鈉冷快堆核電廠火災(zāi)探測器的選取研究

王榮 李華

摘要：近年來隨著科技的發(fā)展，適應(yīng)多種場所的火災(zāi)探測器層出不窮，而針對鈉冷快堆核電廠這一特殊場所，應(yīng)怎樣合理選用火災(zāi)探測器，適應(yīng)該場所的火災(zāi)防控需求，本文作了初步剖析，為鈉冷快堆核電廠消防設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：鈉火;火災(zāi)探測器

鈉冷快堆核電廠火災(zāi)防控系統(tǒng)的設(shè)置對于實現(xiàn)火災(zāi)的快速監(jiān)測撲救、防止火災(zāi)蔓延、降低火災(zāi)損害等起著關(guān)鍵作用。火災(zāi)信息的探測無疑是其中最為重要的一個環(huán)節(jié)，其以物質(zhì)燃燒伴隨產(chǎn)生的煙氣、熱量、光等參數(shù)為依據(jù)，以及早發(fā)現(xiàn)火災(zāi)為目的，根據(jù)不同場所需求和不同火災(zāi)探測原理，應(yīng)用產(chǎn)生出多種類型的火災(zāi)探測器。其中，傳統(tǒng)的火災(zāi)探測器有感煙式、感溫式、感光式和復(fù)合式等，而隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，以數(shù)字圖像處理和模糊識別技術(shù)為基礎(chǔ)的火災(zāi)圖像監(jiān)測技術(shù)等新興火災(zāi)信息探測技術(shù)也不斷涌現(xiàn)。同時，基于鈉冷快堆核電廠內(nèi)部構(gòu)架復(fù)雜、空間跨度大等特殊的場所特點和應(yīng)用需求，在探測器選取上需綜合考慮多方因素，以保證更高的安全系數(shù)。

一、鈉冷快堆廠房結(jié)構(gòu)及火災(zāi)特點

（一）鈉冷快堆廠房結(jié)構(gòu)

鈉冷快堆核電廠的傳熱系統(tǒng)分為三個部分：一次鈉回路、二次鈉回路和蒸汽循環(huán)系統(tǒng)。由反應(yīng)堆堆芯發(fā)出的熱量，靠一次鈉回路中的鈉載出，然后傳給二次鈉回路，加熱蒸汽動力系統(tǒng)中的補給水產(chǎn)生高溫高壓的蒸汽，推動透平機組發(fā)電。

下圖為鈉冷快堆核電廠原理流程圖：

當(dāng)鈉大量泄漏時，鈉火分為兩個階段。第一階段，鈉從泄漏點噴出，液態(tài)的高溫金屬鈉在空氣中與氧氣接觸直接燃燒，這一階段的燃燒規(guī)律和壓力、泄漏部位的大小、結(jié)構(gòu)有關(guān)，具有猛烈燃燒和可能發(fā)生爆炸的特性。破口面積越大，鈉流越多，噴濺鈉滴越少。火災(zāi)的第二階段就是泄漏液鈉流至地面，形成的鈉池燃燒。

其中，一次鈉回路中的鈉冷卻劑一旦發(fā)生泄漏，引發(fā)火災(zāi)，若得不到及時撲救，后果不堪設(shè)想。由于金屬鈉特殊的物理化學(xué)性質(zhì)，其在火災(zāi)探測器的選擇上，不能單純考慮單一因素，需綜合考慮多種因素。

（二）鈉火特點

金屬鈉的密度是0.97kg/m3，熔點是97.82℃，沸點是882.9℃，燃點為-97.8℃，在常溫下，為銀白色光澤的軟質(zhì)金屬，暴露在空氣中極易被氧化，表面會生成一層白色氧化膜并迅速失去光澤。由于鈉燃點極低，在液態(tài)情況下，一旦接觸空氣，就會發(fā)生自燃，并伴隨有白色濃煙生成，產(chǎn)生黃色固體。

