秦山第三核電廠氫氣控制系統改進探索

□王建鋒

一、引言

2011年3月11日，日本福島核電站因地震及后續海嘯引發INES(核事故分級系統)7級特大核事故。福島核電站四個機組的反應堆廠房先后發生氫氣爆炸，使得放射性物質大量釋放到環境中，并引起了公眾的極大恐慌。

日本福島核電站放射性泄漏的一個較為主要的原因為反應堆堆芯密封核燃料的鋯包殼管，在溫度高于850℃時，高溫鋯合金包殼與蒸汽發生劇烈化學反應，反應式為：Zr+2H2O=ZrO2+2H2，此過程伴隨放熱并產生氫氣，即所謂的鋯水反應。鋯水反應釋放大量的氫氣，氫氣在安全殼內與氧氣混合超過爆炸極限濃度，發生爆炸致使福島核電站反應堆廠房坍塌。

秦山第三核電廠(以下簡稱秦三廠)原來的氫氣控制系統由44臺氫點火器組成，福島核電站事故后，在反應堆安全殼內增加了18臺非能動氫氣復合裝置，這兩套系統一起使用，相互配合，可以復合掉嚴重事故后安全殼內產生的氫氣，保證了安全殼的完整性。本文主要對非能動消氫復合系統在秦三廠重水堆的應用情況進行分析介紹。

二、消氫點火裝置優勢以及存在的不足

秦三廠兩臺機組各設有由44臺氫氣點火器組成的氫氣控制系統，其主要部件是表面高溫式的點火線圈。當線圈通電后，表面溫度能在120秒內上升到750℃并引燃氫氣。消氫點火器的結構如圖1所示。

圖1

消氫點火器在設計時只考慮了設計基準事故的兩個事故序列，沒有考慮嚴重事故情況，這兩個序列是：LOCA(喪失冷卻劑事故)+LOECC(喪失應急堆芯冷卻)；LOCA事故24小時后SDE地震(廠址設計地震)。

日本福島核電站事故后，秦三廠在電氣系統增加了移動柴油發電車的接口，當發生嚴重事故后，如果發生全廠失電事故，移動柴油發電車到達達現場啟動，通過新增的移動電源接口柜以及低壓配電母線為氫氣點火器的控制盤供電，分布在安全殼內的44臺點火器得電后就可以通過點火消除氫氣。

消氫點火器優勢在于單位時間消氫量大，其不足有以下三點：一是能夠連續運行的時間為7天，并且需要操縱員手動干預，適時進行停運；二是需要動力電源，嚴重事故后如果全廠失電，在柴油發電車到達之前無法使用；三是能夠承受的環境溫度和壓力值可能無法包絡所有嚴重事故工況。所以，有必要在安全殼內增設非能動氫氣復合裝置。

三、秦三廠非能動式氫氣復合器介紹

(一)非能動式氫氣復合器功能。當核電廠發生嚴重事故時，安全殼內氫氣濃度超過非能動氫復合器啟動閾值，復合裝置無需人員干預，將會自動投入，并能夠長期有效運行，消除安全殼內的氫氣，控制鋯水反應產生的氫氣在安全殼內的體積濃度不超過10%，確保不會發生氫氣爆燃或者爆炸，保證反應堆安全殼的完整性。

(二)非能動式氫氣復合器原理。非能動的消氫復合裝置是非能動設備，它不需要動力電源或其它支持系統，也沒有任何轉動部件。當安全殼內氫氣濃度超過其啟動閾值(1%～2%)，復合裝置就會自動投入運行。氫復合裝置有一個不銹鋼外殼提供裝置結構，催化劑安放在復合裝置外殼底部，外殼能夠支撐催化劑，催化劑起到加速氫氧復合的作用，本身在運行中不會損耗。外殼的底部和頂部留有開口，發生嚴重事故時，安全殼內加熱氣體上升，空氣氫氣混合物從底部進入復合裝置，在催化劑的作用下，由氫氧放熱反應加熱后，氫復合器內外氣體的溫差，形成煙囪效應，再從復合裝置上部排出，與安全殼大氣混合，如此反復的對流循環，持續不斷地消除反應堆內的氫氣，使反應堆安全殼內的氫氣濃度控制在安全范圍內。非能動消氫復合裝置示意圖如圖2所示。

圖2

(三)秦三廠非能動式氫氣復合器性能指標。秦三廠非能動的消氫復合器是非核級設備，其抗震等級為DBEA類(設計基準地震A類，類似壓水反應堆的SSEII類)，復合裝置殼體為不銹鋼材質，催化劑活性組分為鉑/鈀。現場安裝有兩種規格，其中16臺消氫能力為2.4kg/h，2臺消氫能力為5.4kg/h，總消氫能力為49.2kg/h。復合裝置的具體性能如表1所示。

表1 復合裝置的具體性能

(四)非能動氫復合器與消氫點火器性能對比。與氫氣點火器比較，非能動氫復合器完全非能動，并可以承受嚴重事故的惡劣情況并能持續工作，但也有單位時間消氫量有限的缺點，具體如表2所示。

四、非能動消氫系統的安全分析評價

秦三廠氫氣控制系統非能動復合器的設計以MELCOR1.85程序為分析工具，建立安全殼分析模型，根據運行階段概率安全分析中引起嚴重堆芯損壞的始發事件的排序和重水堆嚴重事故序列的特點，選取了失去全部四級電源、主熱傳輸系統支管滯留型破口和大破口三個始發事故序列，開展嚴重事故情況下安全殼內的氫氣濃度分析，分析中充分考慮了秦三廠重水堆的特殊情況，嚴重事故后氫氣產生量按照相當于100%堆內鋯與水反應產生的氫氣量進行了分析。

表2 非能動氫復合器、氫點火器比較

分析表明，增加非能動式氫復合器后，只有在極端情況下堆芯熔融物與混凝土相互作用的后期才會進入氫氣燃燒區域，但不會進入燃爆轉換區，能確保安全殼內平均氫濃度不超過10%，滿足要求。

五、秦三廠非能動式消氫系統實際效果評價

工作人員定期對所有復合裝置內的板片進行抽樣試驗，每臺非能動氫復合器抽取三片進行消氫效率試驗，氫復合器設計要求在15分鐘內降至入口濃度的40%以下，實際結果全部在2分鐘內達到目標值，完全滿足要求。

六、結語

非能動消氫復合裝置安全可靠，完全達到了改造的預期目標，在嚴重事故情況下，可以有效降低安全殼內的氫氣濃度，防止可能的氫氣爆炸對安全殼完整性產生威脅或導致所需的緩解功能喪失。非能動消氫復合器與原有的消氫點火器兩套系統配合一起使用，優缺點形成互補，可以在各種環境條件下安全有效地消除氫氣，增強了秦山第三核電廠重水反應堆安全殼氫氣控制系統的冗余性和多樣性，可以確保秦山第三核電廠安全殼在嚴重事故下的完整性。