劉 瑋，王 菲，楊海林，亓傳剛，張祥貴

(江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042)

核電廠嚴(yán)重事故情況下氫氣控制分析

劉 瑋，王 菲，楊海林，亓傳剛，張祥貴

(江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042)

文章首先闡述了核電廠嚴(yán)重事故情況下安全殼內(nèi)的氫氣風(fēng)險(xiǎn)，研究現(xiàn)狀，以及緩解、控制氫氣風(fēng)險(xiǎn)的具體措施。在此基礎(chǔ)上，介紹了田灣核電站嚴(yán)重事故情況下氫氣控制的系統(tǒng)和方法，調(diào)試結(jié)果及歷次大修對氫氣控制系統(tǒng)的檢查結(jié)果，表明該方法具備嚴(yán)重事故預(yù)防和緩解能力，安全風(fēng)險(xiǎn)處于受控狀態(tài)，安全是有保障的，符合國家核安全局針對福島核事故后對核電廠改進(jìn)行動(dòng)的通用技術(shù)要求。

田灣核電站；嚴(yán)重事故；安全殼；氫氣風(fēng)險(xiǎn)；氫氣控制

1 引言

1.1 氫氣風(fēng)險(xiǎn)

在輕水堆核電廠嚴(yán)重事故中，鋯合金包殼將與水或水蒸氣發(fā)生強(qiáng)烈的放熱氧化反應(yīng)，產(chǎn)生大量的氫氣，并通過主回路壓力邊界或壓力容器破口，釋放到安全殼中。當(dāng)堆芯熔融物進(jìn)入安全殼堆腔，與混凝土或水相接觸，又會引發(fā)強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生大量的氫氣和少量其他易燃易爆氣體，如一氧化碳等。嚴(yán)重事故中產(chǎn)生的氫氣，在產(chǎn)生源附近或者與安全殼內(nèi)空氣混合后可能發(fā)生燃燒、爆燃或爆炸。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，氫氣將會燃燒并且產(chǎn)生穩(wěn)定的火焰，稱為擴(kuò)散燃燒。這種燃燒所產(chǎn)生的熱量和壓力峰值較小，通常不會對安全殼完整性構(gòu)成威脅。在釋放源附近沒有發(fā)生燃燒的氫氣，將與安全殼內(nèi)的水蒸氣、空氣混合，并且在安全殼隔間傳輸，導(dǎo)致安全殼內(nèi)整體或某些局部的氫氣濃度升高。當(dāng)安全殼內(nèi)的氫氣濃度達(dá)到一定比例后，在適合的外界條件下（例如溫度、壓力、氧氣濃度等），這些混合氣體將發(fā)生爆燃，并可能由此轉(zhuǎn)變成爆炸，在極短時(shí)間內(nèi)形成很高的壓力峰值。如果未能及時(shí)采取有效的氫氣緩解措施，氫氣在安全殼內(nèi)可能發(fā)生局部或整體性的爆燃或爆炸，由此產(chǎn)生的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓力載荷會危及安全殼完整性，并影響安全殼內(nèi)安全系統(tǒng)安全功能的有效執(zhí)行。

1979年，美國三哩島核電廠發(fā)生嚴(yán)重事故，459 kg氫氣產(chǎn)生并釋放到安全殼大氣中，大約319 kg氫氣燃燒，對安全殼內(nèi)設(shè)備造成了破壞，并直接威脅到安全殼完整性。事故發(fā)生后，世界各國對反應(yīng)堆安全極為關(guān)注，并開始了嚴(yán)重事故下氫氣行為研究。在此基礎(chǔ)上，各國針對核電廠嚴(yán)重事故下緩解氫氣燃燒和爆炸風(fēng)險(xiǎn)的要求，制訂了新的核安全法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，提出了新的氫氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。迄今為止，各國在氫氣的產(chǎn)生、分布、燃燒和爆炸、氫氣預(yù)防與緩解等方面開展了大量研究，包括簡單的效果測試、整體實(shí)驗(yàn)、模型和程序開發(fā)以及核電廠分析，并且發(fā)展了許多的氫氣緩解和控制系統(tǒng)，例如復(fù)合器、點(diǎn)火器、惰性化措施，一些系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用到核電廠。

2011年3月11日，日本福島核事故導(dǎo)致放射性物質(zhì)泄漏的一個(gè)較為主要的原因是，堆芯中密封核燃料的鋯包殼管在溫度超過850 ℃后發(fā)生鋯水反應(yīng)放出大量氫氣，氫氣泄漏到安全殼內(nèi)與氧氣混合并超過了爆炸極限濃度，發(fā)生爆炸致使反應(yīng)堆廠房坍塌。

福島核事故后，我國國家核安全局對運(yùn)行和在建核電廠開展了核安全檢查，檢查結(jié)果表明：我國核電廠具備一定的嚴(yán)重事故預(yù)防和緩解能力，安全風(fēng)險(xiǎn)處于受控狀態(tài)，安全是有保障的。為了進(jìn)一步提高我國核電廠的核安全水平，國家核安全局依據(jù)檢查結(jié)果對各核電廠提出了改進(jìn)要求，并組織編制了《福島核事故后核電廠改進(jìn)行動(dòng)通用技術(shù)要求（試行）》。

