非能動式氫氣復(fù)合器在田灣核電站的應(yīng)用

管玉峰，房 何，歐陽欽

（江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042）

2011年3月11日，日本東京時間14時46分發(fā)生里氏9.0級強烈地震。地震和海嘯切斷了福島第一核電站的廠區(qū)外部電源，由于海嘯水淹導(dǎo)致柴油發(fā)電機喪失功能，機組失去冷卻。1、2、3、4號機組因燃料棒溫度升高導(dǎo)致鋯水反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，遇到氧氣發(fā)生了爆炸，造成了安全殼部分破損。安全殼內(nèi)放射性物質(zhì)泄漏到大氣中，周邊20 km范圍內(nèi)的居民被迫撤離。

日本福島第一核電站放射性物質(zhì)泄漏的一個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。

田灣核電站安裝了非能動式氫氣復(fù)合器，其目的在于應(yīng)對嚴重事故工況下鋯-水反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣，通過可控的氧化反應(yīng)消耗安全殼內(nèi)的高濃度氫氣，防止氫氣濃度達到爆燃極限，避免氫氣爆炸從而防止安全殼整體密封性喪失。本文主要對氫復(fù)合器的工作原理進行介紹并對歷次的數(shù)據(jù)進行說明和分析。

1 非能動式氫氣復(fù)合器功能、原理及設(shè)計依據(jù)

1.1 非能動式氫氣復(fù)合器功能[3]

非能動式氫氣復(fù)合器設(shè)計功能主要保證在設(shè)計基準事故-失水事故下，控制安全殼內(nèi)整體和局部的空間中氫氣體積濃度小于4%。在超設(shè)計基準事故下，控制100%燃料包殼與冷卻劑反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣在安全殼內(nèi)均勻分布的體積濃度不超過10%。

1.2 非能動式氫氣復(fù)合器原理

非能動式氫氣復(fù)合器的核心部件是催化板，催化板由不銹鋼制成，外面包裹一層氧化鋁作為催化劑載體，氧化鋁上面粘著催化劑（鉑/鈀）。催化劑的主要成分為鉑，鈀主要是加快低溫下催化反應(yīng)的初始速度，如圖1所示。

設(shè)計基準事故（DBA）和超設(shè)計基準事故（BDDA）工況下，H2在催化劑的表面氧化變成水蒸氣，反應(yīng)釋放的大量熱量加熱了催化板入口的空氣，熱空氣因密度小而上升，熱空氣上升后留下的空間由氫復(fù)合器下部冷空氣流入補充，形成氣體自然擴散循環(huán)的“煙囪效應(yīng)”，實現(xiàn)了氫復(fù)合器內(nèi)外氣體“非能動”對流循環(huán)，加速了氫氣的催化反應(yīng)。

圖1 非能動式氫氣復(fù)合器示意圖Fig.1 Sketch of passive autocatalytic recombiner

非能動式氫氣復(fù)合器（PAR）催化反應(yīng)的原理如圖2所示[1]。

1.3 田灣核電站非能動式氫氣復(fù)合器設(shè)計依據(jù)[3]

田灣核電站設(shè)計方根據(jù)主要設(shè)計基準事故和部分超設(shè)計基準事故（如全廠斷電、小LOCA疊加ECCS能動部件失效和大LOCA疊加ECCS能動部件失效，這些事故下氫氣在安全殼內(nèi)的積聚量最大），利用俄羅斯國家核與輻射安全管理局批準的KUPOL-M和3D SRP程序建立了事故工況下氫氣在安全殼隔間內(nèi)的蔓延、積聚以及復(fù)合模型。按照確保在整個安全殼空間內(nèi)的復(fù)合能力一致的原則，確定了非能動式氫氣復(fù)合器的容量和位置。每臺機組共裝有44臺氫氣復(fù)合器，其中16臺FR1-750T，28臺FR1-1500T，總消氫容量為153.65 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，具體分布如表1所示。根據(jù)俄羅斯法規(guī)，非能動式氫氣復(fù)合器屬于安全2級，所有部件滿足抗震1級要求。

