嚴(yán)重事故后安全殼氫氣風(fēng)險(xiǎn)控制論證

王賀南，李漢辰，石雪垚，王 輝

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

通過三哩島核事故和福島核事故，以及大量風(fēng)險(xiǎn)研究表明，嚴(yán)重事故過程中氫氣帶來的風(fēng)險(xiǎn)是造成大量放射性釋放的重要原因之一[1]。上述兩次嚴(yán)重事故發(fā)生后，針對安全殼內(nèi)氫氣風(fēng)險(xiǎn)問題受到廣泛關(guān)注，我國也提出了明確的要求，其中在《福島核事故后核電廠改進(jìn)行動(dòng)通用技術(shù)要求》[2]及《“十二五”期間新建核電廠安全要求》明確規(guī)定：對于安全殼內(nèi)產(chǎn)生的氫氣要有充分手段消除氫氣，需具備避免發(fā)生氫氣爆炸的手段和能力；應(yīng)避免安全殼完整性因局部區(qū)域氫氣積聚后可能產(chǎn)生的燃燒或爆炸而破壞，開展對氫氣緩解措施有效性的分析評估。國家核安全局頒布的HAF 102—2016中同樣規(guī)定要控制事故工況下安全殼大氣中的氫氣濃度，以防止可能危及安全殼完整性的燃爆或爆燃載荷[3]。采用我國自主研發(fā)的“華龍一號(hào)”核電技術(shù)，福清核電5、6號(hào)機(jī)組設(shè)計(jì)了完善的氫氣風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防和緩解措施[4]，“華龍一號(hào)”氫氣風(fēng)險(xiǎn)控制措施設(shè)計(jì)的目的便是從設(shè)計(jì)上實(shí)際消除這一風(fēng)險(xiǎn)。本文總結(jié)回顧了福清核電5、6號(hào)機(jī)組氫氣風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防和緩解措施的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證過程，包括安全殼消氫方案論證，預(yù)防氫氣局部積聚的工程優(yōu)化以及設(shè)計(jì)變更后氫氣風(fēng)險(xiǎn)論證，可以為后續(xù)新建機(jī)組氫氣風(fēng)險(xiǎn)控制提供借鑒。

1 消氫系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

針對壓水堆嚴(yán)重事故情況下氫氣風(fēng)險(xiǎn)緩解，國際上通用的緩解措施有氫氣點(diǎn)火器、非能動(dòng)氫氣復(fù)合器等措施[5]。在“華龍一號(hào)”的消氫方案設(shè)計(jì)之初，考慮到針對氫氣風(fēng)險(xiǎn)的最新要求，創(chuàng)新性地提出了兩種不同的消氫系統(tǒng)備選方案。分別是：

（1） 消氫方案A：采用非能動(dòng)氫氣復(fù)合器，共設(shè)置了 33臺(tái)非能動(dòng)氫氣復(fù)合器，22臺(tái)為XQ-FN/50型，11臺(tái)為XQ-FN/30型，其中位于反應(yīng)堆廠房上方環(huán)形鋼平臺(tái)上的兩臺(tái)非能動(dòng)氫復(fù)合器按照安全級要求進(jìn)行鑒定，可以用于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故下的氫氣消除。

（2） 消氫方案 B：采用非能動(dòng)氫氣復(fù)合器與氫氣點(diǎn)火器的組合消氫方案，在反應(yīng)廠房操作平臺(tái)以上大空間布置20臺(tái)XQ-FN/50型氫氣復(fù)合器，主要控制安全殼大空間的氫氣濃度。同時(shí)在蒸汽發(fā)生器、主泵、穩(wěn)壓器及卸壓箱這些隔間布置18個(gè)單列氫氣點(diǎn)火器，用來消除由于氫氣快速釋放而帶來的氫氣風(fēng)險(xiǎn)。

通過選取典型嚴(yán)重事故序列，分別對消氫方案A和消氫方案B在事故后的有效性及帶來的影響進(jìn)行了詳細(xì)的分析，得到的結(jié)論及每個(gè)方案優(yōu)缺點(diǎn)如下：

（1） 消氫方案A和消氫方案B在嚴(yán)重事故后均能夠有效地消除氫氣發(fā)生整體燃爆的風(fēng)險(xiǎn)，滿足相關(guān)消氫法規(guī)的要求。

（2） 消氫方案A完全依靠非能動(dòng)氫氣復(fù)合器消氫，可在非常低的氫氣濃度和非常高的水蒸氣濃度條件下運(yùn)行，能夠穩(wěn)定地復(fù)合消除長期釋放的氫氣，適合于安全殼大空間的氫氣控制。缺點(diǎn)是由于消氫速率慢，不能消除局部區(qū)域快速釋放的氫氣峰值。