1.2 國內(nèi)外氫氣安全研究現(xiàn)狀

截至目前，各國已經(jīng)開展了許多實(shí)驗(yàn)，以研究嚴(yán)重事故下安全殼熱工水力現(xiàn)象及氫氣行為。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的同時(shí)，各國也積極開展計(jì)算程序的開發(fā)，用于分析安全殼內(nèi)熱工水力學(xué)行為、氫氣分布及燃燒現(xiàn)象。經(jīng)過二十余年的努力，針對嚴(yán)重事故情況下的氫氣管理，已經(jīng)發(fā)展了許多緩解措施概念，以限制氫氣爆炸可能造成的對安全殼完整性的威脅。這些措施可以歸結(jié)為兩類：第一種是稀釋氧氣或氫氣濃度，控制安全殼混合氣體成分，避免達(dá)到可燃濃度，例如事故預(yù)惰化、事故后惰化、事故后稀釋、混合；第二種減小安全殼內(nèi)的可燃?xì)怏w成分，例如點(diǎn)火器、催化復(fù)合器等。

對于安全殼體積比較小的堆型，采取向安全殼注入氮?dú)獾姆椒ㄊ拱踩珰?nèi)空氣惰化，來避免各種類型事故下的氫氣爆炸。針對嚴(yán)重事故，氫氣點(diǎn)火系統(tǒng)也被安裝在幾個(gè)核電廠。對于大型干式壓水堆安全殼，它有較大的安全殼體積和較強(qiáng)的壓力承載能力，所以氫氣不太可能在安全殼內(nèi)發(fā)生整體性爆炸，更大的可能性是由于局部氫氣濃度過高而產(chǎn)生局部氫氣爆炸。這種局部的氫氣爆炸，直接威脅安全殼完整性的可能性較小，但是在一定的條件下，它可能會破壞安全殼內(nèi)部的設(shè)備和建筑結(jié)構(gòu)，形成彈射物，導(dǎo)致安全殼失效。

國內(nèi)在嚴(yán)重事故氫氣安全領(lǐng)域的研究尚處于起步階段，主要工作是分析氫氣產(chǎn)生機(jī)理、開發(fā)和應(yīng)用國外引進(jìn)的氫氣行為分析程序等。國內(nèi)已建的壓水堆核電廠中，除了從俄羅斯引進(jìn)的田灣核電站外，其他核電廠的氫氣控制系統(tǒng)的初始設(shè)計(jì)都是以設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故為基礎(chǔ)的，較難滿足嚴(yán)重事故下的安全系統(tǒng)功能的要求。

研究表明，不適宜的投入噴淋會破壞安全殼內(nèi)的惰性環(huán)境，引起氫氣爆燃或爆炸，在安全殼內(nèi)產(chǎn)生靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的壓力負(fù)載，可能導(dǎo)致安全殼失效。在有安注投入情況下，適宜投入持續(xù)噴淋的時(shí)間窗口很小，有必要制定相關(guān)準(zhǔn)則指導(dǎo)噴淋的投入與關(guān)閉。

綜上所述，在氫氣風(fēng)險(xiǎn)研究方面，目前國內(nèi)外的熱點(diǎn)問題集中在4個(gè)方面：1）進(jìn)行小規(guī)模單效實(shí)驗(yàn)的氫氣現(xiàn)象研究，改進(jìn)機(jī)理性模型，涉及氫氣流動(dòng)分層、水蒸汽壁面冷凝效應(yīng)、氫氣燃燒和爆炸等現(xiàn)象；2）針對氫氣復(fù)合器的催化效率、復(fù)合器對安全殼內(nèi)氣體流動(dòng)的影響，進(jìn)行小型或大型的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)；3）進(jìn)行安全殼氫氣流動(dòng)分布的大型驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，為開發(fā)流體力學(xué)計(jì)算、分析程序提供數(shù)據(jù)；4）使用相應(yīng)的計(jì)算程序，分析和評估核電廠氫氣管理策略，得到可實(shí)施的解決方案。

2 氫氣源項(xiàng)

2.1 氫氣源項(xiàng)分析

在嚴(yán)重事故下，氫氣產(chǎn)生一般分為壓力容器內(nèi)與壓力容器外兩個(gè)階段。

2.1.1 壓力容器內(nèi)的氫氣源項(xiàng)

鋯的氧化：在堆芯升溫期間，氫氣由鋯包殼與水蒸氣的鋯水氧化反應(yīng)所產(chǎn)生，相關(guān)現(xiàn)象已經(jīng)十分清楚。盡管存在一些不確定性，但目前普遍認(rèn)為對于1 000 MW的典型壓水堆而言，在堆芯仍然保持完整時(shí)，氫氣源項(xiàng)的速率為0.2 kg/s，已經(jīng)十分的精確。