燃燒反應(yīng)化學(xué)方程式：2Na+O2=Na2O2

作為堿金屬之一的鈉化學(xué)性質(zhì)活潑，能與多種物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。如，鈉與氧氣、一氧化碳、二氧化碳和氫氣等都能發(fā)生反應(yīng)，放出大量的反應(yīng)熱;鈉還可與水、氫氧化鈉等液體反應(yīng);甚至與碳鋼、混凝土等固體也能發(fā)生反應(yīng)。

二、火災(zāi)探測器工作原理

（一）感溫式火災(zāi)探測器

感溫式火災(zāi)探測器基于熱敏元件對不同溫度的熱敏感度不同產(chǎn)生動作，進而將溫度變化轉(zhuǎn)化為電信號以達到報警目的。其使用時有以下幾方面特點需要注意：一是受熱敏元件性質(zhì)限制，動作溫度（報警溫度）不可隨意設(shè)置，如定溫探頭動作溫度為不大于62℃、70℃、78℃等;二是測溫元件（如易熔合金、熱電偶、熱敏電阻、半導(dǎo)體材料等）熱滯后性不同，通過選用電子測溫元件等熱滯后性小的熱敏元件，可實現(xiàn)探測器在火災(zāi)陰燃階段的早期動作報警。

（二）感煙式火災(zāi)探測器

感煙式火災(zāi)探測器是對火災(zāi)產(chǎn)生的可見或不可見的煙霧粒子做出響應(yīng)從而進行報警的火災(zāi)探測器。其原理是將探測部位周圍煙霧濃度的變化轉(zhuǎn)化為電信號從而實現(xiàn)報警，有離子型感煙探測器、光電式感煙探測器、紅外光束感煙探測器等多種形式。前兩種均為點型探測器，離子型感煙探測器是利用煙氣粒子對其電離室內(nèi)導(dǎo)電性的干擾抑制低于預(yù)定值從而報警，光電式感煙探測器則是利用煙霧改變光的傳播這一特性來實現(xiàn)報警的。紅外光束感煙探測器是線型探測器，可對探測區(qū)域內(nèi)某一線型窄條周圍煙氣參數(shù)做出反應(yīng)的火災(zāi)探測器，與點型火災(zāi)探測器不同的是它由光束發(fā)射器和光束接收器兩部分組成，使用時根據(jù)需要分開相對安裝即可。

（三）感光式火災(zāi)探測器

感光式火災(zāi)探測器（即火焰探測器），是對物質(zhì)燃燒時產(chǎn)生的光強度變化及火焰閃爍頻率變化作出響應(yīng)的一種火災(zāi)探測器，更適用于火災(zāi)發(fā)展過程中火焰發(fā)展和明火燃燒階段。目前使用較多的有2種：對短波長光輻射敏感的紫外探測器和對較長波長光輻射敏感的紅外探測器。根據(jù)響應(yīng)輻射光波長特性，紫外式火災(zāi)探測器多適用于油品、電氣類火災(zāi)，紅外式火災(zāi)探測器多適用于普通可燃物、森林火災(zāi)等。

（四）可燃氣體探測器

可燃氣體探測器是利用電阻元件遇到可燃氣體后電阻發(fā)生變化從而報警的火災(zāi)探測器，可對單一或多種可燃氣體濃度做出響應(yīng)，根據(jù)電阻元件不同可分為催化型可燃氣體探測器和半導(dǎo)體型可燃氣體探測器兩種。催化型可燃氣體探測器的電阻元件為難熔金屬鉑絲，當(dāng)可燃氣體進入探測器時，在鉑絲表面會發(fā)生氧化反應(yīng)，使鉑絲溫度升高，從而鉑絲的電阻率便發(fā)生變化，探測器從而動作。而半導(dǎo)體型可燃氣體探測器則采用靈敏度較高的氣敏半導(dǎo)體原件作為電阻元件，當(dāng)其在工作狀態(tài)時遇到可燃氣體，半導(dǎo)體電阻下降，依據(jù)可燃氣體濃度不同，電阻值下降不同，從而響應(yīng)。

（五）復(fù)合式火災(zāi)探測器

復(fù)合式火災(zāi)探測器即在同一時間段內(nèi)，同時對火災(zāi)過程中的煙霧、溫度、光輻射等多個參數(shù)作出響應(yīng)，進行探測和綜合數(shù)據(jù)處理的探測器。它有多種組合，如感煙感溫式、感溫感光式和感煙感光式等。