（3） 消氫方案 B采用非能動(dòng)氫氣復(fù)合器 + 能動(dòng)氫氣點(diǎn)火器的組合方案，不僅能控制安全殼大空間的氫氣濃度保持在較低水平，而且還能消除由于局部隔間氫氣快速釋放造成的氫氣濃度峰值。其主要缺點(diǎn)首先是系統(tǒng)更為復(fù)雜，需要額外的供電系統(tǒng)支持，另外，該方案由于引入了點(diǎn)火源，會(huì)在氫氣燃燒隔間造成短時(shí)高溫，可能對其他設(shè)備、儀表及結(jié)構(gòu)帶來一定的威脅。

在綜合考慮消氫能力、系統(tǒng)復(fù)雜程度、嚴(yán)重事故后的環(huán)境條件、設(shè)備可用性、經(jīng)濟(jì)性等各方面的影響之后，最終選擇了消氫方案A的非能動(dòng)氫氣復(fù)合器方案作為總體方案進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)設(shè)計(jì)與論證。

2 消除氫氣風(fēng)險(xiǎn)的論證流程

HAF 102—2016中要求要“控制事故工況下安全殼大氣中的氫氣濃度，以防止可能危及安全殼完整性的燃爆或爆燃載荷”，為了論證“華龍一號(hào)”消氫系統(tǒng)滿足這一法規(guī)要求，在方法上，采用分級論證的思路，如圖 1所示，其主要流程如下：

（1） 第一層級：針對消除整體燃爆風(fēng)險(xiǎn)的論證：采用一體化集總參數(shù)程序，計(jì)算嚴(yán)重事故后安全殼內(nèi)氫氣濃度分布，論證能否消除安全殼大空間發(fā)生整體燃爆的風(fēng)險(xiǎn)；

（2） 第二層級：針對局部燃爆風(fēng)險(xiǎn)的論證：針對局部空間燃爆風(fēng)險(xiǎn)，采用CFD程序論證能否消除局部空間發(fā)生DDT的風(fēng)險(xiǎn)；

（3） 第三層級：針對氫氣爆炸后果的論證：針對局部空間發(fā)生DDT的后果，采用結(jié)構(gòu)力學(xué)程序論證能否消除導(dǎo)致安全殼失效的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 氫氣風(fēng)險(xiǎn)論證流程Fig.1 Hydrogen risk argument process

在福清核電5、6號(hào)機(jī)組項(xiàng)目中，通過前兩個(gè)層級的分析、論證，最終實(shí)現(xiàn)了嚴(yán)重事故后氫氣風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)際消除，滿足了法規(guī)要求。

3 消除氫氣風(fēng)險(xiǎn)的論證流程

福清核電5、6號(hào)機(jī)組是“華龍一號(hào)”首堆，“華龍一號(hào)”安全殼結(jié)構(gòu)和布置與二代壓水堆核電廠存在較大的差異。在二代改進(jìn)項(xiàng)機(jī)組上，消氫系統(tǒng)作為增設(shè)的措施，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)受到多方面的制約。而“華龍一號(hào)”為全新設(shè)計(jì)，需要在安全殼結(jié)構(gòu)、布置方案設(shè)計(jì)的全過程中考慮對氫氣風(fēng)險(xiǎn)的影響。在福清核電 5、6號(hào)項(xiàng)目中，為了降低氫氣風(fēng)險(xiǎn)，先后對卸壓箱-波動(dòng)管隔間和主泵隔間上部的流通性進(jìn)行了針對性的優(yōu)化。

3.1 卸壓箱-波動(dòng)管隔間流通面積優(yōu)化

核電廠發(fā)生嚴(yán)重事故期間會(huì)有大量氫氣釋放到安全殼中，局部的氫氣濃度超過限值可能會(huì)引發(fā)安全殼內(nèi)氫氣燃燒或爆炸，嚴(yán)重威脅安全殼的完整性。在以往二代改進(jìn)型電廠中，卸壓箱、波動(dòng)管所在隔間由于所處位置位于安全殼下部，流通情況較差，往往是氫氣容易積聚的地方。“華龍一號(hào)”的布置方案中，卸壓箱的相對布置位置上移，進(jìn)一步壓縮了其流通空間。在發(fā)生全廠斷電、波動(dòng)管斷裂等始發(fā)的嚴(yán)重事故的情形下，氫氣會(huì)通過卸壓箱爆破膜或波動(dòng)管破口進(jìn)入這些相對封閉的隔間，更容易造成氫氣的局部積聚，引發(fā)氫氣風(fēng)險(xiǎn)。