鋼的氧化：鋼的氧化大約占到氫氣總產(chǎn)生量的10%～15%，與鋯的氧化類似，已經(jīng)得到了十分精確的數(shù)據(jù)。

B4C的氧化：B4C在BWR、VVER和一些PWR中用作吸收材料。其與蒸汽的氧化過程在1 400 K以下時(shí)十分清楚，而對于1 400 K以上還需進(jìn)一步研究。B4C能夠顯著地增加產(chǎn)生氫氣源項(xiàng)的時(shí)間，因?yàn)樗谡羝械难趸?，與鋯反應(yīng)相比，每克物質(zhì)能夠釋放更多的熱量并產(chǎn)生更多的氫氣。

在再淹沒階段和“淬火”階段的氫氣產(chǎn)量：裸露堆芯的再淹沒和“淬火”是結(jié)束嚴(yán)重事故瞬態(tài)最重要的事故管理方法。如果堆芯過熱，這種措施將加深鋯包殼的氧化，導(dǎo)致溫度升高。短期的淹沒和“淬火”可能導(dǎo)致很高的氫氣產(chǎn)生速率，必須在風(fēng)險(xiǎn)分析和氫氣緩解系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中加以考慮。即使到近期，關(guān)于“淬火”的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還比較缺乏。目前現(xiàn)有的鋯/水蒸氣的氧化關(guān)系并不適用于決定增長的氫氣產(chǎn)量。

2.1.2 壓力容器外的氫氣源項(xiàng)

水的輻解作用：在正常運(yùn)行和事故狀態(tài)下水都會產(chǎn)生放射性。它可能發(fā)生在堆芯和堆坑中，包括各種輻射導(dǎo)致的水分子分解，其結(jié)果是產(chǎn)生氫分子和氧分子。目前對于室溫條件下純水的現(xiàn)象已經(jīng)了解，而更多的不確定性來源于溫度的升高和雜質(zhì)的引入。但是研究發(fā)現(xiàn)在事故條件下該類氫氣的產(chǎn)生速率較低，可以通過氫氣緩解措施，例如氫氣復(fù)合器加以消除。在運(yùn)行規(guī)定中認(rèn)為水的輻照分解屬于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)內(nèi)的事故。

腐蝕反應(yīng)：在安全殼的此類反應(yīng)中唯一明顯的氫氣源項(xiàng)來自于鋅和鋁的腐蝕反應(yīng)，其中鋅存在于一些種類的油漆和電鍍的鋼中。這些反應(yīng)對于pH值來說十分重要。在研究中發(fā)現(xiàn)在幾小時(shí)中可能產(chǎn)生幾百千克的氫氣，同水的輻照反應(yīng)類似，這種源項(xiàng)也可以由氫氣緩解措施加以排除。

二氧化鈾與水和水蒸氣的反應(yīng)：二氧化鈾與水蒸氣反應(yīng)會產(chǎn)生UO2+x和氫氣，而反應(yīng)的程度取決于水蒸氣和氫氣的分壓。

熔融堆芯和混凝土的相互作用：在一些實(shí)驗(yàn)和理論程序中研究了干燥條件下的熔融堆芯和混凝土的相互作用，氫氣和一氧化碳在MCCI中的產(chǎn)生過程已經(jīng)清楚。從本質(zhì)上講是由于金屬被過程中釋放出的氣體（水和二氧化碳）氧化，而金屬的氧化順序分別是：Zr、Si、Cr和Fe。其中Zr、Cr和Fe來自熔融的堆芯、壓力容器和混凝土屏障，Si則是由混凝土中的SiO2與Zr反應(yīng)得到，而SiO2的主要影響是延遲氫氣的產(chǎn)生。在堆芯和混凝土相互作用的早期中，大部分的氫氣來源于Zr的氧化。而不確定性則是由于所需考慮的Zr的初始質(zhì)量，因?yàn)樵诓煌氖鹿市蛄兄衂r的初始質(zhì)量并不相同。但是Zr的初始質(zhì)量取決于事故中壓力容器內(nèi)的氧化程度?？偟膩碚f，剩余的Zr是早期氫氣產(chǎn)生的主要來源，在MCCI反應(yīng)中較早的被氧化。在典型的壓水堆電廠中全部Zr完全氧化而相應(yīng)產(chǎn)生的氫氣產(chǎn)量在1 000 kg量級。當(dāng)Zr及其產(chǎn)物消耗完后，在MCCI中長期釋放的氫氣主要來自于鐵的氧化，典型釋放速率為2 mol/s（4 g/s)，并且會持續(xù)釋放幾天。這種釋放會伴隨大流量的蒸汽流，能夠降低燃燒概率。需要提醒的是， MCCI的長期傳熱仍然存在不確定性，將會導(dǎo)致安全殼失效時(shí)間節(jié)點(diǎn)的不確定性，同時(shí)長期的過壓失效仍是一個(gè)安全問題。

