AP1000核電廠事故情況下安全殼的氫氣控制

尚元元　劉楊

【摘 要】本文介紹了事故后安全殼內氫氣產生的原因，以及氫氣在安全殼內燃燒引起的危害。分析了AP1000安全殼氫氣控制系統的設計特點，以及該系統如何在設計基準事故和嚴重事故下控制氫氣濃度，并與傳統二代核電廠的安全殼消氫系統進行對比，分析了AP1000在氫氣控制方面的優越性，并對該系統設備的運行提出了建議，可以做為國內新建電廠的設計借鑒。

【關鍵詞】AP1000；安全殼；氫氣控制；對比；建議

Control of Hydrogen Inside of Containment With Accident Based On AP1000 Plant

SHANG Yuan-yuan LIU Yang

（Sanmen Nuclear Power Company Ltd.， Sanmen Zhejiang 317112， China）

【Abstract】This paper gives a introduction of the reason of hydrogen produced in containment， and the harm of hydrogen burning， and analysis the design feature of containment hydrogen control system and the system how to control hydrogen concentration following a DBA and a severe accident， compares it to traditional second generation nuclear power plant ，analysis the superiority of AP1000 containment hydrogen control system，gives some advice of the operation of equipments ，can be an example of new nuclear power plant design.

【Key words】AP1000 unit； Containment； Hydrogen control； Compare； Advice

0 引言

2011年3月11日，日本發生強烈地震，并引發海嘯，位于福島縣的福島第一核電站反應堆停堆后，在喪失廠外電源的同時柴油機被水淹，導致喪失所有交流電源。反應堆失去冷卻，堆芯過熱，燃料燒毀，大量氫氣釋放到反應堆廠房內，氫氣濃度超過安全限值，4臺機組接連發生反應堆外廠房爆炸，第三道安全屏障被破壞，導致放射性物質釋放到環境中。AP1000反應堆由美國西屋公司設計，其設計不僅滿足美國聯邦法規10CFR50.44和10 CFR 50.34（f）中對氫氣監測和控制的要求，同時也滿足我國國家核安全局在2004年頒布的修訂后的《核動力廠設計安全規定》（HAF102），和《核動力廠運行安全規定》（HAF103）中針對嚴重事故下可能會發生氫爆的設計考慮。AP1000安全殼氫氣控制系統，依靠其特有的設計，在發生設計基準事故和嚴重事故時，即使出現喪失全部交流電源，也不會導致反應堆第三道安全屏障損壞，保障安全殼的完整性。

1 事故時氫氣的來源及危害

安全殼內發生事故后，可能由于以下原因產生氫氣：燃料包殼的鋯水反應、水的輻照分解、結構材料的腐蝕、冷卻劑系統中溶解氫氣的釋放，堆芯熔融物與混凝土的反應。

在發生LOCA或者嚴重事故后，安全殼巨大空間內的H2與O2，根據H2濃度的不同，會產生兩種不同的反應。一種為燃燒，當H2濃度達到4%的燃燒下限時，H2與O2發生燃燒；另一種為爆炸，爆炸是傳播速度超過聲速的燃燒，當高濃度的H2和O2充分混合后就會發生爆炸。但是氫氣燃燒濃度與水蒸氣的濃度有關，水蒸氣相當于H2燃燒的惰化劑，水蒸氣的濃度越大，燃燒或者爆燃的所需要的H2濃度就越大。

在AP1000安全殼內，發生LOCA后的水蒸氣環境下，氫氣的燃燒模式取決于混合氣體的濃度，初始條件和邊界條件。在氫氣產生的地方，氫氣沒有與氧氣混合，此時氫氣燃燒發生擴散火焰；在氫氣源的下游，氫氣濃度增加同時與氧氣混合，此時就可能發生爆燃。

2 正常運行情況下的氫氣控制

正常運行時，氫氣濃度監測子系統監測安全殼內的氫氣濃度，該系統由3個氫氣傳感器，3個壓力傳感器，2個PLC機柜組成。3個氫氣傳感器安裝在安全殼穹頂上部，對安全殼總體氫氣濃度取得有代表性的讀數。3個壓力傳感器為氫氣傳感器提供壓力補償。氫氣傳感器和壓力傳感器連接到位于輔助廠房內的PLC機柜上。這些傳感器由非1E級的電源供電。在主控室有連續的氫氣濃度指示，并提供氫氣濃度高報警，高報值為3.6%。嚴重事故下，這些傳感器仍然可謂操縱員提供安全殼內氫氣濃度的指示信息，但是通常此時通過執行EOP規程，根據堆芯出口熱電偶溫度達到648.9℃來觸發2組氫氣點火器，來降低安全殼內的氫氣濃度。

