氫氣催化復(fù)合器對(duì)核電廠嚴(yán)重事故的緩解效果

趙文滔 張海杰 張珊

中圖分類(lèi)號(hào)：TM623 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)：A 文章編號(hào)：1674-1145（2018）8-398-01

摘要 發(fā)生核電廠嚴(yán)重事故時(shí)，氫氣燃燒或爆炸會(huì)對(duì)安全殼的完整性產(chǎn)生嚴(yán)重影響，需要采取有效措施降低氫氣風(fēng)險(xiǎn)。本文首先對(duì)核電廠嚴(yán)重事故的控制管理要求進(jìn)行簡(jiǎn)單分析，進(jìn)而探討氫氣催化復(fù)合器在核電廠嚴(yán)重事故控制中的應(yīng)用以及對(duì)氫氣風(fēng)險(xiǎn)的緩解效果。主要采用模型分析方法，通過(guò)構(gòu)建氫氣復(fù)合器模型并對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，得出具體的緩解效果。

關(guān)鍵詞 氫氣催化復(fù)合器 核電廠 嚴(yán)重事故 緩解效果

核電廠的嚴(yán)重事故伴隨著安全殼內(nèi)氫氣的快速累積，進(jìn)而容易發(fā)生燃燒或爆炸。產(chǎn)生的高溫和高壓會(huì)討安全殼造成破壞，影響設(shè)備可用性。對(duì)氫氣風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行控制直接關(guān)系著電廠的安全防御等級(jí)和嚴(yán)重事故環(huán)節(jié)能力。在進(jìn)行設(shè)計(jì)和運(yùn)行的過(guò)程中，通過(guò)采用氫氣催化復(fù)合器，可以持續(xù)、穩(wěn)定的消除安全殼內(nèi)的氫氣，加快氫氣釋放，從而能夠降低氫氣風(fēng)險(xiǎn)。

一、核電廠嚴(yán)重事故控制管理要求

出于生產(chǎn)安全的要求，在核電廠運(yùn)行過(guò)程中，需要做好氫氣控制管理。通過(guò)采取有效的措施，降低安全殼內(nèi)的氫氣，在發(fā)生嚴(yán)重事故時(shí)，將氫氣濃度控制在安全限值以?xún)?nèi)，從而避免發(fā)生氫氣爆炸。對(duì)于大型的干式安全殼而言，采用氫氣催化復(fù)合器是緩解嚴(yán)重事故氫氣風(fēng)險(xiǎn)的主要途徑。其主要原理在催化劑的作用下，讓氫氣與氧氣在低于可燃閾值的濃度條件下發(fā)生化合反應(yīng)，產(chǎn)生的熱量可以在催化劑表面產(chǎn)生自然對(duì)流，確保反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行。因此，氫氣催化復(fù)合器是一種自啟動(dòng)裝置，可以依靠反應(yīng)產(chǎn)生的熱量保持氣流流動(dòng)，不需要增加額外的電源和設(shè)備。通過(guò)采用催氫氣催化復(fù)合器，能夠滿(mǎn)足核電廠嚴(yán)重事故控制管理要求，長(zhǎng)期消除氫氣，促進(jìn)安全殼內(nèi)的氣體混合，但復(fù)合器安裝布置會(huì)受到安全殼結(jié)構(gòu)以及運(yùn)維管理的限制。

二、氫氣催化復(fù)合器對(duì)核電廠嚴(yán)重事故緩解效果的模擬分析

（一）系統(tǒng)乖荊以

對(duì)氫氣催化復(fù)合器的具體事故環(huán)節(jié)效果進(jìn)行分析，需要采用系統(tǒng)性事故分析計(jì)算工具，模擬事故進(jìn)程中的特征現(xiàn)象，構(gòu)建核電廠系統(tǒng)模型，對(duì)其進(jìn)行研究。系統(tǒng)模型和模擬設(shè)備主要包括堆芯活性區(qū)域（徑向×軸向=7×10），一回路系統(tǒng)（包括壓力容器及構(gòu)件）、核電廠專(zhuān)設(shè)安全設(shè)施、安全殼（包含24個(gè)控制溶劑、58個(gè)連接流道和100導(dǎo)熱構(gòu)件）。

（二）事故假設(shè)