碎片和氣態(tài)層的相互作用：在壓力容器高壓失效的情況中，熔融堆芯會以液滴的形式向堆腔噴射。在實(shí)驗(yàn)中顯示由于這些液滴的面積很大，會與氣態(tài)層相互作用形成氫氣，主要的過程是金屬的氧化。與熔融堆芯和混凝土的相互作用類似，首要的不確定性就是熔融堆芯中的金屬質(zhì)量，與事故中壓力容器內(nèi)的鋯氧化程度有關(guān)。

2.2 田灣核電站嚴(yán)重事故下氫氣源項(xiàng)

在不同的事故序列中，氫氣的產(chǎn)生特性（例如產(chǎn)生時(shí)間、釋放速率、總量等）是不同的。為了準(zhǔn)確而全面的理解氫氣產(chǎn)生特點(diǎn)，本節(jié)從設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故和超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故兩個(gè)方面進(jìn)行田灣核電站嚴(yán)重事故下氫氣源項(xiàng)的介紹。

2.2.1 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故下安全殼氫氣源項(xiàng)

俄羅斯圣彼得堡設(shè)計(jì)院對設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況下安全殼氫氣源項(xiàng)進(jìn)行了分析，分析表明LOCA事故下安全殼區(qū)域內(nèi)會釋放大量的氫氣。分析采用最大可信事故工況（MDA）作為確定安全殼消氫系統(tǒng)在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故中實(shí)現(xiàn)其設(shè)計(jì)功能的工況，對事故中和事故后所有氫氣源（不包括蒸汽與鋯的反應(yīng)）釋放進(jìn)入安全殼區(qū)域氫氣進(jìn)行分析計(jì)算，在確定MDA中氫氣釋放總量時(shí)，考慮1%的鋯與蒸汽氧化反應(yīng)而產(chǎn)生9.9 kg氫氣在25 s內(nèi)與汽、氣混合物介質(zhì)一起進(jìn)入安全殼區(qū)域。在事故期間以及事故后的30天內(nèi)，各種氫氣源所產(chǎn)生的氫氣總量為88.4 kg。

2.2.2 超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故下安全殼氫氣源項(xiàng)

采用計(jì)算機(jī)程序MARCH-3、DINAMIKA-97對超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故的事故后果進(jìn)行計(jì)算分析。MARCH-3用于分析堆芯喪失冷卻（堆芯部分或全部熔化）的廣泛事故工況譜下，反應(yīng)堆堆芯、一回路系統(tǒng)和安全殼內(nèi)熱工水力過程。分析計(jì)算的超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故包括：

● 喪失所有交流電源8 h或24 h；

● 喪失所有給水；

● 大LOCA疊加安注系統(tǒng)能動(dòng)部件失效；

● 小LOCA疊加安注系統(tǒng)能動(dòng)部件失效；

● 大LOCA疊加冷卻劑再循環(huán)阻塞；

● 未能緊急停堆的預(yù)期瞬態(tài)；

● 在反應(yīng)堆頂蓋撤除和/或反應(yīng)堆密封條件下喪失應(yīng)急與計(jì)劃冷卻系統(tǒng)24 h。

針對上述計(jì)算中產(chǎn)氫量較大的事故序列，俄羅斯圣彼得堡設(shè)計(jì)院采用嚴(yán)重事故最佳估算程序RATEG/SVRCHA/HEFEST對以下嚴(yán)重事故序列進(jìn)行了研究：

● 穩(wěn)壓器波動(dòng)管破裂（DN346）疊加全廠斷電與柴油發(fā)電機(jī)失效；

● 穩(wěn)壓器波動(dòng)管破裂（DN346）疊加安注系統(tǒng)能動(dòng)部件失效；

● 冷腿大破口（DN300）疊加安注系統(tǒng)能動(dòng)部件失效；

● 穩(wěn)壓器噴淋管線破裂（DN179）疊加安注系統(tǒng)能動(dòng)部件失效；

● 冷腿小破口（DN80）疊加安注系統(tǒng)能動(dòng)部件失效；

● 冷腿小破口（DN25）疊加全廠斷電與柴油發(fā)電機(jī)失效；

●喪失所有交流電源8 h或24 h（包括燃料冷卻水池冷卻喪失）；

● 穩(wěn)壓器噴淋管線破裂（DN179）疊加冷卻劑再循環(huán)阻塞。

由上述氫氣釋放進(jìn)入安全殼的動(dòng)力學(xué)分析可知，所考慮的超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故可以分為以下兩類：

● 小LOCA，失電事故；

● 大LOCA。

小LOCA和失電事故的特點(diǎn)是：冷卻劑通過破口連續(xù)泄露，釋放強(qiáng)度較低，最大總氫氣釋放量通常可達(dá)600～800 kg。大LOCA事故的特點(diǎn)是：在一定時(shí)間內(nèi)釋放強(qiáng)度較高，進(jìn)入安全殼的總氫氣釋放量可達(dá)300～400 kg。

