嚴(yán)重事故下安全殼內(nèi)氫氣行為與風(fēng)險(xiǎn)分析

畢金生，靖劍平，喬雪冬，胡文超，王 闖,*,郭添榕

(1．環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京 100082；2.遼寧省實(shí)驗(yàn)中學(xué)分校，沈陽 110148)

核電廠嚴(yán)重事故下會(huì)有氫氣產(chǎn)生，氫氣釋放到安全殼內(nèi)的大空間中，將與氧氣充分混合，可能發(fā)生燃燒、爆燃甚至爆炸，由此將會(huì)危及安全殼的完整性,進(jìn)而造成嚴(yán)重的放射性釋放后果[1-4]。福島核事故后的核電廠安全審評(píng)過程中，國家核安全局對(duì)于嚴(yán)重事故下的氫氣安全問題提出了更高的要求[5]。因此，氫氣問題是核電廠安全需要考慮的重要問題之一。在安全殼大氣中，氫氣具有相對(duì)密度小、在大氣中快速上升擴(kuò)散的特點(diǎn)[6]。氫氣的分布主要取決于氫氣釋放的位置及氫氣釋放率，而氫氣從主回路釋放的位置取決于嚴(yán)重事故序列和安全殼的設(shè)計(jì)，這對(duì)氫氣的分布有很大影響[7,8]。在壓水堆中的LOCA事故序列作為初始事件會(huì)導(dǎo)致蒸汽和氫氣從主冷卻劑管道、穩(wěn)壓器波動(dòng)管或穩(wěn)壓器釋放。

綜合比較集總參數(shù)法程序和流體力學(xué)(CFD)程序，集總參數(shù)法程序適用于在更大的范圍內(nèi)分析整體事故過程，而CFD程序適用于在有限時(shí)間段內(nèi)分析特定現(xiàn)象(如噴射、分層化、局部擾動(dòng)、火焰加速模擬等)[9]。根據(jù)這兩種類型程序各自的優(yōu)缺點(diǎn)，西方一些國家(法國、德國、芬蘭、加拿大等)把CFD程序作為集總參數(shù)模型的補(bǔ)充應(yīng)用于氫氣分布的計(jì)算當(dāng)中[10]。他們應(yīng)用MELCOR或MAAP程序來計(jì)算氫氣源項(xiàng)及安全殼整體的氫氣分布，然后應(yīng)用GASFLOW或CFX等來計(jì)算分析有限時(shí)間段內(nèi)局部區(qū)域內(nèi)氫氣的一些特定的現(xiàn)象[11-12]。

1 氫氣的產(chǎn)生與燃燒

在嚴(yán)重事故下反應(yīng)堆內(nèi)氫氣產(chǎn)生的來源主要包括三個(gè)方面：堆芯熔化前，燃料包殼氧化所產(chǎn)生；堆芯熔融物流入下封頭時(shí)，與水反應(yīng)產(chǎn)生氫氣；壓力容器外，堆芯熔融物與堆坑混凝土底板反應(yīng)。

根據(jù)嚴(yán)重事故的發(fā)展過程，氫氣產(chǎn)生大體上可分為壓力容器內(nèi)的氫氣產(chǎn)生和壓力容器外的氫氣產(chǎn)生兩個(gè)階段：

1.1 壓力容器內(nèi)氫氣的產(chǎn)生階段

在這個(gè)階段，壓力容器內(nèi)金屬材料的氧化主要包括鋯包殼、格架、以及其他金屬構(gòu)架被水蒸汽氧化或被壓力容器下腔室儲(chǔ)存的水氧化。

在堆芯開始熔化之前，燃料包殼的氧化是產(chǎn)生氫氣的主要階段；

堆芯熔融物流入下封頭時(shí)，與下封頭殘留水反應(yīng)產(chǎn)生氫氣。

1.2 壓力容器外氫氣的產(chǎn)生階段

在這個(gè)階段，堆芯熔融物進(jìn)入堆坑有兩種方式：即堆芯熔融物在堆芯高壓作用下以噴射方式(高壓熔堆)進(jìn)入堆坑空間和堆芯熔融物跌落在堆坑混凝土底板上。