為定量判斷局部隔間氫氣風(fēng)險(xiǎn)大小，鎖定局部隔間設(shè)計(jì)短板，基于工程經(jīng)驗(yàn)選取了喪失給水事故、小破口失水事故、波動(dòng)管破裂等典型事故進(jìn)行氫氣風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算，主要關(guān)注卸壓箱爆破膜破裂以及波動(dòng)管破裂后早期的氫氣快速釋放階段。并且從緩解氫氣在局部隔間的氫氣風(fēng)險(xiǎn)的目的出發(fā)，從安全性、經(jīng)濟(jì)性和實(shí)施難度等多方面因素綜合考慮，對可能的強(qiáng)化流通措施，如加大波動(dòng)管隔間通向穩(wěn)壓器隔間的流通面積等進(jìn)行了針對性的分析，考慮了波動(dòng)管隔間與穩(wěn)壓器隔間之間三種不同流通面積的設(shè)計(jì)方案，分別為方案 A（3.5 m2）、方案B（4.0 m2）和方案 C（5.0 m2）。圖 2～圖 4分別為上述三種方案的穩(wěn)壓器隔間、波動(dòng)管隔間以及卸壓箱隔間氫氣濃度計(jì)算結(jié)果。

分析結(jié)果表明，在增大波動(dòng)管隔間至穩(wěn)壓器隔間之間的流通面積后，波動(dòng)管隔間氫氣濃度明顯降低，穩(wěn)壓器隔間氫氣濃度略有升高但可以接受。綜合計(jì)算結(jié)果和工程實(shí)際情況，嚴(yán)重事故分析專業(yè)建議將流通面積擴(kuò)大至 5.0 m2左右。由于波動(dòng)管隔間樓板中原本已經(jīng)存在約4 m2的洞口，因此只需要再補(bǔ)開洞1 m2即可滿足流通面積要求。檢查波動(dòng)管隔間樓板的配筋需求量之后，確定了開洞的可行位置，最終波動(dòng)管隔間開孔情況如圖5所示。通過對“華龍一號(hào)”安全殼局部隔間流通設(shè)計(jì)優(yōu)化后，局部隔間內(nèi)的氫氣風(fēng)險(xiǎn)得到了有效降低，進(jìn)一步提高了安全殼的完整性和設(shè)備的可用性，使“華龍一號(hào)”核電機(jī)組整體的安全性得到提升。

圖2 穩(wěn)壓器隔間氫氣份額Fig.2 Hydrogen fraction in the pressurizer compartment

圖3 波動(dòng)管隔間氫氣份額Fig.3 Hydrogen fraction in the surge line compartment

圖4 卸壓箱隔間氫氣份額Fig.4 Hydrogen fraction in the relief tank compartment

圖5 波動(dòng)管隔間新增開孔Fig.5 New opening added in the surge line compartment

3.2 主泵隔間流通性變更后氫氣風(fēng)險(xiǎn)論證

在初步設(shè)計(jì)階段，作為主泵設(shè)備的吊裝通道，主泵隔間頂部結(jié)構(gòu)為開口設(shè)計(jì)，豎直方向上與 + 16.5 m操作平臺(tái)大空間連通，水平方向分別與蒸汽發(fā)生器隔間和堆腔相連，如圖6所示。主泵隔間流通狀況良好，即使發(fā)生氫氣釋放，也不存在隔間內(nèi)氫氣積聚情況。

圖6 主泵隔間結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of the primary pump compartment

然而隨著設(shè)計(jì)的深入推進(jìn)，通風(fēng)問題和系統(tǒng)布置問題對主泵隔間頂部的設(shè)計(jì)提出了更改需求。

通風(fēng)問題：主泵為機(jī)組運(yùn)行期間熱負(fù)荷集中區(qū)域之一，為冷卻該區(qū)域，需由通風(fēng)管道建立“主泵隔間—操作平臺(tái)—回風(fēng)管—空調(diào)機(jī)組—主泵隔間”的循環(huán)冷卻路徑。

系統(tǒng)布置問題：內(nèi)置換料水箱（IRWST）作為安注系統(tǒng)（RSI）和安全殼噴淋系統(tǒng)（CSP）的永久水源，需要避免水量在安全系統(tǒng)工作過程中出現(xiàn)大量損失。因此需要遮擋主泵隔間頂部，避免噴淋水由上部進(jìn)入主泵隔間后，匯入消防防火地漏而未返回內(nèi)置換料水箱。