采用KUPOL-M程序?qū)κщ娛鹿剩òㄒ换芈肥鹿剩┲邪踩珰じ糸g內(nèi)的氫氣蔓延和氣體成分進(jìn)行分析表明：在失電事故中，包括一回路失水事故，由于蒸汽惰化了氣體介質(zhì)，因此整個(gè)事故中可以排除氫氣燃燒的可能。一回路熱腿小破口（DN25）疊加全廠斷電與柴油發(fā)電機(jī)失效為例，安全殼各隔間內(nèi)氫氣、氧氣及水蒸氣的分布，由于電站反應(yīng)堆廠房內(nèi)設(shè)置了非能動(dòng)式復(fù)合器JMT系統(tǒng)，在JMT系統(tǒng)運(yùn)行中將氫氣與氧氣復(fù)合掉，直到其濃度達(dá)到一定低的值，在事故后期間是安全的，此時(shí)，噴淋系統(tǒng)投入運(yùn)行。

如果發(fā)生小LOCA事故而且安注系統(tǒng)能動(dòng)部件失效，系統(tǒng)JMT的作用是將堆芯熔化所產(chǎn)生的相當(dāng)量的氫氣燒掉，從而可靠地防止氫氣在安全殼內(nèi)任何地方發(fā)生燃燒。在這種情況下，通過操縱員干預(yù)使噴淋系統(tǒng)退出運(yùn)行，就可以符合氫氣安全標(biāo)準(zhǔn)。

采用KUPOL-M程序?qū)Πl(fā)生大LOCA事故而且安注系統(tǒng)能動(dòng)部件失效事故中安全殼隔間內(nèi)的氫氣蔓延和氣體成分進(jìn)行分析表明：發(fā)生大LOCA事故而且安注系統(tǒng)能動(dòng)部件失效工況下，蒸汽發(fā)生器室內(nèi)有局部氫氣積聚的危險(xiǎn)。以穩(wěn)壓器波動(dòng)管破裂（DN346）疊加安注系統(tǒng)能動(dòng)部件失效為例，此時(shí)，JMT系統(tǒng)功能對氫氣情況沒有明顯的影響，因?yàn)橥ㄟ^破口的最大氫氣流量超過該系統(tǒng)容量一個(gè)數(shù)量級。在這種情況下，由于噴淋系統(tǒng)退出運(yùn)行而導(dǎo)致安全殼大氣被蒸汽惰化，使得氫氣安全標(biāo)準(zhǔn)得以滿足。當(dāng)系統(tǒng)JMT起作用時(shí)，燒掉氫氣，直到其濃度低到一定值，從而確保安全殼事故后冷卻時(shí)安全的。

3 田灣核電站安全殼消氫系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)設(shè)置

為應(yīng)對設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故以及超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故下由反應(yīng)堆向安全殼釋放的氫氣，田灣核電站設(shè)計(jì)安裝了非能動(dòng)式氫氣復(fù)合器（系統(tǒng)編碼為JMT），通過可控的氧化反應(yīng)消耗安全殼內(nèi)的高濃度氫氣，防止氫氣濃度達(dá)到爆炸極限，避免氫氣爆炸從而防止安全殼整體密封性喪失。在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故中，該系統(tǒng)將水蒸氣和空氣混合物中的氫濃度維持在低于火焰擴(kuò)展的濃度限值；在超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故下，系統(tǒng)保持氫氣濃度在不爆炸水平；萬一發(fā)生局部燃燒，系統(tǒng)將防止大范圍（與安全殼主隔間的尺寸可比）內(nèi)氫氣的快速燃燒。

為對事故工況下安全殼內(nèi)氫氣和氧氣濃度進(jìn)行監(jiān)測，以便確定事故的某一階段有無可燃混合物出現(xiàn)，并確定出現(xiàn)不同燃燒方式的可能性，同時(shí)為操縱員提供應(yīng)急決策信息，田灣核電站設(shè)置了兩套獨(dú)立的氫氣濃度監(jiān)測系統(tǒng)，分別為JMU10和JMU20系統(tǒng)。其中，JMU20系統(tǒng)用于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故，其功能為在最可能釋放氫氣的地點(diǎn)監(jiān)測氫氣濃度，并且當(dāng)氫氣濃度超過設(shè)計(jì)值時(shí)向主控室和備用控制室發(fā)出信號；JMU10系統(tǒng)用于在超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故中，對可能出現(xiàn)氫氣釋放位置的汽/氣混合介質(zhì)中氣體組成成分的容積濃度進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測系統(tǒng)能夠確保在主控室、備用控制室和超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故控制盤上對設(shè)計(jì)工況以及設(shè)計(jì)中所考慮的超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故條件下的參數(shù)進(jìn)行連續(xù)顯示和報(bào)警。

