三代非能動壓水堆核電機組安全殼內(nèi)氫氣控制

王大威　李少沛　唐秋月

摘 要：本文論述了三代非能動壓水堆核電機組在設(shè)計基準事故及嚴重事故工況下，安全殼內(nèi)氫氣的控制思路及控制方法。

關(guān)鍵詞：三代非能動壓水堆核電機組；氫氣控制；設(shè)計基準事故；嚴重事故

1 概述

三代非能動壓水堆核電機組是利用非能動理念發(fā)展起來的核電技術(shù)。與二代核電相比，三代非能動壓水堆核電機組在設(shè)計時不僅考慮了設(shè)計基準事故，還考慮了如何預防和緩解嚴重事故，這使得三代非能動壓水堆核電機組更為安全。本文就三代非能動壓水堆核電機組在設(shè)計基準事故和嚴重事故工況下，如何控制殼內(nèi)氫氣做了簡要介紹。

2 設(shè)計基準事故下安全殼內(nèi)氫氣控制

2.1 氫氣來源及危害

設(shè)計基準事故下，安全殼內(nèi)氫氣主要來源于：鋯燃料包殼與水反應，水輻照分解，結(jié)構(gòu)材料的腐蝕以及反應堆冷卻劑系統(tǒng)內(nèi)溶解的氫氣。當氫氣在安全殼內(nèi)的體積濃度在4.1%～74.2%之間時，遇火源就會爆炸。殼內(nèi)氫氣一旦整體爆炸會給安全殼的完整性造成威脅，導致安全殼作為放射性物質(zhì)外放邊界的功能喪失，進而引起放射性物質(zhì)釋放，對公眾和環(huán)境安全造成威脅。

2.2 設(shè)計基準事故下安全殼內(nèi)氫氣控制

設(shè)計基準事故下，三代非能動壓水堆核電機組通過氫氣濃度監(jiān)測系統(tǒng)、氫氣復合系統(tǒng)、氫氣點火系統(tǒng)對殼內(nèi)氫氣進行控制。

通過氫氣濃度監(jiān)測系統(tǒng)，操縱人員可以實時監(jiān)測安全殼內(nèi)的氫氣濃度。該系統(tǒng)由1E級的電源供電，這保證了在發(fā)生地震等惡劣事件時，系統(tǒng)仍能獲得可靠的電力供給。

氫氣復合系統(tǒng)由兩臺非能動氫氣自動催化復合器組成，通過催化劑使氫氣和氧氣在較低溫度下發(fā)生復合反應，達到去除氫氣的目的。

兩臺氫氣復合器被安裝在安全殼內(nèi)的不同位置。在位置的選擇上氫氣復合器放置于氫氣潛在釋放點的上部，同時確保在自然循環(huán)時不處于空氣下降區(qū)，而處于自然對流路徑空氣的上升區(qū)，這樣利于含氫空氣從復合器的下部入口進入，上部出口排出。氫氣復合器的設(shè)計采用了非能動原理，氣體在發(fā)生氫氧復合時被加熱，從而形成對流。

三代非能動壓水堆核電機組在安全殼內(nèi)的不同區(qū)域設(shè)置了氫氣點火器，當氫氣的產(chǎn)生速度超過復合器的處理能力時，氫氣點火系統(tǒng)投入運行。通過主動引燃局部氫氣，降低殼內(nèi)整體氫氣體積濃度。

3 嚴重事故工況下安全殼內(nèi)氫氣控制

核電廠嚴重事故是指：冷卻劑不能有效冷卻堆芯，堆芯內(nèi)燃料包殼大面積失效，發(fā)生大范圍的鋯水反應，應急規(guī)程已不能很好地對機組進行控制的運行工況。

嚴重事故工況下對安全殼內(nèi)氫氣采取的控制分為兩種，一種為氫氣在安全殼內(nèi)局部位置積累，但尚未達到殼內(nèi)整體爆炸極限時的控制；另外一種為殼內(nèi)氫氣整體濃度已經(jīng)達到爆炸極限時的控制。

3.1 減少安全殼內(nèi)氫氣

隨著堆芯的裸露，燃料包殼在蒸汽中被氧化，當溫度超過982℃后，氧化反應極為劇烈，產(chǎn)生大量氫氣。氫氣首先在一回路中集聚，進而通過一回路的破口進入安全殼。如不干預，當殼內(nèi)的氫氣達到4%-6%時將會燃燒，當燃燒引起的殼內(nèi)壓力上升，超過安全殼的最終設(shè)計壓力時，安全殼將被損壞。為了避免這種情況的發(fā)生，應及時采取有效措施降低殼內(nèi)氫氣濃度。