氫氣燃燒對(duì)安全殼完整性的影響主要與嚴(yán)重事故進(jìn)程以及安全殼自身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)，需要綜合考慮氫氣的釋放特性，包括產(chǎn)生速率和釋放量等，并結(jié)合典型嚴(yán)重事故序列，對(duì)其進(jìn)行具體分析。本次研究選取小破口失水事故作為基準(zhǔn)事故，假定發(fā)生該事故時(shí)，應(yīng)急堆芯冷卻劑系統(tǒng)失效，但不包括非能動(dòng)安注箱。假設(shè)當(dāng)坡口直徑為0.025m時(shí)，坡口位置發(fā)生在穩(wěn)定器回路主泵隔間內(nèi)。同時(shí)，為了獲取最大氫氣產(chǎn)生量及催化復(fù)合器效果，人為抑制氫氣燃燒模型。

（三）分析計(jì)算

在對(duì)氫氣催化復(fù)合器進(jìn)行模擬分析時(shí)，采用的是陽(yáng)S氫氣復(fù)合器，氫氧復(fù)合原理為：其中△HiO=-238kJ/mol。從實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果來(lái)看，復(fù)合器消氫速率滿(mǎn)足經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，主要與氫氣體積濃度、壓力、溫度等參數(shù)有關(guān)。

（四）主要結(jié)論

從模擬分析結(jié)果來(lái)看，氫氣濃度分布曲線顯示，破口區(qū)域氫氣濃度增長(zhǎng)速度快，峰值可以達(dá)到12.5%，之后由于容器內(nèi)的氫氣產(chǎn)量下降，氫氣濃度逐漸下降，最后保持在4.6%左右。事故后期，破口區(qū)域氫氣濃度保持緩慢增加趨勢(shì)，最終達(dá)到8.6%左右。通過(guò)對(duì)氫氣復(fù)合器效果進(jìn)行演劇發(fā)現(xiàn)，安全殼內(nèi)氫氣超過(guò)2%濃度界限后，復(fù)合器自動(dòng)啟動(dòng)運(yùn)行，分別在安全殼內(nèi)不同位置安裝氫氣催化復(fù)合器，與不安裝氫氣復(fù)合器的情況比較。從繪制的圖形中可以看出，在氫氣濃度快速升高期，及時(shí)安裝了3個(gè)復(fù)合器也只能將峰值降低0.4%。但在后期氫氣緩慢增長(zhǎng)階段，復(fù)合器具有明顯的持續(xù)消除氫氣效果，安裝I個(gè)復(fù)合器能夠?qū)舛确逯祻?.6%降低至4.6%，安裝3個(gè)復(fù)合器時(shí)能降低至2.4%。

從對(duì)溫度和壓力的影響效果來(lái)看。在氫氧符合過(guò)程中，會(huì)釋故大量熱量，促進(jìn)復(fù)合器內(nèi)氫氣的自然循環(huán)，有利于加快復(fù)合效率，但會(huì)導(dǎo)致隔間內(nèi)氣體溫度升高，可以導(dǎo)致氫氣被點(diǎn)燃，從而產(chǎn)生強(qiáng)大的熱沖擊。在模型分析過(guò)程中，隔間溫度會(huì)升高至700K，但并不會(huì)導(dǎo)致氫氣燃燒。因此，在復(fù)合器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)充分號(hào)慮復(fù)合溫度效應(yīng)，避免引發(fā)爆炸文獻(xiàn)。從模擬分析結(jié)果來(lái)看，消氫反應(yīng)對(duì)安全殼壓力沒(méi)有明顯增加作用，復(fù)合反應(yīng)會(huì)使安全殼壓力增加約24kPa?？傮w而言，安裝氫氣催化復(fù)合器是種有效的嚴(yán)重事故氫氣風(fēng)險(xiǎn)緩解措施。

三、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，基于核電廠嚴(yán)重事故的控制和管理要求，通過(guò)安裝氫氣催化復(fù)合器，利用氫氧符合原理，可以有效抑制氫氣產(chǎn)生速度，達(dá)到氫氣緩解的效果。但在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要充分考慮氫氧復(fù)合反應(yīng)對(duì)安全殼的溫度和壓力增加作用，合理設(shè)計(jì)安全殼結(jié)構(gòu)。在此情況下，能夠充分發(fā)揮氫氣催化復(fù)合器的作用，提升核電廠安全儲(chǔ)備。

參考文獻(xiàn)：

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