堆芯一回路高壓情況下，壓力容器下封頭失效時(shí)，堆芯熔融物在高壓下噴入堆坑空間，從而導(dǎo)致安全殼直接加熱(DCH)，在DCH期間，直接進(jìn)入安全殼氣空間的鋯碎片會(huì)在很短時(shí)間內(nèi)被氧化，大量氫氣瞬間產(chǎn)生。

在堆芯冷卻系統(tǒng)壓力較低情況下，壓力容器下封頭失效時(shí)，堆芯熔融物跌落在堆坑混凝土底板上，將會(huì)發(fā)生熔融物混凝土相互作用(MCCI)。在MCCI反應(yīng)中，堆芯熔融物中的金屬與混凝土熱分解釋放出的水蒸汽發(fā)生氧化反應(yīng)，并產(chǎn)生大量氫氣等不可凝結(jié)氣體。

當(dāng)安全殼大氣混合氣體中的氫氣濃度達(dá)到可燃狀態(tài)而且存在點(diǎn)火源時(shí)，都可能發(fā)生氫氣燃燒或爆炸。在氫氣產(chǎn)生源附近區(qū)域，如果有點(diǎn)火源和足夠的氧氣，氫氣將會(huì)燃燒并且產(chǎn)生穩(wěn)定的火焰(慢速擴(kuò)散燃燒)，這種燃燒所產(chǎn)生的熱量和壓力峰值較小，通常不會(huì)對(duì)安全殼的完整性產(chǎn)生威脅。在氫氣釋放源附近沒有發(fā)生燃燒的氫氣，將與安全殼內(nèi)的水蒸氣空氣混合，并且在安全殼各隔間中傳輸擴(kuò)散，導(dǎo)致安全殼內(nèi)整體或某些局部區(qū)域的氫氣濃度升高，在一定條件下，這些混合氣體將可能發(fā)生快燃(快速湍流燃燒)，如果DDT(快燃向爆燃的轉(zhuǎn)變)發(fā)生，則由此轉(zhuǎn)變成爆燃直至爆炸[13]。爆炸能在極短的時(shí)間內(nèi)形成較高的壓力峰值，由此產(chǎn)生的壓力載荷會(huì)危及安全殼的完整性。同時(shí)，國外的研究及試驗(yàn)證明，水蒸氣或氮?dú)獾拇嬖诳梢栽黾影踩珰ご髿獾亩栊?，?dāng)大氣中水蒸汽的體積濃度超過60%或氮?dú)怏w積濃度超過75%時(shí)，安全殼大氣完全惰化，即任何氫氣濃度都不會(huì)燃燒。同時(shí)，當(dāng)安全殼大氣中氧氣濃度低于5%時(shí)，則氫氣的燃燒也不會(huì)發(fā)生[14,15]。

2 集總參數(shù)程序計(jì)算分析

采用嚴(yán)重事故一體化分析程序?qū)a(chǎn)先進(jìn)壓水堆進(jìn)行建模，對(duì)氫氣濃度分布情況進(jìn)行整體分析計(jì)算。

2.1 事故序列描述及假設(shè)

由于3BR-1為大破口觸發(fā)的嚴(yán)重事故序列，氫氣釋放量大，而且釋放速率高，所以重點(diǎn)分析3BR-1事故序列中的氫氣釋放情況。事故序列如下：

RCS冷段雙端斷裂

PRHR失效

2/2 ADS第1級(jí)閥門-自動(dòng)

2/2 ADS第2級(jí)閥門- 自動(dòng)

2/2 ADS第3級(jí)閥門- 自動(dòng)

4/4 ADS第4級(jí)閥門- 自動(dòng)

1/2 CMT有效

0/2 ACC有效

1/2 IRWST重力注射管線有效

1/2 IRWST再循環(huán)管線有效

氫氣點(diǎn)火器失效

堆腔淹沒系統(tǒng)不是必要的(IRWST重力注射成功)