3.2 非能動(dòng)式氫氣復(fù)合器

3.2.1 復(fù)合器布置

田灣核電站設(shè)計(jì)方采用俄羅斯國家核與輻射安全管理局批準(zhǔn)的KUPOL-M和3D SRP程序，對嚴(yán)重事故工況下氫氣在安全殼隔間內(nèi)的蔓延和積聚以及復(fù)合模型進(jìn)行分析，并以此為依據(jù)確定非能動(dòng)式氫氣復(fù)合器在安全殼隔間內(nèi)的分布及容量。

非能動(dòng)式氫氣復(fù)合器JMT系統(tǒng)容量是根據(jù)下列條件選定的：在堆芯融化的超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故中，在5～7 h內(nèi)高達(dá)1 000 kg的氫氣釋放進(jìn)入安全殼隔間。這一時(shí)間是嚴(yán)重事故情況下壓力容器內(nèi)釋放階段的時(shí)間，熔融物落入堆腔。嚴(yán)重事故這一階段的特點(diǎn)是氫氣釋放速度最大，因此系統(tǒng)容量應(yīng)由此選定。除了出現(xiàn)釋放事故的區(qū)域（通常出現(xiàn)在蒸汽發(fā)生器隔間內(nèi)）外，在上述事故過程中，氫氣在整個(gè)安全殼隔間內(nèi)的分布比較均勻。

為了保證在整個(gè)安全殼空間內(nèi)氫氣分布基本均勻，根據(jù)KUPOL-M程序?qū)λ性O(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故及超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故序列中安全殼內(nèi)氫氣的傳播分析，將非能動(dòng)式氫氣復(fù)合器布置在安全殼上部及可能的氫氣流入聚集點(diǎn)；同時(shí)為了避免LOCA事故中管道破裂射流和飛射物導(dǎo)致的氫復(fù)合器失效，將其設(shè)置在大設(shè)備和強(qiáng)化混凝土設(shè)備之后。復(fù)合器的這種布置，可確保事故時(shí)穩(wěn)壓器間隔內(nèi)最多出現(xiàn)兩臺復(fù)合器退出運(yùn)行、在其他任何帶有泄漏的隔間內(nèi)最多出現(xiàn)一臺復(fù)合器退出運(yùn)行。

安全殼消氫系統(tǒng)采用FRAMATONE公司提供的非能動(dòng)式氫氣復(fù)合器，每臺機(jī)組共裝有44臺氫氣復(fù)合器，其中16臺FR1-750T，28臺FR1-1500T，總消氫能力為188.48 kg/h，主要布置在安全殼的上部位置以及氫氣可能蔓延和積聚的位置。非能動(dòng)式氫氣復(fù)合器屬于安全2級，全部設(shè)備屬抗震1級，并且在所有設(shè)計(jì)模式的環(huán)境參數(shù)下保證系統(tǒng)運(yùn)行。

3.2.2 復(fù)合器的試驗(yàn)和定期檢查

JMT氫氣復(fù)合器在啟動(dòng)前（現(xiàn)場安裝前）已對所有安裝的氫氣復(fù)合器催化板進(jìn)行了催化板表面污染程度、催化層是否脫落、催化劑表面是否變色等情況進(jìn)行外觀檢查以及催化板反應(yīng)性能的特性試驗(yàn)。

根據(jù)田灣核電站《1號機(jī)組核安全相關(guān)系統(tǒng)與設(shè)備定期試驗(yàn)監(jiān)督大綱》及《2號機(jī)組核安全相關(guān)系統(tǒng)與設(shè)備定期試驗(yàn)監(jiān)督大綱》第2章規(guī)定，每次換料大修期間對裝在安全殼內(nèi)20%的氫氣復(fù)合器進(jìn)行特性試驗(yàn)（每臺復(fù)合器取出3片連續(xù)的催化板）以檢驗(yàn)其性能是否滿足設(shè)計(jì)要求。整個(gè)運(yùn)行壽期內(nèi)，從復(fù)合器中取出相同編號的催化板進(jìn)行檢查，以便與催化板的歷史催化性能作比較。以這種方式，每5年完成所有復(fù)合器的性能檢查。

氫氣復(fù)合器特性試驗(yàn)采用含氫氣體積濃度3%的空氣作為試驗(yàn)氣體，壓縮空氣作為吹掃氣體，每次測試3塊催化板的性能，催化反應(yīng)是否開始主要通過比較催化板表面的溫度與入口氣體的溫度及混合氣體中氫氣含量的減少來判斷。如果出口氣體中氫氣濃度在15 min內(nèi)降到75%的初始?xì)錃鉂舛龋瑒t表明催化板性能滿足試驗(yàn)要求。

田灣核電站1、2號機(jī)組歷次大修和調(diào)試期間氫氣復(fù)合器消氫特性試驗(yàn)結(jié)果表明，歷次試驗(yàn)的反應(yīng)時(shí)間都遠(yuǎn)低于試驗(yàn)要求的15 min，余量較大，田灣核電站非能動(dòng)式氫氣復(fù)合器的性能均滿足試驗(yàn)驗(yàn)收準(zhǔn)則。