除了出現(xiàn)釋放事故（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，氫氣在整個安全殼隔間內(nèi)的分布比較均勻。根據(jù)建模計算，在發(fā)生大LOCA且ECCS系統(tǒng)能動部件失效工況下，蒸汽發(fā)生器隔間內(nèi)有局部氫氣積聚的危險。此時，氫氣復(fù)合器對消耗氫氣沒有明顯的影響，因為通過破口的最大氫氣流量已超過該系統(tǒng)容量一個數(shù)量級。在這種情況下，操縱員通過監(jiān)測安全殼內(nèi)氫氣濃度，將噴淋系統(tǒng)退出運行使得安全殼大氣蒸汽惰化，滿足氫氣安全標準。當氫氣復(fù)合器起作用時，系統(tǒng)消耗掉氫氣，直到其濃度低到

一定值，從而保證安全殼事故后冷卻是安全的。

表1 田灣核電站氫氣非能動氫氣復(fù)合器的分布Table 1 Distribution of passive autocatalytic recombiners in TNPS

蒸汽發(fā)生器隔間是事故工況下氫氣濃度最大的區(qū)域，此外可能由于發(fā)生主管道破裂，也是暴露在噴射的最大區(qū)域。因此在布置氫復(fù)合器時，設(shè)計方也對失水事故下，因與破口噴射和飛射物接觸而導(dǎo)致復(fù)合器故障的可能性進行了分析，并將復(fù)合器布置在大尺寸設(shè)備和鋼筋混凝土設(shè)備后面。這種布置可確保蒸汽發(fā)生器隔間內(nèi)，最多只有兩臺復(fù)合器退出運行；或者在任何其他存在泄漏的隔間內(nèi)，只有一臺復(fù)合器退出運行。

對于在田灣核電站發(fā)生類似福島全廠失電的超設(shè)計基準事故，反應(yīng)堆失去冷卻，一回路超壓，穩(wěn)壓器安全閥動作，一回路介質(zhì)排入泄壓箱，因全廠失電，卸壓箱失去冷卻超壓，爆破膜破裂，大量含氫氣的水蒸氣釋放到蒸汽發(fā)生器隔間，由于蒸汽惰化，因此整個事故中可排除氫氣燃燒的可能。在運行中，氫氣復(fù)合器消耗掉氫氣，直到其濃度低到一定值。可見田灣核電站在設(shè)計安全殼消氫系統(tǒng)時，就已經(jīng)包絡(luò)了全廠失電的超設(shè)計基準事故，在整個事故期間可避免氫氣爆燃，保證了安全殼的完整性。氫氣復(fù)合器主要技術(shù)參數(shù)如表2所示，工作環(huán)境條件如表3所示。

2 在役試驗

氫氣復(fù)合器長期運行后，催化板的催化活性可能由于催化劑的中毒而導(dǎo)致性能下降。催化劑中毒主要由于毒質(zhì)吸附在催化劑的活性中心上，減少了活性中心的數(shù)目引起性能下降，安全殼內(nèi)常見的毒質(zhì)如下。

·主泵及其他設(shè)備油系統(tǒng)中的油燃燒產(chǎn)生有機物質(zhì)；

·主泵及其他設(shè)備產(chǎn)生的有機油類氣溶膠；

表2 氫氣復(fù)合器主要技術(shù)參數(shù)Table 2 Main parameters of passive autocatalytic recombiners

表3 氫氣復(fù)合器工作環(huán)境條件Table 3 Working circumstance of passive autocatalytic recombiners

·主回路和硼酸系統(tǒng)產(chǎn)生的硼酸；

·低溫下安全殼內(nèi)碳氫有機化合物（如油漆、苯類物質(zhì)）的揮發(fā)。

根據(jù)田灣核電站《1號機組核安全相關(guān)系統(tǒng)與設(shè)備定期試驗監(jiān)督大綱》（PTP-1-00000-001）及《2號機組核安全相關(guān)系統(tǒng)與設(shè)備定期試驗監(jiān)督大綱》（PTP-2-00000-001）第2章規(guī)定，技術(shù)支持處每次換料大修期間對裝在安全殼內(nèi)20%的氫氣復(fù)合器進行特性試驗（每臺復(fù)合器取出3片連續(xù)的催化板）以檢驗其性能是否滿足設(shè)計要求。整個運行壽期內(nèi)，從復(fù)合器中取出相同編號的催化板進行檢查，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。

移動式檢查和再生裝置（TIRE）作為氫氣復(fù)合器試驗的專用設(shè)備，可用于檢查催化板的活性和失效情況下再生催化板的性能。

2.1 在役性能試驗[2]