2.2 氫氣濃度分布情況

壓力容器內(nèi)產(chǎn)生的氫氣主要從破口釋放到蒸汽發(fā)生器(SG)隔間，以及通過ADS1-3級(jí)閥門釋放到IRWST隔間內(nèi)。此外，自動(dòng)卸壓系統(tǒng)第4級(jí)閥門將從反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)熱管段向安全殼內(nèi)SG隔間釋放蒸汽和氫氣，SG隔間與維修層和上部的隔間連在一起，將會(huì)形成安全殼內(nèi)主要的自燃循環(huán)。

在0s時(shí)刻主管道冷段發(fā)生大破口，圖1-圖8為安全殼內(nèi)各隔間的氫氣濃度變化情況。蒸汽發(fā)生器隔間內(nèi)氫氣濃度份額開始迅速上升，之后由于產(chǎn)生大量水蒸氣，使得該隔間氫氣濃度份額又開始降低，由于破口發(fā)生在SG隔間，發(fā)生破口的SG隔間氫氣濃度明顯高于完整SG隔間，存在更高的氫氣風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于堆腔隔間，剛開始有少量氫氣，但是隨著堆腔被淹沒，里面的氫氣全部排放到其他隔間。進(jìn)入到IRWST隔間內(nèi)的氫氣迅速上升，而進(jìn)入的水蒸氣被IRWST換料水箱冷凝，所以氫氣濃度不斷增加，直到濃度達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定。安全殼上部隔間和蒸汽發(fā)生器隔間及IRWST隔間相通，所以當(dāng)PCS系統(tǒng)投入后，安全殼內(nèi)壓力趨于穩(wěn)定時(shí)，這些隔間氫氣濃度變化與水蒸氣產(chǎn)生量相關(guān)。對(duì)于PXS隔間和CVS隔間，沒有氫氣源項(xiàng)直接釋放到這些隔間中，其總體的氫氣濃度較低，最終其份額都達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖1 SG隔間氫氣濃度Fig.1 The hydrogen concentration in the SG

圖2 CMT隔間氫氣濃度Fig.2 The hydrogen concentration in the CMT

圖3 堆腔隔間氫氣濃度Fig.3 The hydrogen concentration in the Cavity

圖4 IRWST隔間氫氣濃度Fig.4 The hydrogen concentration in the IRWST

圖5 安全殼上部隔間氫氣濃度Fig.5 The hydrogen concentration in the Upper

圖6 PXS-A隔間氫氣濃度Fig.6 The hydrogen concentration in the PXS-A

圖7 PXS-B隔間氫氣濃度Fig.7 The hydrogen concentration in the PXS-B

圖8 CVS隔間氫氣濃度Fig.8 The hydrogen concentration in the CVS

由上分析可知，在發(fā)生大破口事故時(shí)，總體上安全殼內(nèi)氫氣濃度較高的主要為破損SG隔間，IRWST隔間和上部隔間。在IRWST隔間，如果點(diǎn)火器有效，由于持續(xù)的大量的氫氣釋放，在IRWST排放口處可假設(shè)出現(xiàn)擴(kuò)散火焰。如果點(diǎn)火器無效，則需評(píng)價(jià)氫氣爆炸的可能性。

對(duì)于ADS第4級(jí)閥門的低壓氫氣釋放的工況，SG隔間的擴(kuò)散火焰將不會(huì)因缺氧而熄滅。鋼安全殼由擴(kuò)散火焰所在的SG隔間的混凝土墻體所隔離。因此，SG隔間內(nèi)點(diǎn)火器處的擴(kuò)散火焰不會(huì)危及安全殼的完整性。如果點(diǎn)火器無效，隔間內(nèi)較好的混合將緩解低壓釋放情況下的爆炸產(chǎn)生的威脅。