3.3 JMU20氫氣監(jiān)測系統(tǒng)

基于對氫氣源的分析結(jié)果，確定了在田灣核電站反應(yīng)堆廠房內(nèi)8個(gè)位置點(diǎn)安裝安全殼氫氣監(jiān)測系統(tǒng)的氫氣分析儀，用于正常運(yùn)行工況和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況下反應(yīng)堆廠房內(nèi)氫氣濃度監(jiān)測。氫氣分析儀的位置對應(yīng)于可能出現(xiàn)最高氫氣濃度的地方。分析儀的指示值說明了安全殼隔間內(nèi)的氫氣分布和濃度情況，并且可用于判斷安全殼消氫系統(tǒng)JMT的可用性。

JMU20系統(tǒng)由FS16K型氣體報(bào)警器和WS85型氫氣探頭構(gòu)成，能夠?qū)錃鉂舛冗M(jìn)行連續(xù)測量。氫氣探頭具有耐腐蝕、耐輻射性能，安裝在安全殼內(nèi)氫氣容易聚集的位置，從探頭輸出的信號送到控制廠房機(jī)柜內(nèi)的FS16K模件上進(jìn)行分析處理。在探頭內(nèi)由惠斯通電橋的二分之一構(gòu)成的燈絲被中央控制單元提供的電流加熱到適合催化反應(yīng)的溫度，如果探頭接觸到可燃?xì)怏w，氧化燃燒會使燈絲溫度升高，從而導(dǎo)致燈絲電阻升高。燈絲電阻升高后引起電橋不平衡，并且隨著可燃?xì)怏w濃度的增加而增加，由此產(chǎn)生的電壓信號就可以用來顯示可燃?xì)怏w的濃度并觸發(fā)報(bào)警。

該系統(tǒng)最多可達(dá)16個(gè)測量通道，并且這16個(gè)通道可以連接到一個(gè)主模件上。每個(gè)通道的中央控制單元提供給探頭線路的加熱電流大小為250 mA，從探頭出來的電壓信號是未經(jīng)放大的電橋信號，信號經(jīng)過FS16K氣體報(bào)警儀處理轉(zhuǎn)換成4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)輸出信號，然后送到電站的正常運(yùn)行儀控系統(tǒng)（TXP系統(tǒng)），TXP系統(tǒng)將采集到的信號進(jìn)行計(jì)算處理后，送到主控室和備控室操縱員OT畫面顯示，為操縱員提供信息支持，以便及時(shí)采取措施防止氫氣濃度上升達(dá)到爆炸極限。

為了保證氫濃度監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，需定期對測量系統(tǒng)進(jìn)行檢查和校驗(yàn)。因此，在機(jī)組每次大修時(shí)都會安排時(shí)間窗口對JMU20氫濃度監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行檢查和校驗(yàn)。

檢查校驗(yàn)的內(nèi)容包括：

● 檢查FS16K氣體報(bào)警器輸出設(shè)置和報(bào)警值設(shè)置；

● 檢查測量回路電阻以及對地絕緣電阻；

● 檢查回路斷線報(bào)警是否正常；

● 檢查并調(diào)整探頭加熱電流到（250±5）mA；

● 零點(diǎn)校驗(yàn)；

● 滿點(diǎn)校驗(yàn)。

每次校驗(yàn)完畢后，再用體積濃度約2%的標(biāo)準(zhǔn)氫氣對測量通道的性能進(jìn)行測試，檢查FS16K氣體報(bào)警器的輸出電流是否符合要求。當(dāng)測量誤差超過允許值時(shí)，需要重新進(jìn)行校驗(yàn)調(diào)整，直到測量結(jié)果符合要求為止。

目前，兩臺機(jī)組氫濃度分析系統(tǒng)每次大修時(shí)的檢查校驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)的測量性能滿足指標(biāo)要求。

3.4 JMU10氫氧分析系統(tǒng)

JMU10氫氧分析系統(tǒng)包括13套氫氧濃度分析儀表（其中，5套為氫濃度測量回路，8套為氫氧濃度復(fù)合測量回路）、8只溫度傳感器、2只安全殼壓力傳感器。基于對氫氣源的分析結(jié)果，測點(diǎn)主要布置在安全殼內(nèi)氫氣易產(chǎn)生和集聚的位置。氫濃度傳感器量程有0～10%和0～25%兩種類型，氧傳感器量程為0～25%，滿足特定工況下的高濃度氫氣的測量要求。

由于氫氧傳感器可靠連續(xù)運(yùn)行時(shí)間為7 200 h，故在安全殼處于正常運(yùn)行和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況下，此測量系統(tǒng)處于斷電待命狀態(tài)，一旦發(fā)生超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況，由運(yùn)行人員將測量系統(tǒng)的電源送電，此時(shí)儀表就可以進(jìn)入測量狀態(tài)，并在整個(gè)事故工況下保持運(yùn)行。