此外，結(jié)合福清核電1～4號(hào)機(jī)組施工經(jīng)驗(yàn)和5、6號(hào)機(jī)組 + 16.5 m平臺(tái)區(qū)域示意圖，現(xiàn)場安裝及機(jī)組停堆檢修等施工期間，主泵間蓋板將作為部分設(shè)備組裝及專用工具存放區(qū)域，隔間頂部應(yīng)以蓋板覆蓋，從而便于人員通行及物品臨時(shí)放置。因此，為滿足各方面需求，設(shè)計(jì)了鋼結(jié)構(gòu)通風(fēng)小室，正常運(yùn)行期間將鋼結(jié)構(gòu)通風(fēng)小室放置蓋板位置，檢修期間換原蓋板，達(dá)到在正常運(yùn)行期間和事故期間改善主泵隔間通風(fēng)的目的。

以上設(shè)計(jì)變更改變了主泵隔間頂部流體面積，如表 1所示，需要對主泵隔間的氫氣風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行重新評估，以確保主泵隔間在嚴(yán)重事故工況下不會(huì)發(fā)生可能危及安全殼完整性的燃爆或爆燃載荷，如果方案變更后在主泵隔間發(fā)生不可接受的氫氣風(fēng)險(xiǎn)，需要進(jìn)一步對消氫系統(tǒng)進(jìn)行變更，如增加主泵隔間的氫氣復(fù)合器。

表1 設(shè)計(jì)變更前后主泵隔間與大空間流通面積Table 1 Flow area changes before and after the design modification of the primary pump compartment

LOCA類事故是造成主泵隔間潛在氫氣風(fēng)險(xiǎn)的主要事故。根據(jù)專家判斷和工程經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算中選取了大破口失水事故和小破口失水事故兩個(gè)序列加以分析，主要關(guān)注事故發(fā)生后早期快速產(chǎn)氫階段的主泵隔間大氣狀態(tài)。在分析局部隔間氫氣風(fēng)險(xiǎn)時(shí)選取流通面積較小的SPZ01通風(fēng)小室為對象，分析其對應(yīng)的環(huán)路1主泵隔間氫氣體積份額。

圖7和圖8分別給出了大破口失水事故下主泵隔間氫氣份額對比和大氣狀態(tài)對比。由于大LOCA事故早期堆芯產(chǎn)氫質(zhì)量較低，破口隔間的氫氣份額也保持在較低水平。主泵隔間頂部蓋板在設(shè)計(jì)變更后，隔間大氣狀態(tài)保持在慢燃區(qū)之外，隔間內(nèi)不存在氫氣燃燒風(fēng)險(xiǎn)。

圖9和圖10分別給出了小破口失水事故下主泵隔間氫氣份額對比和大氣狀態(tài)對比。主泵隔間頂部蓋板在設(shè)計(jì)變更后，隔間大氣狀態(tài)進(jìn)入慢燃區(qū)，即事故后有發(fā)生慢燃的可能性，但是不存在爆炸風(fēng)險(xiǎn)。

圖7 主泵隔間氫氣份額（大破口失水事故）Fig.7 Hydrogen fraction (LB-LOCA)

圖8 主泵隔間大氣狀態(tài)（大破口失水事故）Fig.8 Shapiro diagram (LB-LOCA)

圖8 主泵隔間大氣狀態(tài)（大破口失水事故）（續(xù)）Fig.8 Shapiro diagram (LB-LOCA)

圖9 主泵隔間氫氣份額（小破口失水事故）Fig.9 Hydrogen fraction (SB-LOCA)

圖10 主泵隔間大氣狀態(tài)（小破口失水事故）Fig.10 Shapiro diagram (SB-LOCA)

圖10 主泵隔間大氣狀態(tài)（小破口失水事故）（續(xù)）Fig.10 Shapiro diagram (SB-LOCA)

通過對主泵隔間設(shè)計(jì)變更進(jìn)行計(jì)算論證，可以確認(rèn)當(dāng)前方案與封閉式的隔間頂部設(shè)計(jì)方案相比，氫氣風(fēng)險(xiǎn)得到了有效降低，達(dá)到了與原開口式方案相似的效果。

3 結(jié)論

福清核電5、6號(hào)機(jī)組采用了我國自主研發(fā)的“華龍一號(hào)”核電技術(shù)，設(shè)計(jì)了完善的氫氣風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防和緩解措施。本文系統(tǒng)性的總結(jié)回顧了福清核電5、6號(hào)機(jī)組氫氣風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防和緩解措施的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證及優(yōu)化過程，包括安全殼消氫總體方案比選、氫氣風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)際消除、針對氫氣風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)計(jì)優(yōu)化等，最終論證了消氫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能夠應(yīng)對嚴(yán)重事故后威脅安全殼完整性的氫氣風(fēng)險(xiǎn)，滿足相關(guān)法規(guī)要求，為后續(xù)新建機(jī)組氫氣風(fēng)險(xiǎn)控制提供借鑒。