分析秦二廠嚴(yán)重事故下氫氣產(chǎn)生的來(lái)源和緩解措施

王靖宇

（中核核電運(yùn)行管理有限公司運(yùn)行三處，浙江 海鹽314300）

0 引言

距離2011年3月11日福島核事故已經(jīng)過(guò)去10年，由于9級(jí)巨大地震引發(fā)的海嘯導(dǎo)致日本福島核電廠發(fā)生核泄漏，此次事故是繼切爾諾貝利核事件以來(lái)最嚴(yán)重的核泄漏事故。事故發(fā)生后，引起了政府和人們各方面的高度關(guān)注，又將核電安全推向了風(fēng)口浪尖的境地。核電廠在嚴(yán)重事故下，尤其是堆芯熔化后，會(huì)產(chǎn)生大量的氫氣，這些氫氣會(huì)在廠房?jī)?nèi)迅速擴(kuò)散并積聚，如果氫氣不能及時(shí)得到有效消除或排出，極可能發(fā)生氫氣爆炸，導(dǎo)致廠房、系統(tǒng)、設(shè)備損壞，放射性物質(zhì)外泄等，嚴(yán)重威脅環(huán)境和公眾的健康。在1979年美國(guó)三哩島核事故中，發(fā)生了氫氣爆燃；在2011年的福島核事故中，福島4臺(tái)機(jī)組均發(fā)生了氫氣爆炸，爆炸破壞了安全殼的完整性，導(dǎo)致了大量放射性物質(zhì)外泄，對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。

核電廠氫氣控制和管理的目的是采取一定的緩解措施，消除安全殼內(nèi)產(chǎn)生的氫氣，避免在事故情況下發(fā)生氫爆風(fēng)險(xiǎn)，破壞安全殼的完整性。目前采用的緩解嚴(yán)重事故后氫氣爆炸的手段有氫氣點(diǎn)火器、能動(dòng)式和非能動(dòng)式氫氣復(fù)合器、鋯合金材料的改進(jìn)與替換和設(shè)置堆芯熔融物冷卻與保持系統(tǒng)等。本文分析了秦二廠嚴(yán)重事故情況下，氫氣產(chǎn)生的來(lái)源、分布特點(diǎn)和現(xiàn)有的應(yīng)對(duì)措施，并分析其他緩解手段在秦二廠的適用性。

1 日本福島核事故

日本福島核事故中，福島第一核電站4臺(tái)機(jī)組均發(fā)生了爆炸事故，經(jīng)多方專家研究，均確定為氫氣爆炸。通過(guò)事故之后的分析得知，1號(hào)/2號(hào)/3號(hào)機(jī)組事故的主要過(guò)程為：超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的地震導(dǎo)致失去廠外電、反應(yīng)堆安全停堆，余熱無(wú)法導(dǎo)出，海嘯導(dǎo)致應(yīng)急電源失效，臨時(shí)應(yīng)急電源無(wú)法供電，同時(shí)外界的移動(dòng)式電源又由于道路的坍塌，導(dǎo)致了核電廠徹底失電；失去動(dòng)力源后，堆芯余熱無(wú)法排出，堆芯水位下降，核燃料棒開始熔化，鋯水反應(yīng)等產(chǎn)生大量氫氣，氫氣在廠房擴(kuò)散、分布、積聚，產(chǎn)生氫爆，廠房被破壞，大量放射性氣體釋放到環(huán)境中。3臺(tái)機(jī)組在全廠失電、失去對(duì)堆芯的冷卻后，相繼發(fā)生氫氣爆炸。4號(hào)機(jī)組較為特殊，由3號(hào)機(jī)組氫氣從通風(fēng)管道進(jìn)入，導(dǎo)致氫爆，且由于乏燃料的失去冷卻，導(dǎo)致了燃料廠房也發(fā)生了爆炸。

2 秦二廠嚴(yán)重事故情況下氫氣的來(lái)源

根據(jù)以上嚴(yán)重事故下氫氣來(lái)源的分析，結(jié)合秦山二廠的實(shí)際情況，我們得出以下結(jié)論：

（1）秦二廠作為典型的2個(gè)環(huán)路的壓水堆，燃料包殼使用了鋯合金，F(xiàn)A2G（二代改進(jìn)型燃料組件）的包殼和定位格架由鋯-4合金做成，即使AFA3G（三代改進(jìn)型燃料組件）的包殼材料改進(jìn)為了M5合金，但是合金成分中仍有鋯，除此之外，控制棒導(dǎo)向管和儀表管的材料也為鋯-4合金，所以在嚴(yán)重事故情況下，產(chǎn)生氫氣的主要來(lái)源為鋯水反應(yīng)，研究表明，秦二廠100%鋯水反應(yīng)產(chǎn)氫質(zhì)量能達(dá)到695 kg。

（2）由于秦二廠壓水堆設(shè)計(jì)中，沒有考慮堆芯捕集器和犧牲混凝土，因此，在堆芯下封頭破裂后，堆芯熔融物與混凝土的MCCI反應(yīng)將是產(chǎn)生氫氣的主要來(lái)源。

（3）秦二廠堆芯材料中使用了大量的不銹鋼，例如，控制棒包殼管和可燃毒物棒的內(nèi)外包殼均采用了304不銹鋼，另外，堆芯很多部件的連接材料也采用了不銹鋼，因此嚴(yán)重事故情況下，不銹鋼的腐蝕會(huì)成為氫氣的一個(gè)重要來(lái)源。

