丁 超，楊志義，周志偉，宋明強，柴國旱,*，仇蘇辰，種毅敏

(1.清華大學 核能與新能源技術研究院，北京 100084；2.生態(tài)環(huán)境部 核與輻射安全中心，北京 102488)

福島核事故后，核工業(yè)界加強了對核電廠嚴重事故下氫氣風險的監(jiān)管與研究，如IAEA TECDOC-1791[1]明確將氫氣燃爆列入“實際消除”的事故工況，國內也對氫氣風險的控制提出了更加明確的要求[2-3]。氫氣點火器、非能動氫氣復合器(PAR)是目前壓水堆核電廠兩種主要的消氫措施。根據(jù)OECD/NEA報告[4]，國際上各國核能監(jiān)管機構正在開展各種消氫策略的優(yōu)缺點比較研究，分析認為安全殼的整體設計是決定氫氣控制策略的主要決定因素。Dehjourian等[5]使用MELCOR程序計算分析了使用氫氣復合器的核電廠事故條件下的氫氣分布及消氫效率問題，指出應控制安全殼內的氫氣大量燃燒，避免燃燒產生的壓力瞬態(tài)威脅安全殼的完整性。Huang等[6]使用MELCOR程序計算分析了CPR1000核電廠在停堆換料期間的氫氣風險控制情況，提出通過增加移動式點火器來控制事故初期氫氣快速產生的風險。黃興冠等[7]使用GASFLOW程序對比了點火器和氫氣復合器兩種消氫策略的消氫效果，認為合適布置的點火器能在不引起火焰加速和燃爆轉換的條件下，消除大量氫氣。肖建軍等[8]計算模擬了3種不同氫氣控制策略的消氫效率與安全特性，包括僅安裝點火器、僅安裝復合器和復合器聯(lián)合點火器。研究表明，各種消氫策略均有明顯的優(yōu)缺點，核電廠應根據(jù)自身設計情況選擇最佳緩解方案。目前這些計算分析研究僅片面地以事故后的氫氣濃度來評價消氫策略的安全特性，并未關注事故進程中安全殼局部位置的可燃性問題。

本文基于嚴重事故條件下氫氣風險的評價判據(jù)，對先進壓水堆氫氣控制策略進行比較分析研究。通過使用三維CFD程序數(shù)值計算，對典型嚴重事故工況下安全殼蒸汽發(fā)生器隔間內的氫氣風險進行模擬分析，并對蒸汽惰化條件下氫氣的可燃性進行詳細研究。

1 主要氫氣控制策略設計與分析

三哩島事故后，美國詳細研究與驗證了氫氣點火器技術，Mark Ⅲ BWR、美國壓水堆、芬蘭VVER-440(冰冷凝器安全殼)均采用點火器技術；而德國、法國、加拿大致力于開發(fā)非能動消氫措施(PAR)[4]。全球核電機組主要采用這兩種氫氣控制策略，也有若干核電廠采用聯(lián)合消氫策略，其相關特點以及在嚴重事故管理中的考慮分析如下。

1.1 氫氣點火器策略

氫氣點火器策略的主要原理是在燃燒限值附近點燃氫氣，以防止破壞性的氫氣燃燒。氫氣點火器的消氫效率高，與PAR相比能更快地消除快速釋放的氫氣，因此常布置在預期可能的破口附近。但點火器的劣勢在于它需遠離安全重要相關系統(tǒng)設備，并且需要外部供電，屬于能動設備。點火器的類型主要有兩種：預熱塞型、火花型。預熱塞型點火器需持續(xù)供電，火花型點火器可由蓄電池供電。國內核電廠使用的點火器主要為預熱塞型點火器。

點火器在高蒸汽濃度、低氧氣濃度的惰化環(huán)境下，可能無法點燃氫氣，這也是點火器的主要缺點之一。

1.2 氫氣復合器策略

氫氣復合器策略的主要原理是利用鉑和(或)鈀合金催化物使氫氣發(fā)生氧化反應，通常的反應條件要求較低，在較低溫度以及更大的氫氣/氧氣濃度范圍內，甚至是蒸汽惰化的環(huán)境下，均可發(fā)生此催化反應。

按照催化劑形狀，氫氣復合器可分為平板式和球式復合器。按照工作原理，氫氣復合器可分為：1) 熱復合器，設計功能為控制DBA條件下氫氣風險，多數(shù)通過氣泵將安全殼內氣體抽出，流過受熱的催化劑進行反應，復合器在安全殼外運行；2) PAR，利用催化氧化反應的放熱原理產生自然對流推力，使氫氣自動流過催化劑表面進行復合反應。PAR在安全殼內布置，且可自動啟動，無需外部電源和人員操作。