3 設計基準事故時的氫氣控制

設計基準事故下，假設1%的燃料包殼發生鋯水反應，非能動氫氣復合子系統中的兩臺非能動氫氣復合器能適應預期的氫氣產生率，將安全殼內的氫氣濃度控制在小于4%的安全限制內。

3.1 非能動氫氣復合器的布置位置

PARs安裝在安全殼內高于操作平臺的區域，標高分別為51.8m和55.2m，距安全殼殼體均為4.0m。布置點位于安全殼內均勻混合區域。此外，PARs的布置遠離了可能的蒸汽快速向上流動區域，如環路隔間上方氣團上升區域。

3.2 非能動氫氣復合器的結構特點

PAR由一個既提供裝置結構又支撐催化材料的不銹鋼外殼組成。外殼的底部和頂部有開口，并且向上延伸高于催化劑高度，從而通過煙囪效應提高裝置的效率和流通能力。催化劑材料可裝在一個網狀金屬筒內或附在金屬板基底材料上，并由外殼支撐。網筒或板片之間的間隙為流通氣體提供了通道。在運行期間，復合器內的氣體由于復合過程而被加熱，并通過自然對流上升。之后，隨著加熱氣體上升，安全殼空氣混合物由PAR的底部進入，然后由生成水蒸汽的放熱反應加熱，最終通過煙囪排出，在那里與安全殼大氣混合。

3.3 非能動氫氣復合器的工作原理

PAR非常簡單，并且是非能動的，它沒有能動部件，也不依賴電源或者其他支持系統，當存在反應物（氫氣和氧氣）時自動啟動。通常，氫氣和氧氣只有在比較高的溫度時（高于593.3℃）才能通過燃燒而復合。但是，在有鈀之類的催化金屬存在時，即使在溫度低于（0℃）時“催化燃燒”也能發生。

反應物必須接觸到催化劑后才能發生反應，然后產物必須離開催化劑才能有更多的反應物反應。

3.4 非能動氫氣復合器的工作效率

PAR是一個分子擴散過濾器，因此，開放式的流道不易受污垢影響。當催化劑保持干燥時，只要氫氣、氧氣存在，PAR就立即開始復合。如果催化劑材料是濕的，那么PAR的啟動會有短暫延遲。相對于設計基準事故后，PAR必須控制氫氣積累速率的時間（幾天至幾周），其延遲時間是很短的。在事故早期，可燃氣體濃度形成之前，復合過程能在室溫或升高的溫度下發生。PARs在大范圍的環境溫度、反應物濃度（高和低，氧氣/氫氣濃度小于1%）和蒸氣惰性（蒸氣濃度大于50%）時均有效。PARs總是可用的，因此不需操縱員來啟動。在發生設計基準事故期間，只需一套PAR運行，就能提供足夠的能力來維持氫氣濃度低于4%限值。氫氣復合器能有效減小LOCA事故后安全殼內產生的氫氣，用來防止LOCA事故后氫氣的積累。

從長期來看，事故后安全殼內氫氣濃度由PARs的運行來降低。PARs的運行將使氫氣濃度減少到約0.3%。如果需要進一步降低氫氣濃度，則利用安全殼凈化系統來對安全殼進行凈化。

4 嚴重事故下氫氣的控制

設計基準事故只是假設1%的包殼發生鋯水反應，可以通過PAR使其濃度降低到安全值以下。而對于嚴重事故，假設10%以上燃料包殼發生鋯水反應時，對于可能發生的氫氣產生率超過復合器能力且快速生成大量氫氣的事件，需應用氫氣點火子系統。

4.1 氫氣點火器的布置

氫氣點火器共66個，布置在安全殼內各處可能的氫氣釋放區域，流通區域或可能積累的區域，幾個比較典型的位置是反應堆腔室、回路隔間、穩壓器隔間、換料室、安注箱室、化容控制系統設備間、IRWST噴淋閥處及IRWST通風孔口處等。為了限制氫氣燃燒時對安全殼造成影響，氫氣的主要釋放途徑都遠離安全殼。而且在每個封閉區域至少安裝有兩個點火器，減少了安全殼或單獨隔間內點火器可能出現的功能失效。

4.2 氫氣點火器的結構

氫氣點火器的外形結構，在點火器上有個噴淋屏蔽裝置，用于保護點火器，能夠防止水滴（安全殼壁及鄰近設備和結構上水蒸氣凝結產生的水滴）落到點火器上。

4.3 氫氣點火器的工作原理

氫氣點火器為線圈型點火器，一旦氫氣達到可燃濃度，處于發熱的點火塞很容易點燃附近的氫氣。

4.4 氫氣點火器的供電方式

點火器分成由不同電源供應的兩組，每組33個，每個耗能145W。正常情況下，每組電源都由廠外電源供應；當喪失廠外電時，每組電源由廠內非IE級的柴油機中的一臺供應；當柴油機也不可用時，由非1E級的蓄電池為每組提供大約4小時的點火運行支持。

