移動式氫復合器在福清核電站的應用

劉玉梅 王洪凱 高原

摘 要：移動式氫復合器是在反應堆發生設計基準事故時，使氫氣和氧氣復合成水，有效地控制安全殼內的氫氣濃度在安全濃度范圍以內，以確保維持安全殼結構和密封性的完整性。文中介紹了移動式氫復合器在福清核電站的應用，分析了移動式氫復合器的反應原理、在設計基準事故時的消氫能力和在役檢查，說明了福清核電移動式氫復合器具備對安全殼內氫氣去除的能力，可大大降低氫氣爆炸對安全殼的威脅。

關鍵詞：設計基準事故 移動式氫復合器 氫氣濃度 消氫效率

中圖分類號：TM623 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）01（b）-0054-02

Abstract：When the reactor occurs design basis accident，a mobile hydrogen recombiner can make the hydrogen and oxygen combined into water，thus control the hydrogen concentration in the containment within safe levels effectively to ensure the sealability and integrity of containment structure.This paper introduces the application of mobile hydrogen recombiner in Fuqing nuclear power plant，and analyze the reaction principle，in-service inspection， and its hydrogen-eliminating efficiency of mobile hydrogen recombiner.The analysis result show that mobile hydrogen recombiner in Fuqing nuclear power plant have the capability of eliminating the Hydrogen within containment，it can greatly reduce the threat of hydrogen explosion on the containment.

Key Words：Design basis accident；Mobile hydrogen recombiner；Hydrogen concentration；Hydrogen-eliminating efficiency

氫氣爆炸是核電廠安全的重要威脅，日本福島第一核電廠就是因為燃料棒溫度升高導致鋯水反應產生的氫氣得不到及時去除，與氧氣反應發生了爆炸，最終導致了放射性物質的泄漏。福島事故后，國內外在建和已營運的核電廠對安全殼內氫氣的控制更加重視。福建福清核電廠1～4號機組為M310型壓水堆，安全殼內氫氣主要由安全殼消氫系統（EUH）的非能動式氫復合器（PAR）和安全殼內大氣監測系統（ETY）配置的移動式氫復合器進行控制，分別在發生超設計基準事故和設計基準事故時進行消氫，保證安全殼內的氫氣濃度遠低于氫爆的最小值。

1 移動式氫氣復合器功能及應用

1.1 移動式氫復合器功能

核電機組發生設計基準事故后，氫氣的來源主要有燃料包殼鋯與水發生反應、燃料水池和地坑中的水輻射、堆芯熔融物與混凝土反應等。移動式氫復合器在發生事故后投運，對安全殼內產生的氫氣進行去除，確保維持安全殼結構和密封性的完整性，避免放射性物質釋放到環境中。

1.2 移動式氫復合器的工作流程

福建福清核電1-4號機組共配置2套中船重工七一八所生產的YQF-120B型移動式氫復合器，在機組正常功率運行條件下，兩臺設備分別儲存在燃料廠房±0.00 m處的230和270房間，并用地腳螺栓固定。在設計基準事故工況時，兩臺設備都安放在發生事故的機組裝卸料大廳中，均接入系統，一備一用。

移動式氫復合器的工作流程：首先通過冷凝器進行含氫空氣的冷卻，除霧器進行氣液分離并除去液滴，在消氫風機的作用下，含氫空氣加壓進入催化反應器，在XQ-ⅢG消氫催化劑的作用下，氫氣與空氣中的氧氣結合生成水（反應式如式1），消除氫氣，同時放出大量的反應熱，消除氫氣后的高溫空氣經過空氣冷卻器進行冷卻，最終冷凝水由冷凝液收集器收集，剩余空氣送回安全殼內。

1.3 事故工況下移動式氫復合器的應用

機組在發生設計基準事故產生氫氣后，兩臺移動式氫復合器均移至指定位置并固定，接入安全殼內大氣監測系統，處于備用狀態。當安全殼內溫度降到80 ℃以下，絕對壓力降至約0.15 MPa（飽和蒸汽）以下，在氫濃度達到4.1%（按體積計）的臨界燃燒點之前啟動移動式氫復合器。

移動式氫復合器消氫能力分析。模擬事故工況，主要考慮安全殼內水的輻射分解、鋯水反應、噴淋溶液對安全殼金屬的腐蝕和反應堆冷卻劑系統產生的氫氣為主要來源。其中噴淋溶液對安全殼金屬鋁的腐蝕分兩種情況，假設一動力電纜（即最大的保守假設）中所含全部鋁均侵蝕產生氫氣；假設二電纜不受噴淋的侵蝕。模擬在兩種假設情況下安全殼內氫濃度分別在1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%時投運一臺氫復合器。

