AP1000核電站安全殼內氫氣控制

胡青松

AP1000核電站作為第三代反應堆，在事故情況下安全殼內氫氣控制上采取了能動和非能動相結合的方式控制廠房氫氣濃度。能動控制采用蓄電池供電的了氫氣點火器，非能動控制則采用催化直接化學反應的非能動氫氣復合器。通過這兩種方式的設計能夠在設計基準事故時，安全殼總體氫氣濃度應被限制在4%以內。發生嚴重事故時，控制安全殼氫氣的濃度水平應與規定要求相一致。同時由于采用了非能動設計，能夠從根本上避免福島核事故中安全殼氫氣濃度控制失效而導致的氫氣爆炸，保證放射性物質控制在安全殼內。

氫氣控制系統主要包括3臺氫氣探測器，2臺非能動氫氣復合器和64個氫氣點火器。其中3臺氫氣探測器可以提供連續的安全殼氫氣濃度監測和指示，為事故后監測和事故后緩解操作的運行評估提供輸入信號。一旦安全殼內氫氣濃度有變化，在10秒內就能探測到氫氣濃度變化的90%，在氫氣濃度達到高值時在主控室和遠方停堆工作站報警，提醒操縱員采取措施。氫氣探測器是非安全相關設備，由非1E級電源供電，主要用于在嚴重事故后，氫氣濃度快速變化時，為操縱員提供及時的氫氣濃度數據，探測器的工作范圍是0-20%氫氣濃度。這個范圍能夠涵蓋氫氣爆燃、爆炸事故的所有氫氣濃度范圍。

非能動氫氣復合器沒有轉動部件，不需要電源或其它任何支持系統，在有反應物（氫氣和氧氣）時自動啟動。非能動氫氣復合器由一個不銹鋼包殼構成，不銹鋼包殼提供結構支撐，也為催化材料提供支撐。包殼在底部和上部開口，并在催化層上部延伸而構成一個煙囪，這可產生額外的升力來增強效率和裝置的通風能力。催化材料被放置在網狀加藥箱內或在金屬板酶催化材料上。氣體在加藥箱和金屬板之間的空間流動。在運行期間，非能動氫氣復合器內的氣體在復合過程中被加熱，通過自然對流上升。當被加熱的氣體上升時，安全殼氣體混合物被吸入非能動氫氣復合器的底部，被加熱的同時也產生水蒸氣 ，通過安全殼大氣混合處的煙囪排出。由于在非能動氫氣復合器內的反應是放熱反應，催化劑的溫度可能達到600℃甚至更高。正常情況下，氧氣和氫氣只在高溫（約大于600℃）時快速燃燒。然而，在有催化劑的情況下（如鈀基），催化燃燒即使在溫度低于0℃也能發生。由于催化劑表面原子或分子的吸引力，催化劑的表面可吸收氧和氫。在設計上，PARs使氫氣復合速度滿足預期的LOCA事故時氫氣產生的速率。兩個PARs安裝在安全殼內操作平臺上方，分別在標高18.9m和20.1m，處于淹沒層的上面，每個與安全殼殼體距離為4m。PARs安放的位置保證了PARs處于氫氣潛在釋放點的上部，離安全殼4m的距離是確保在自然循環的時不是處于空氣下降區，而是在自然對流時空氣上升區，這樣利于含氫氣的空氣從PARs的下部入口進入，上部出口出去。

在事故早期階段氫氣積累前，自動復合器可以使氫氣和氧氣自動復合，針對氫氣產生比較少的設計基準事故，氫氣復合器完全可以將氫氣濃度控制在安全濃度范圍內，針對超基準事故，可以降低氫氣積累的速度，為操縱員啟動氫氣點火器提供時間。操縱員打開氫氣點火器的有兩個依據，一個是氫氣探測器來的氫氣濃度，一個是堆芯出口溫度。在發生嚴重事故時，相對于氫氣濃度的快速上升，反應堆出口溫度會更早的達到648.9℃，此時操縱員手動打開氫氣點火器。66個氫氣點火器的設置是針對超基準事故，控制在發生嚴重事故和堆芯融化時，在100% 鋯和水反應的氫氣濃度小于10%氫氣濃度，被分為兩組，正常由廠外電供電，當廠外電不可用時，由非安全級的備用柴油發電機供電，若柴油發電機啟動失敗，則由非1E級蓄電池供電4個小時，在發生此種情況的兩個小時后，需要手動卸載掉蓄電池上的其他負荷，以保證蓄電池的容量。如果在廠外電源、備用柴油發電機喪失的同時，EDS也喪失，在發生堆芯熔化的嚴重事故時，VLS不能夠除去安全殼內積累的大量氫氣，由于氫氣點火器的功率很小（0.1KW/個），并要求啟動的時間比較早，可以通過在現場配備抗震、抗海嘯、抗水淹的小型柴油發電機組，在發生地震事故后及時向氫氣點火器供電;同時可以考慮在鋼制安全殼頂部加裝放氣閥，在氫氣點火器所有電源喪失后，鋼制安全殼內氫氣積聚時，向外可控的排放氫氣，以保證安全殼的完整性。

綜上分析，AP1000核電站基于能動和非能動設計相結合的氫氣控制系統能夠在正常運行和設計基準事故時維持安全殼內氫氣濃度在限值范圍內，即使發生福島核事故類似的全廠失電外事故，也有足夠的措施限制氫氣濃度，確保安全殼的安全。