4.5 氫氣點火器的驅動方式

點火器的運行，通過操縱員的手動操作，當事故情況下，當堆芯出口熱電偶溫度達到649℃時，操縱員通過主控室或遠程停堆站的PLS軟操手動啟動，分兩組點火，每組33個，還可以通過主控室DAS盤上手動啟動，DAS上兩個開關同時觸發，將對66個點火器同時點火。

5 AP1000安全殼混合作用

安全殼結構的布置能通過自然循環促進混合作用。在安全殼內發生假想破裂時，由于上升的氣團和周圍安全殼大氣之間的密度壓頭差，在下部隔間形成浮力流，從而驅動混合氣體穿過下部隔間到高于操作平臺的區域。由于蒸汽氣團從操作平臺開口上升時的引入和夾卷，在高于操作平臺的區域也有一定程度的混合。因此，自然驅動力將會混合安全殼大氣。

當氫氣釋放到安全殼內時，非能動的催化復合器（PAR）在催化劑表面復合氫氣和氧氣，并由于反應還在PAR內產生熱量，從而進一步驅動安全殼內自然循環引起的混合。PAR可在非常低氫濃度（少于1%）和非常高蒸汽濃度的條件下降低氫氣濃度，從而促進非能動安全殼冷卻系統的自然循環對流作用，抑制安全殼大氣的分層。

6 傳統二代核電廠的安全殼消氫系統簡介

傳統二代核電廠的安全殼消氫系統，為專設安全設施的一部分，是安全相關系統。其功能是在核電站發生失水事故后測量安全殼大氣的氫濃度并利用氫氧復合的原理去除安全殼大氣中的氫氣，使其氫濃度低于4%的體積濃度。

6.1 系統流程

本系統分別從安全殼四個不同高度及可能積聚氫氣的房間吸入安全殼大氣。其中一個吸入口在安全殼穹頂中央，其余三個在側壁上。

吸入的大氣經進風管穿過安全殼進入輔助廠房消氫設備室。在消氫設備室內，首先由空氣洗滌器去除可溶性放射性微塵以及懸浮在大氣中的氫氧化鈉和硼酸等雜質。再由風機把從洗滌器出來的氣體加壓送至消氫器。在消氫器內，安全殼大氣首先被電加熱器加熱到320℃。然后進入催化床，在重金屬鈀催化劑的作用下進行氫氧復合成水的反應：2H2+O2→2H2O。

這是個放熱反應，反應生成的水蒸汽溫度高達400-500℃。這種高溫氣體由空氣冷卻器冷卻到小于50℃，再送回安全殼，從而達到消氫的目的。

在每個系統的進風管和回風管上分別引一根小管接氫氣分析器，進行濃度分析，以此監視消氫效率。從分析器出來的氣體接回鼓風機入口。

6.2 系統運行

在電站啟動、功率運行和停堆換料工況時，本系統不投入運行，僅在電站一回路發生失水事故，經安全殼噴淋系統對安全殼大氣降溫降壓后本系統才投入運行。為了及時監測事故后安全殼大氣的氫濃度，以指導事故的處理，在事故30分鐘后間斷投入本系統（消氫器不投入），作測氫運行。當安全殼大氣的氫濃度大于1.5%（體積濃度）時，本系統作消氫運行。經消氫處理后，安全殼大氣的氫濃度小于0.5%（體積濃度）時，本系統可停止運行。

7 對比與分析

7.1 氫氣濃度檢測手段

AP1000的氫氣濃度監測儀是連續運行的，安裝在安全殼穹頂上部，主控室有儀表顯示，并提供氫氣濃度高報警，提醒操縱員注意安全殼內的氫氣濃度，該儀表的指示可以作為操縱員對堆芯運行情況的一項監測指標，而傳統二代核電廠的測氫儀在電站啟動，正常運行和停堆時均不運行，只有在發生失水事故后才運行，測氫儀位于進風管和回風管，這就不能適時監測安全殼內大氣的氫氣濃度，運行人員少了一項堆芯監測的手段。

7.2 氫氣消除手段

AP1000在發生設計基準事故時，采用非能動的氫氣復合器消氫，傳統二代核電廠采用在事故發生后，經安全殼噴淋系統對安全殼大氣降溫降壓后才投入消氫系統運行，由操縱員手動投入，對事故后操縱人員的操作要求較高。而且整個安全殼消氫系統為安全相關系統，系統內的相關設備均為安全相關設備，提高了設備的安全等級，且需要安全相關的柴油機做備用電源，增加了核電廠的設備投資，也增加了設備的維護和監督試驗要求。