投運一臺氫復合器并持續運行，安全殼內氫濃度會逐漸降低，能把安全殼內的氫氣濃度有效地控制在2%以內，遠低于臨界點4.1%，大大地避免了安全殼內氫爆的風險；若不投運移動式氫復合器，安全殼內的濃度會持續增加，保守值也可到達6%以上，安全殼內存在氫爆的風險，可能引發火災，給事故分析及處理帶來困難。安全殼內氫氣濃度在1.5%～3%時啟動移動式氫復合器較為合適，此時有充足的時間來準備及操作移動式氫復合器，并且能使安全殼內的氫氣濃度遠離氫爆臨界點。

2 在役檢查

為保證移動式氫復合器可靠高效地運行，移動式氫復合器在備用期間需對其進行離線定期試驗。根據《安全相關系統和設備定期試驗監督要求》，需每半年進行移動式氫復合器消氫風機啟動試驗，每個換料周期對移動式氫復合器進行消氫效率試驗，保證催化劑時刻保持高效可靠狀態。

2.1 消氫風機性能試驗

消氫風機是移動式氫復合器的動力源。每次啟動風機需驗證風機旋向是否正確，同時測量風量。啟動風機后至少運行1個小時，風量的檢測由安裝在氫復合器進口總管的氣體流量計完成，并在控制柜上顯示，維持在80～119 m3/h范圍內。

2.2 消氫效率試驗

2.2.1 溫度顯示和報警

移動式氫復合器催化反應器的上、下游均安裝鉑電阻傳感器，分別用以檢測空氣加熱器溫度T1的變化，及氫氧復合后的溫度T2。溫度T1控制在110 ℃時加熱器自動啟動，130 ℃時加熱器停止，空氣溫度在110℃～130℃溫度時，該催化劑對氫氧復合的作用最大，能更高效率的去除空氣中的氫氣。溫度T2達到180 ℃時，控制箱會自動報警，說明氫氧復合放出大量的熱，可能在氫復合器中發生氫爆，成為潛在的著火點，需要及時切斷電源，并分析原因。

2.2.2 消氫效率試驗

消氫效率試驗是驗證移動式氫復合器是否可用最重要的試驗，只有消氫效率合格，才能保證在移動式氫復合器的可靠性，實現其功能。啟動消氫風機，控制柜上的流量顯示穩定后，進行通氫試驗。通過控制氫氣減壓閥和調節閥控制移動式氫復合器入口的氫氣濃度在1%～3%之間，通氫時間不得少于20 min。上游（消氫風機的進口管上方）和下游（冷凝液收集管上）同時取樣，進行氫氣濃度測定，并記錄數據。每次試驗至少取樣3次，計算消氫效率（見公式2），效率大于95%為合格，如果效率不合格，更換催化劑重新進行試驗，直至合格為止。

以上試驗均是離線進行，不需要連接安全殼內大氣監測系統。每次試驗完成后，在移動式氫復合器備用期間將空氣進出口密封，設備內充入干燥的氮氣，壓力在0.035 MPa左右，保證設備內維持在干燥的環境中防止腐蝕生銹；設冷水系統在試驗后應排空設冷水，并封堵設冷水進出口；每批催化劑的存放有效期為3年，到期后應該及時更換新催化劑，如果催化劑的性能滿足要求可以繼續使用。

福清核電的兩臺移動式氫復合器的效率試驗均實施過兩次，消氫效率均大于95%。在發生設計基準事故時，福清核電移動式氫復合器具備對安全殼內氫氣去除的能力，可以有效控制安全殼內的可燃氣體。

3 結語

該文分析結果表明，福清核電的移動式氫復合器滿足設計基準事故后消除安全殼內氫氣的能力，并時刻處于備用狀態。在發生設計基準事故后，移動式氫復合器的持續運行，能大大降低了氫氣爆炸對安全殼的威脅。

現有移動式氫復合器的文獻資料比較匱乏，而該文圍繞福清核電廠移動式氫復合器的功能、原理及應用做了詳細介紹，為其他電廠移動式氫復合器的定期試驗和現場應用提供有效的資源共享平臺，有利于后續工作的開展也便于移動式氫復合器應用的持續改進和提高。

參考文獻

[1] 福建福清核電廠1、2號機組最終安全分析報告第6.2節[Z].

[2] YQF-120B型移動式氫復合器說明書[Z].

[3] 黃偉峰，史海富，李麗娟.我國核電廠安全殼內防氫爆設計及其改進情況[J].科技創新導報，2014（24）：60-63.