由于在正常工況下，氫氧分析儀處于斷電待命狀態(tài)，因此需定期對儀表的測量性能進(jìn)行驗(yàn)證。每兩個(gè)換料周期（20個(gè)月），對每個(gè)測量回路進(jìn)行校驗(yàn)。分別用氫氣濃度為2%、10%、18%的標(biāo)準(zhǔn)混合氣體（其余組份為氮?dú)猓錆舛葌鞲衅鬟M(jìn)行零位和滿度的校驗(yàn)；用氧氣濃度為10%和21%的標(biāo)準(zhǔn)混合氣體（其余組份為氮?dú)猓ρ鯘舛攘阄缓蜐M度校驗(yàn)。當(dāng)測量誤差超出允許值時(shí)，可通過信號處理單元對測量信號進(jìn)行調(diào)整修正。

目前，兩臺機(jī)組的氫氧分析儀表在完成安裝和調(diào)試后已經(jīng)5年，均已經(jīng)進(jìn)行了兩次性能驗(yàn)證，測試結(jié)果滿足性能指標(biāo)。

4 結(jié)束語

田灣核電站在設(shè)計(jì)階段已經(jīng)對設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故及超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故下安全殼內(nèi)氫氣源項(xiàng)在安全殼隔間內(nèi)的蔓延、積聚以及復(fù)合的模型進(jìn)行分析，并以此為依據(jù)確定非能動(dòng)式復(fù)合器在安全殼隔間內(nèi)的分布及容量。安全殼消氫系統(tǒng)的容量基于在5～7 h內(nèi)全部堆芯融化的超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故的產(chǎn)氫量（約1 000 kg）。同時(shí)，田灣核電站根據(jù)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故和超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故下安全殼內(nèi)氫氣分布的情況，安裝了設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況下對安全殼內(nèi)氫濃度進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測的儀表設(shè)備以及超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況下對安全殼內(nèi)氫氧濃度進(jìn)行監(jiān)測的儀表設(shè)備，測點(diǎn)布置滿足特定工況下對安全殼內(nèi)氫氣濃度的監(jiān)測要求。測量結(jié)果能夠在主、備控制室以及超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故后備盤上得到顯示、記錄和報(bào)警。為操縱員提供了良好的決策、支持信息。

系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果及歷次大修對氫氣復(fù)合器及氫氣監(jiān)測系統(tǒng)的檢查結(jié)果表明，這些系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求，運(yùn)行正常；同時(shí)這些系統(tǒng)及事故后具體行動(dòng)，均已列入田灣核電站超設(shè)計(jì)事故管理導(dǎo)則的要求當(dāng)中，滿足《福島核事故后核電廠改進(jìn)行動(dòng)通用技術(shù)要求》第五部分“氫氣監(jiān)測與控制系統(tǒng)改進(jìn)的技術(shù)要求”。

[1] 郭連城. 壓水堆核電廠嚴(yán)重事故情況下氫氣源項(xiàng)研究[D]. 上海: 上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007.1.（GUO Lian-cheng. Study on hydrogen source term of PWR nuclear power plant under severe accident condition [D]. Shanghai: MS thesis of Shanghai Jiao Tong University, 2007.1.）

[2] 鄧堅(jiān). 大型干式安全殼嚴(yán)重事故條件下氫氣控制研究[D]. 上海: 上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文，2008.9.（DENG Jian. Study on hydrogen control for large dry type containment under severe accident condition [D]. Shanghai: Ph.D thesis of Shanghai Jiao Tong University, 2008.9.）

[3] 田灣核電站1、2號機(jī)組安全殼消氫系統(tǒng)評價(jià)報(bào)告OPT-ZT-435-2012[R]. 2012.（Assessment report on the containment hydrogen elimination system of Unit 1 & 2 of Tianwan NPS OPTZT-435-2012 [R]. 2012.）

Hydrogen Control in Severe Accident of Nuclear Power Plant

LIU Wei，WANG Fei，YANG Hai-lin，QI Chuan-gang，ZHANG Xiang-gui
（Jiangsu Nuclear Power Co., Ltd., Lianyungang of Jiangsu Prov. 222042）

This article described the hydrogen risk in the containment in case of severe accident, the research status on hydrogen behavior in case of severe accident at home and abroad, and the specific measures for alleviating or controlling the hydrogen risk. On this basis, the system and method of Tianwan nuclear power plant for controlling hydrogen risk in case of severe accident is introduced, test results and previous inspection results showed that this method has the capacity of severe accident prevention and mitigation, the safety risk is under control and the safety is guaranteed, the demands of the National Nuclear Safety Administration for general technical improvement of nuclear power plant after Fukushima nuclear accident are met.

Tianwan nuclear power plant; severe accident; containment; hydrogen risk; hydrogen control

TM623Article character：A

：1674-1617(2014)04-0352-07

TM623

：A

：1674-1617(2014)04-0352-07

2014-07-23

劉 瑋（1981—），男，湖南新化人，碩士，高級工程師，江蘇核電有限公司運(yùn)行處高級操縱員。