（4）秦二廠安全殼地坑位于-3.4 m，空間開闊，嚴(yán)重事故后，水的輻照分解的產(chǎn)氫量不足以造成局部氫氣濃度超過(guò)極限。且只有在放射性物質(zhì)泄漏到安全殼內(nèi)部時(shí)，才考慮地坑水的輻照分解，因此，該氫氣產(chǎn)量對(duì)氫氣總量貢獻(xiàn)不大，也不存在局部氫氣積聚的問題。

（5）在秦二廠嚴(yán)重事故情況下，安全殼噴淋可能自動(dòng)投運(yùn)，系統(tǒng)中的NaOH溶液會(huì)對(duì)安全殼內(nèi)金屬鋁和鋅構(gòu)成腐蝕，安全殼噴淋投入后，需關(guān)注氫氣濃度。但這是氫氣的一個(gè)次要來(lái)源。

（6）秦二廠冷卻劑中溶解的氫氣只有8.47 m3，占總產(chǎn)氫微小比例，是氫氣產(chǎn)生的一個(gè)微小來(lái)源。

3 秦二廠嚴(yán)重事故情況下緩解氫氣爆炸的手段和措施

3.1 非能動(dòng)氫復(fù)合器在嚴(yán)重事故情況下的運(yùn)用

秦二廠非能動(dòng)式消氫裝置采用中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院的型號(hào)為PARQX的非能動(dòng)氫氣復(fù)合器，分別有PARQX-150和PARQX-75兩種規(guī)格。其工作原理是利用催化劑使氫氣和氧氣在濃度低于可燃閾值時(shí)發(fā)生化合反應(yīng)，反應(yīng)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)進(jìn)行。該設(shè)備分散布置在安全殼大廳內(nèi)，自動(dòng)啟動(dòng)，能夠依靠自身產(chǎn)生的熱量使氣流流動(dòng)。具有以下特點(diǎn)：

（1）當(dāng)安全殼內(nèi)部氫氣濃度達(dá)到2%時(shí)，氫氣復(fù)合器自動(dòng)啟動(dòng)，不需要外部電源、氣源和控制。停止閾值為0.5%氫氣濃度。

（2）設(shè)計(jì)原則是保證在嚴(yán)重事故工況下將安全殼內(nèi)的平均氫氣濃度保持在低于發(fā)生爆炸的濃度——體積濃度10%。

（3）在事故后可能產(chǎn)生氫氣積聚的幾個(gè)隔間：穩(wěn)壓器間、卸壓箱房間、主泵房間、蒸汽發(fā)生器隔間均裝設(shè)了非能動(dòng)式氫氣復(fù)合器，每個(gè)復(fù)合器的消氫能力為2 kg/h（0.05 MPa、4%氫氣濃度），大于嚴(yán)重事故情況下隔間的產(chǎn)氫量。

（4）工作溫度：5～500℃，環(huán)境壓力：0.08～0.70 MPa，能夠在嚴(yán)重事故情況下正常工作。

（5）氫氣復(fù)合器頂部設(shè)有遮擋頂板，能夠避免事故發(fā)生情況下，安全殼噴淋液體進(jìn)入氫氣復(fù)合器中。

非能動(dòng)式氫氣復(fù)合器能有效地降低安全殼內(nèi)部的氫氣濃度，是秦二廠嚴(yán)重事故情況下最重要的消氫手段。

3.2 移動(dòng)式氫氣復(fù)合器在嚴(yán)重事故情況下的運(yùn)用

秦二廠移動(dòng)式氫氣復(fù)合器額定處理流量119 m3/h，進(jìn)口氫氣濃度1%～4%，出口氫氣濃度≤0.1%，設(shè)計(jì)壓力415 kPa表壓，在氫氣濃度較低的情況，能有效地降低安全殼內(nèi)部的氫氣濃度，有利于長(zhǎng)時(shí)間的降低安全殼內(nèi)部氫氣濃度。但是該復(fù)合器是根據(jù)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故設(shè)計(jì)的，不是設(shè)計(jì)用來(lái)對(duì)抗嚴(yán)重事故的，因此，在考慮使用移動(dòng)式能動(dòng)氫氣復(fù)合器時(shí)，必須考慮以下負(fù)面影響：

（1）移動(dòng)式氫氣復(fù)合器有氫氣濃度的設(shè)計(jì)限制（1%～4%），超過(guò)限值，將因氫氧反應(yīng)而過(guò)熱，因此，在氫氣濃度較高的情況下，不能長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。

（2）移動(dòng)式氫氣復(fù)合器可能被安全殼內(nèi)部的氣溶膠堵塞。秦二廠移動(dòng)式氫氣復(fù)合器的管道直徑為60.3 cm，較大的氣溶膠積聚可能導(dǎo)致管道堵塞。

（3）由于移動(dòng)式氫氣復(fù)合器在安全殼外部，投入運(yùn)行后，有放射性物質(zhì)外泄的風(fēng)險(xiǎn)。

（4）移動(dòng)式氫氣復(fù)合器具有加熱元件，它的使用將有可能成為點(diǎn)火源，引爆安全殼內(nèi)部氫氣。

（5）移動(dòng)式氫氣復(fù)合器消氫速度慢，一般需要投運(yùn)幾個(gè)小時(shí)后才能起作用。

因此，雖然移動(dòng)式氫氣復(fù)合器能有效地降低氫氣濃度，但是它只適用于氫氣濃度較低，且在安全殼內(nèi)部氣體被惰化的情況，使用有一定的局限性。其投運(yùn)與否需要經(jīng)過(guò)技術(shù)支持中心的評(píng)估，而且由于需要使用電源，在發(fā)生類似福島全廠失電的事故的情況下，將無(wú)法使用。