因PAR的設計與目前的核電廠關鍵設備非能動設計理念一致，PAR成為當前全球大多數(shù)國家核電廠氫氣管理策略的第一選擇。然而，PAR由于消氫速率緩慢，無法消除快速釋放初期的大量氫氣，尤其是破口位置附近的高濃度氫氣風險，是嚴重事故緩解和管理的關鍵問題。

1.3 聯(lián)合消氫策略

在特定的條件下，聯(lián)合使用點火器和PAR能互相輔助、彌補設計上的優(yōu)缺點，更好地控制氫氣風險。采用聯(lián)合點火器和PAR消氫策略的堆型主要有AP1000型核電廠(包括CAP1400)、CANDU6型核電廠(包括秦山三期)、芬蘭Loviisa VVER-440機組、韓國APR1400(表1)。

表1 聯(lián)合使用復合器與點火器消氫策略的堆型/機組

1.4 嚴重事故管理中的消氫策略分析

根據(jù)OECD/NEA報告[4,9]，當嚴重事故預防措施失效、氫氣釋放進入安全殼后，嚴重事故管理利用氫氣控制系統(tǒng)進行以下3個層次的緩解策略。

第1層：降低氫氣聚集的可能性，保持氫氣濃度在可燃濃度以下。

第2層：如果達到了可燃濃度限值，使達到可燃濃度的氣體體積最小化。

第3層：防止安全殼中的氫氣風險水平進一步地由燃燒向爆炸發(fā)展。

根據(jù)復合器和點火器各自的設計原理，對于采用復合器消氫策略的核電廠，在設計上傾向于在氫氣快速釋放的時刻，使安全殼處于蒸汽惰化環(huán)境，快速產生的氫氣將不容易發(fā)生大范圍燃燒或火焰加速等現(xiàn)象。而對于采用點火器消氫策略的核電廠，在設計上傾向于在氫氣釋放的初始時刻起，盡早點燃氫氣，以控制氫氣燃燒的范圍，保證安全殼的完整性，因此在設計上無需營造蒸汽惰化環(huán)境。對于采用聯(lián)合消氫策略的核電廠，尤其需關注在蒸汽惰化條件消失后局部的可燃性問題，避免由于點火器運行引起氫氣大范圍燃燒，威脅安全殼完整性。

2 建模及計算

先進壓水堆核電廠的安全殼自由體積較CPR1000安全殼的擴大了很多，從4萬多m3擴大至7～8萬m3。增大后的安全殼能承受更多的質能釋放，安全殼超壓失效的時間有所延長。但安全殼下部區(qū)域由于提高冗余性考慮的安全系統(tǒng)數(shù)量增加，以及構筑物及設備的抗震標準升高，主設備隔間內的氫氣流通空間并沒有增加，氫氣風險依然較高。為能捕捉隔間內詳細的氫氣行為，根據(jù)氫氣風險的重要程度，選取蒸汽發(fā)生器隔間進行建模計算。

為確認聯(lián)合消氫策略在先進壓水堆設計上的適用性，考慮選取最有利于氫氣燃燒的嚴重事故主導序列進行計算分析。通過比較氫氣釋放的起始時刻及氫氣的釋放速率，選取雙端剪切大破口失水事故疊加能動安注失效為計算包絡序列，大破口發(fā)生在蒸汽發(fā)生器隔間內。主要建模參數(shù)及初始與邊界條件列于表2。根據(jù)典型1 000 MW壓水堆雙端剪切大破口事故的計算結果，計算使用的氫氣源項如圖1所示。

2.1 網格模型

蒸汽發(fā)生器隔間的計算尺寸為2 296 m3，采用結構化網格，總數(shù)為25 668，平均每個網格單元的體積為0.09 m3，計算網格的三維圖像如圖2所示。同時，在設置網格尺寸時，徑向與高度方向上盡量使網格劃分與墻體或設備的位置相吻合，以更好地模擬隔間內的幾何結構，降低計算偏差及用戶效應。并且，對蒸汽發(fā)生器隔間的建模采用了局部加密處理，主要有兩方面考慮：1) 將安全殼整體模型中約1 m3的平均單元網格尺寸，精細劃分為0.09 m3的平均網格尺寸，模型精度細化了10倍以上，能更好地模擬蒸汽發(fā)生器隔間內的局部氫氣行為；2) 采用程序中GEOMODEL幾何建模模塊，通過在主圓柱坐標系中建立子笛卡爾坐標系，以圓形截面幾何結構來精細化模擬蒸汽發(fā)生器(在原先安全殼整體模型中，以梯形截面幾何結構模擬蒸汽發(fā)生器)，提高了建模精度。

