣中放射性物質(zhì)，減少放射性物質(zhì)的外泄。

4 總結(jié)

三代非能動(dòng)壓水堆核電機(jī)組在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故下采取的氫氣控制方式，以及在預(yù)防和緩解嚴(yán)重事故方面的考慮，充分展現(xiàn)了其機(jī)組的安全性和技術(shù)的先進(jìn)性。相信隨著三代非能動(dòng)壓水堆核電技術(shù)的不斷推廣，我國(guó)核電行業(yè)的整體安全狀況必將提升至更高的水平。endprint