由于PXS和CVS系統(tǒng)隔間到CMT隔間的排氣口設(shè)置在遠(yuǎn)離安全殼殼體和安全殼貫穿件的位置,這些隔間靠近安全殼的入口門是加蓋并處于安全關(guān)閉狀態(tài)，使它們不會(huì)因隔間內(nèi)的管線破損而打開。因此，由這些隔間釋放到CMT隔間的氫氣將不會(huì)危及安全殼的完整性。

3 CFD程序計(jì)算分析

CFD模擬燃燒過程的成功主要依賴于用于描述關(guān)鍵物理過程的數(shù)值方法和物理模型的準(zhǔn)確性，包括流動(dòng)擾動(dòng)、混合、傳熱、以及模擬復(fù)雜的湍流燃燒現(xiàn)象的擾動(dòng)和燃燒模型。

由集總參數(shù)程序計(jì)算得到的氫氣源項(xiàng)作為計(jì)算輸入的初始條件。同樣選取3BR-1事故序列，破口位置在冷管段上，從破口處流出的為水蒸汽和氫氣的混合物，其中假定氫氣與水蒸氣比例為1∶9，破口處混合物的質(zhì)量流速為10kg/s，安全殼內(nèi)壓力為常壓，溫度為300K，研究中事故持續(xù)時(shí)間為200s。

圖9分別給出了不同時(shí)刻有無PCS冷卻條件下安全殼內(nèi)氫氣濃度分布。隨著時(shí)間的發(fā)展，氫氣從破口處噴入SG隔間后，沿著SG與其隔間之間的間隙向上流動(dòng)，匯聚到破口正上方的安全殼頂部位置。由于安全殼頂蓋的曲面結(jié)構(gòu)，決定了氫氣沿著安全殼頂蓋的流動(dòng)方式。氫氣在安全殼頂部聚集后，沿安全殼頂蓋向下流動(dòng)。氫氣沿安全殼穹頂壁面的流動(dòng)方式，導(dǎo)致安全殼上部空間的中間區(qū)域氫氣濃度較低。在破口所在的SG隔間內(nèi)，由于破口處氫氣噴放的方向，靠外側(cè)的氫氣濃度明顯高于內(nèi)側(cè)的氫氣濃度。由圖可知，安全殼外是否有冷卻對(duì)氫氣分布影響較小。

10s時(shí)安全殼內(nèi)氫氣分布

20s時(shí)安全殼內(nèi)氫氣分布

100s時(shí)安全殼內(nèi)氫氣分布

200s時(shí)安全殼內(nèi)氫氣分布

4 結(jié)論

本文采用集總參數(shù)程序計(jì)算分析氫氣產(chǎn)生源項(xiàng)、氫氣產(chǎn)生速率和安全殼內(nèi)氫氣濃度分布，評(píng)價(jià)安全殼隔間內(nèi)的氫氣風(fēng)險(xiǎn)。通過分析可知，在發(fā)生大破口事故時(shí)，安全殼內(nèi)氫氣濃度較高的主要為破損SG隔間，IRWST隔間和上部隔間，并且存在氫氣爆燃的風(fēng)險(xiǎn)，需要設(shè)置消氫系統(tǒng)來降低隔間內(nèi)的氫氣濃度。對(duì)于PXS隔間和CVS隔間，沒有氫氣源項(xiàng)直接釋放到這些隔間中，氫氣濃度較低。

采用計(jì)算流體力學(xué)程序，進(jìn)一步對(duì)CAP1400安全殼內(nèi)重要隔間的氫氣分布進(jìn)行三維分析，研究安全殼內(nèi)的氫氣分布及濃度變化。安全殼有無冷卻條件對(duì)氫氣分布影響很小，但對(duì)安全殼內(nèi)的溫度分布和壓力分布有較大影響。CFD程序在計(jì)算氣體分布方面要比集總參數(shù)程序更加精確和詳細(xì)，通過更精細(xì)地模擬安全殼內(nèi)的氫氣行為，可以為集總參數(shù)程序的計(jì)算結(jié)果提供補(bǔ)充，為氫氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化和嚴(yán)重事故氫氣風(fēng)險(xiǎn)管理等提供有力的支持。

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