表2 主要建模參數(shù)及初始與邊界條件

圖1 雙端剪切大破口嚴重事故氫氣源項

圖2 蒸汽發(fā)生器隔間網格示意圖

2.2 湍流計算模型

k-ε模型是工程上公認的計算精度與代價比最經濟的湍流計算模型，它是建立在湍流動能k及其耗散率ε的輸運方程基礎上的半經驗模型。k的輸運方程是精確的方程，而ε的方程是通過一定的數(shù)學物理推導得到，與k方程具有一定的相似性。k、ε的輸運方程為：

Gk+Gb-ρε-YM+Sk

(1)

(2)

其中：σk、σε為湍流普朗特數(shù)；μ為流體黏性系數(shù)；μt為湍流黏性系數(shù)；YM為湍流擴張源項；Sk、Sε為k、ε因子相關源項；Gk為速度梯度湍流項；Gb為浮力湍流項。式中常數(shù)取值為：C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=0.09，σk=1.0，σε=1.3。

2.3 復合器計算模型

根據(jù)GASFLOW用戶手冊，計算采用的復合器計算模型如式(3)～(5)，計算模型考慮了乏氧環(huán)境條件對消氫效率的影響。

(3)

Cref=100min(XH2,2XO2,0.08)

(4)

(5)

2.4 可燃性準則

嚴重事故中，當氫氣快速噴放時，由于蒸汽發(fā)生器隔間內的蒸汽濃度較大，氣體環(huán)境可能處于惰化條件，氫氣點火器可能無法點燃氫氣。利用Shaprio圖可計算考慮氫氣、氧氣、水蒸氣三者濃度的可燃限值邊界。根據(jù)EPRI報告[10]，可燃限值曲線可由式(6)得到，相應的曲線如圖3所示。定義可燃性判定因子C，當C≥0時，表示氣體處于可燃條件內；當C<0時，表示氣體不可燃[11]。

φstlim=1-φH2-0.296exp(-0.091 45φH2)-

12.16exp(-63.655φH2)

(6)

C=φstlim(φH2)-φstlc

(7)

其中：φH2為氫氣濃度的體積分數(shù)；φstlim(φH2)為蒸汽濃度體積分數(shù)的判定函數(shù)；φstlc為局部位置處的蒸汽濃度體積分數(shù)。

圖3 燃燒限值曲線

2.5 火焰加速準則

在氫氣濃度達到可燃限值以上的情況下，混合充分的可燃氣體點燃后，首先是慢速準層流狀態(tài)燃燒，火焰將向氫氣濃度較高和水蒸氣濃度較低的區(qū)域傳播。燃燒產生的氣體混合物受熱發(fā)生膨脹，在燃燒熱和化學反應產物的共同影響下，空間內氣體將出現(xiàn)快速的湍流流動，使火焰從慢速層流狀態(tài)向快速湍流燃燒轉變，即火焰加速過程。燃燒過程中的氣體膨脹現(xiàn)象是導致火焰加速燃燒的重要因素，因此，判斷氫氣燃燒狀態(tài)可引入膨脹因子σ來表示可燃混合物中產物與反應物的比值。令σindex用于評估火焰發(fā)生加速的可能性，其計算公式為：

(8)

其中：XH2O為一定空間內H2O的體積分數(shù)；σ(XH2,XH2O,XO2,T)為空間內混合氣體膨脹因子；σcritical(XH2,XO2,T)為臨界膨脹因子。若σindex≥1，則發(fā)生火焰加速現(xiàn)象的可能性較大，應考慮氣體混合物空間發(fā)生從爆燃向爆炸轉變的可能性。

2.6 燃爆轉變準則

λ準則用于判斷可燃氣體發(fā)生爆炸的可能性。可燃氣體云團特征尺寸D(單位為m)與氣體混合物爆炸單元寬度λ(單位為m)滿足以下關系：

R=D/7λ

(9)