3.1.1 通過局部燃燒的方式降低殼內(nèi)氫氣濃度

氫氣首先在局部區(qū)域聚集，通過輔助計算，當操縱人員及技術(shù)支持人員確認主動燃燒氫氣不會對安全殼局部或整體造成威脅時，采用這種方式減少殼內(nèi)氫氣。

主動燃燒前需確認殼內(nèi)大氣狀態(tài)和點火源。如果殼內(nèi)大氣處于惰化狀態(tài)，氫氣不具備燃燒環(huán)境，無法被點燃。此時操縱人員可通過降低殼內(nèi)壓力的方式，如加大殼內(nèi)殼外噴淋水流量，破壞殼內(nèi)大氣的惰化狀態(tài)，回復殼內(nèi)氫氣的可燃性。

殼內(nèi)氫氣具備燃燒條件后，操縱人員及技術(shù)支持人員需選擇合適的點火源。應首選相應位置且具備功能的氫氣點火器，如氫氣點火器不可用，可使用該位置任意類型的電氣設(shè)備，如繼電器、電機、閥門電機驅(qū)動機構(gòu)等，通過操作這些設(shè)備連續(xù)啟停產(chǎn)生電火花引燃氫氣。

點火操作完成后，操縱人員可通過氫氣濃度探測器、殼內(nèi)溫度、殼內(nèi)壓力的變化確認點火是否成功。如果氫氣濃度探測器探測到的氫氣濃度無變化，或者殼內(nèi)溫度、殼內(nèi)壓力沒有相應升高，則說明點火未成功，操縱人員需選擇其他可能的點火源，重新點火。

3.1.2 通過催化復合的方式降低殼內(nèi)氫氣濃度

此種控制方式下，氫氣濃度降低速度較慢，只有在確認不能采取主動點燃方式，且通過催化復合在一定時間內(nèi)可有效降低殼內(nèi)氫氣濃度時，才考慮使用。

此種控制方式下，采用的設(shè)備為非能動氫氣催化復合器。為了防止在此種控制方式下，氫氣意外燃燒，需考慮所有可能引起燃燒的條件。首先，操縱人員通過減少殼內(nèi)殼外的噴淋流量，保持殼內(nèi)大氣處于惰化狀態(tài)，使氫氣不具備燃燒條件；其次，操縱人員應解除所有氫氣點火器的電源，防止氫氣點火器被意外觸發(fā)，同時需對電氣設(shè)備的啟停格外關(guān)注，防止產(chǎn)生電火花。

3.2 控制安全殼內(nèi)氫氣的可燃性

當殼內(nèi)氫氣整體濃度已達到爆炸極限，且一旦氫氣爆炸將必然破壞安全殼的完整性時，需對殼內(nèi)氫氣的可燃性進行控制。該種工況下，為盡快解除殼內(nèi)氫氣對安全殼完整性造成的威脅，在控制殼內(nèi)氫氣可燃性的同時，還應盡快采取必要措施降低殼內(nèi)氫氣濃度。

3.2.1 識別能夠防止氫氣燃燒的策略

防止氫氣燃燒的主要策略有建立殼內(nèi)大氣的惰化狀態(tài)，使氫氣燃燒喪失條件，以及消除點火源兩種。在安全殼完整性受到威脅時，必須至少具備兩種條件中的一種。采取的方式可以是降低對安全殼的冷卻，建立并維持安全殼內(nèi)的惰化壓力，以及切斷所有氫氣點火器的電源。

3.2.2 安全殼排氣

在操縱人員及技術(shù)支持人員判斷因安全殼排氣導致的放射性物質(zhì)外泄引起的輻射值，不會超過廠外排放輻射劑量限值，且不會影響殼內(nèi)大氣惰化狀態(tài)時，應盡快采取安全殼排氣操作，以便盡快解除安全殼完整性面臨的威脅。為減少安全殼排氣引起的放射性物質(zhì)外泄，排氣可經(jīng)由乏燃料處理系統(tǒng)的管道，使用乏池水洗消安全殼排氣中放射性物質(zhì)，減少放射性物質(zhì)的外泄。

4 總結(jié)

三代非能動壓水堆核電機組在設(shè)計基準事故下采取的氫氣控制方式，以及在預防和緩解嚴重事故方面的考慮，充分展現(xiàn)了其機組的安全性和技術(shù)的先進性。相信隨著三代非能動壓水堆核電技術(shù)的不斷推廣，我國核電行業(yè)的整體安全狀況必將提升至更高的水平。endprint