試驗前需對被試驗的催化板和整個復(fù)合器內(nèi)催化板作目視檢查，內(nèi)容如下：

·催化板表面污染程度（如是否有灰塵）；

·催化層是否脫落；

·催化表面是否變色。

如果發(fā)現(xiàn)表面已被污染，可在性能試驗結(jié)束后用不含油的壓縮空氣吹掃。

性能試驗采用含氫氣體積濃度3%的空氣作為試驗氣體，壓縮空氣作為吹掃氣體，每次試驗3塊催化板的性能。

試驗前將加熱柜加熱至50 ℃，試驗時，將催化板放入加熱柜中的檢查架，通入試驗氣體。試驗氣體從底部進入裝有催化板的檢查架，平行流過催化板，以模擬安全殼內(nèi)實際氣流的溫度和氫氣含量及在復(fù)合器中的流動情況，反應(yīng)后的氣體從檢查架的頂部排出。反應(yīng)結(jié)束后通入吹掃氣體排出加熱柜內(nèi)殘留的氫氣。

催化反應(yīng)是否開始主要通過比較催化板表面的溫度、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%的初始氫氣濃度，則表明催化板性能滿足試驗要求。

2.2 在役再生試驗[2]

在役性能試驗過程中，若發(fā)現(xiàn)催化板失效，則從該復(fù)合器同一批號的催化板中再取出3片板來檢查。如果這3片板滿足試驗要求，那么該復(fù)合器催化板就通過試驗；如果這3塊催化板再次失效，則需更換該復(fù)合器內(nèi)的催化板，或?qū)υ搹?fù)合器內(nèi)的催化板進行再生。

再生試驗采用含氫氣體積濃度5%的氮氣作為再生氣體，純氮氣作為清洗氣體，每次可再生75塊催化板。

試驗前將加熱柜加熱至200 ℃，試驗時將催化板放入加熱柜中的再生架中，并用流量為1 m3/h的清洗氣體持續(xù)沖洗10min，主要用于清除覆蓋于催化劑表面上的塵灰。隨后通入0.5 m3/h再生氣體再生30min，選用含氫氣體積濃度5%的氮氣作為再生氣體，主要考慮在高溫下吸附在催化板表面的有機物質(zhì)，如苯、油脂等與氫氣發(fā)生加氫還原反應(yīng)。通過化學反應(yīng)，改變毒質(zhì)的化學特性，使催化劑再生。再生后再利用清洗氣體沖洗10min以清除催化板表面解析的毒質(zhì)和雜質(zhì)。

3 試驗數(shù)據(jù)分析

截至2011年4月，田灣核電站非能動式氫氣復(fù)合器的性能均滿足試驗驗收準則。分析1號機組歷次大修和調(diào)試期間數(shù)據(jù)，調(diào)試期間最長反應(yīng)時間2 min 24 s，最短時間36 s，平均時間53.8 s，運行期間最長反應(yīng)時間9 min 31 s，最短時間42 s，平均時間198.58 s。

分析2號機組歷次大修和調(diào)試期間數(shù)據(jù)，調(diào)試期間最長反應(yīng)時間2 min 6 s，最短反應(yīng)時間48 s，平均時間76.8 s，運行期間最長反應(yīng)時間10min，最短反應(yīng)時間30 s，平均時間220.1 s。

歷次試驗的反應(yīng)時間都遠低于試驗要求的15 min，余量較大，滿足設(shè)計要求。

4 總結(jié)

非能動式氫復(fù)合器作為安全系統(tǒng)其在嚴重事故下執(zhí)行維持安全殼整體性的功能，安全性、重要性不言而喻。本文詳細介紹了田灣核電站非能動式氫復(fù)合器的功能和原理，并對在役試驗過程進行了詳盡的說明，最后分析了田灣核電站歷次氫復(fù)合器的試驗數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)表明氫氣復(fù)合器的反應(yīng)時間滿足設(shè)計要求，可避免福島核電站發(fā)生氫氣爆炸的風險。

[1]FARMATOME ANP.Instruction for in-service inspection of passive autocatalytic recombiners

[2]FARMATOME ANP.Operation manual of the device TIRE for in-service inspection and regeneration of catalytic plates

[3]田灣核電站1、2號機組最終安全分析報告[R].（The Ultimate Safety Analysis Report for Units 1& 2 of Tianwan Nuclear Power Station [R].）