當準則數(shù)R≥1時，說明計算區(qū)域內可能發(fā)生燃燒向燃爆的轉變(DDT)。

3 計算結果及分析

3.1 隔間內氫氣分布結果分析

選取氫氣噴放階段某時刻的計算結果，蒸汽發(fā)生器隔間氫氣濃度分布云圖如圖4所示。從圖4可發(fā)現(xiàn)，在噴放階段由于噴放初速度和氫氣浮力的共同作用，氫氣云團將不斷沿著蒸汽發(fā)生器表面，從蒸汽發(fā)生器隔間上部出口，向安全殼大空間擴散。蒸汽發(fā)生器隔間內，由于蒸汽發(fā)生器上部和下部直徑不同，氫氣會在流道縮小前(即蒸汽發(fā)生器直徑變化點的下部位置)產生一定程度的聚集。因此減少氫氣流通通道上的障礙物，有利于消除氫氣局部聚集的可能性。但安全殼內的設備繁多，可能會阻礙氫氣的擴散。

3.2 隔間內氫氣可燃性評估

圖5示出蒸汽發(fā)生器隔間內可燃性因子C(C≥0)的云圖。從圖5可得到，蒸汽發(fā)生器隔間內上部空間會形成一定空間的可燃區(qū)域，點火器在可燃區(qū)域內能高效率地消除氫氣。為驗證點火器消氫效果，在破口源項上方附近設置點火器。圖6為蒸汽發(fā)生器隔間內燃燒限值面(C=0)云圖。從圖6可得，蒸汽發(fā)生器隔間在氫氣噴放階段，有較大區(qū)域處于可燃限值面(C=0)內，未被完全蒸汽惰化，氫氣點火器可點燃氫氣。氫氣點火器的消氫效率較高，在點火器工作下，氫氣被大量消耗，可燃區(qū)域也大幅減小。

圖4 蒸汽發(fā)生器隔間氫氣濃度分布云圖

圖5 蒸汽發(fā)生器隔間內可燃性因子C(C≥0)的云圖

圖6 蒸汽發(fā)生器隔間內燃燒限值面(C=0)云圖

3.3 隔間內燃爆風險的評估

為明確嚴重事故序列中蒸汽發(fā)生器隔間的氫氣燃爆風險，數(shù)值模擬計算使用σ準則和λ準則判斷隔間內氫氣是否發(fā)生火焰加速和DDT。圖7示出蒸汽發(fā)生器內火焰加速準則因子σindex隨時間的變化。圖8示出蒸汽發(fā)生器隔間內云團的特征尺度D與7倍爆炸單元寬度λ的比值R隨時間的變化。

圖7 蒸汽發(fā)生器內最大氫氣σ隨時間的變化

由圖7、8可知，根據(jù)σ準則和λ準則，計算結果顯示破口釋放階段σindex>1，說明蒸汽發(fā)生器隔間內可能發(fā)生火焰加速現(xiàn)象。在噴放的初期，發(fā)生火焰加速的可能性較大。另外，由于蒸汽發(fā)生器隔間的尺寸有限，隔間內云團混合物的尺寸不足以形成燃爆轉變的體積，在破口釋放階段隔間內燃爆轉變準則數(shù)R<1，因此蒸汽發(fā)生器隔間內不會發(fā)生燃爆轉變，發(fā)生爆炸的可能性極小。

圖8 蒸汽發(fā)生器隔間內R隨時間的變化

4 結論

本文首先對各種消氫措施的特點進行詳細研究和對比，然后，使用三維CFD程序模擬計算典型嚴重事故工況下蒸汽發(fā)生器隔間的氫氣行為及風險，計算表明雖然噴放源項中有大量水蒸氣，蒸汽發(fā)生器隔間中仍有較大區(qū)域處于可燃限值內，局部位置可能發(fā)生火焰加速，隔間內不會發(fā)生燃爆轉變。通過模擬分析，針對本文所模擬的安全殼局部隔間結構和事故工況，得到如下結論：

1) 蒸汽發(fā)生器隔間內不會發(fā)生通常意義的完全蒸汽惰化效應，合理布置的點火器能點燃并消除氫氣；

2) 結合本文分析的消氫策略優(yōu)缺點，可認為點火器+復合器聯(lián)合消氫措施能進行優(yōu)勢互補，有效、穩(wěn)定地消除氫氣。

本研究分析僅針對一定的安全殼布置和局部隔間進行了分析，更廣范圍內的適用性仍待進一步驗證。但相關論證方法可用于工程研究，并為氫氣控制策略的優(yōu)化設計提供技術參考。