7.3 氫氣濃度消除速度

如果發生嚴重事故，AP1000可以通過點燃66個氫氣點火器降低氫氣濃度，而傳統二代核電廠的消氫系統不能在嚴重事故時迅速的降低氫氣濃度。對于已安全運行多年的老電廠來說，不可能像我廠的設計一樣采用非能動的消氫及氫氣點火器消氫，這樣的設計會帶來很大的改造難度，因此建議增加非能動的氫氣復合器用于應對嚴重事故時安全殼內高的氫氣濃度，防止事故后發生氫爆，例如秦山二期的3，4號機組是在1，2號機組的基礎上改進設計而成，為了減少設計變更，3，4號機組在安全殼內增加了22臺非能動的氫氣復合器，用于應對嚴重事故下的高氫氣濃度。

7.4 高濃度氫氣死區控制

AP1000獨特的安全殼內設計，促進殼內氣體混合并消除死角隔間。平臺下的隔間都有大的開口，并且相互之間的通道相對較大，以促進平臺下區域內的混合。平臺下所有隔間的頂部均有開口，從而消除出現高氫濃度死區的可能性。此外，在事故恢復期間，如果運行強制安全殼內大氣循環系統，那么非安全相關的風機冷卻器將促進安全殼內大氣循環。

8 目前存在的問題及思考

8.1 關于非能動氫氣復合器

PARs在AP600中為非安全相關設備，而在中國的AP1000中為安全相關設備，目前技術規格書3.6.10章節規定其運行限制條件為模式1，2以及定期試驗要求SR3.6.10.1，SR3.6.10.2，以24個月的頻度對PARs的催化劑取樣，確定其是否失效。

在日常運行與維修中，要特別注意，避免向安全殼內引入催化劑毒物，或者避免在檢修過程中產生催化劑毒物，這些毒物的存在會嚴重影響PAR的復合效率。當溫度為100度以下時，PAR常見的毒物為鹵素，硫磺，一氧化碳，供貨商應提供該毒物清單，以便操縱員開發行政管理規程。大修過程中，當對PAR進行噴漆或焊接時，一定要將其入口和出口覆蓋，工作完成后，切記將覆蓋物去除，確保PAR的流道暢通。

8.2 關于氫氣點火器電源設置問題

氫氣點火器是由廠內外主交流電源，備用柴油機和蓄電池三路供電。

氫氣點火器的設計變更將點火器由原來的火花塞型點火器變更成線圈型點火器，消耗的電能由原來的95W變為145W，同時取消了原有的點火器上游的變壓器設計，新的點火器直接接線電壓。這就對蓄電池容量提出了新的要求，全廠失電事故發生后，操縱員需要掃掉其它負荷，只保留EDS上所帶的氫氣點火器運行，來保證點火器需要的4小時供電。但以福島核電站為例，在喪失廠內外和柴油機電源4天后，仍發生氫氣爆燃。這四小時遠遠不能滿足其可控的點燃達到控制安全殼內氫氣濃度的要求。所以在氫氣點火子系統的供電設計上建議增加氫氣點火器供電的蓄電池組的容量，并考慮將氫氣點火器供電的蓄電池單獨分出并做實體隔離。在發生全廠失電時，操縱員應盡快恢復廠外電源供應，通過上述方式盡可能長時間保證（下轉第59頁）（上接第26頁）氫氣點火器的可靠運行，保證在嚴重事故后，安全殼內的氫氣濃度不超過其設計限制。

9 結論

AP1000的安全殼氫氣控制系統，相比傳統二代核電廠的消氫系統，可以在正常運行時監測安全殼內的氫氣濃度，在發生設計基準事故時，通過非能動氫氣復合器能有效的減少氫氣濃度，防止氫氣濃度達到燃燒限值，不需要操縱員的干預，非能動消氫，設備維護和投資少，而且當發生嚴重事故情況時，可以通過點燃氫氣點火器在氫氣濃度達到爆炸極限之前就使氫氣燃燒，從而防止了氫氣爆炸，而且AP1000獨特的安全殼結構促進安全殼內大氣的循環，有效防止了局部地區氫氣發生聚集而產生爆炸。但是該系統的非能動氫氣復合器如何在日常運行及維修過程中保持其可用性，以及氫氣點火器的電源供電問題，需要操縱員后續關注，開發相應的規程，保證發生事故情況下的系統可用性。

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[責任編輯：楊玉潔]