三、探測器的選用分析

（一）一般規(guī)定

火災(zāi)發(fā)展的不同階段所產(chǎn)生煙、光、溫度等參數(shù)變化特點各不相同，針對這些情況，一般可從以下幾方面考慮選擇：

1.火災(zāi)初起階段多為燃燒物質(zhì)的陰燃階段，產(chǎn)生大量的煙和少量的輻射熱，很少或者幾乎無火焰（光）輻射，此類場所或部位可選擇感煙式火災(zāi)探測器。

2.火災(zāi)全面發(fā)展階段，火災(zāi)規(guī)模迅速擴大，多為物質(zhì)完全燃燒階段，可產(chǎn)生大量熱、煙和光輻射，此類場所或部位可選擇感溫式探測器、感煙式探測器、感光式探測器或復(fù)合式。

3.而對于火災(zāi)發(fā)展迅速，有強烈火焰輻射、少量的煙和熱等特點的場所或部位，可選擇感光式火災(zāi)探測器。

4.對于可能會產(chǎn)生、聚集可燃氣體或可燃液體蒸汽的場所或部位，應(yīng)選擇可燃氣體探測器。

5.對于火災(zāi)發(fā)生不可預(yù)料的情況，可參考數(shù)據(jù)建模或模擬實驗的結(jié)果來選擇火災(zāi)探測器。

（二）綜合分析

由前面對金屬鈉性質(zhì)的介紹可知，鈉的化學(xué)性質(zhì)活潑，液態(tài)時與氧氣接觸會立刻發(fā)生燃燒，為表面燃燒，無陰燃階段，伴隨燃燒會有大量白色煙霧產(chǎn)生，并有明亮光。這是鈉本身的性質(zhì)，鑒于本文討論的鈉是核反應(yīng)堆一次鈉回路中的冷卻劑的特殊情況，在選用火災(zāi)探測器時還應(yīng)考慮廠房環(huán)境、管道結(jié)構(gòu)等因素，由上對幾種火災(zāi)探測器的介紹可知：

1.感溫式火災(zāi)探測器：金屬鈉的熔點為97.82℃，燃點為-97.2℃，所以一旦泄漏接觸到氧氣會立刻燃燒。經(jīng)實驗可得，1.42kg鈉池上方0.7米處需經(jīng)過1分鐘可達到（最高溫度）200℃，可見當(dāng)探測器距離鈉泄漏地點較近時，用感溫式火災(zāi)探測器是可以的，但當(dāng)距離較遠或之間有其他遮擋物遮蔽時則報警效果不佳。

2.感煙式火災(zāi)探測器：由上可知對于燃燒產(chǎn)生大量煙霧的鈉火來說，離子型感煙探測器具有良好的敏感性;由于對煙霧顆粒的粒徑大小有要求，在應(yīng)用范圍上光電感煙探測器沒有離子型感煙探測器大，受諸多因素限制，例如當(dāng)鈉火管道結(jié)構(gòu)對光的散射等造成影響時，會大大降低其報警的敏感度，因此不太適用于鈉冷快堆火災(zāi)探測器的選用;紅外光束感煙探測器對煙霧顆粒的探測更具方向性，更有針對性，可針對鈉流通管道易發(fā)生泄漏的部位進行針對性的監(jiān)控，但是其應(yīng)用同樣受管道結(jié)構(gòu)限制，即使可以布置探頭，從全局來看，其布置布局缺乏普適性，且應(yīng)用成本略高。

3.感光式火災(zāi)探測器：此探測器應(yīng)用受管路限制較大，具一定滯后性，發(fā)揮不了其優(yōu)勢。

4.可燃氣體探測器：金屬鈉在空氣中的燃燒會產(chǎn)生氧化鈉或過氧化鈉（固體顆粒），遇到水才會生成氫氣，但因核電站這一特殊場所應(yīng)用管理要求，廠房中發(fā)生此類反應(yīng)概率低，以此作為火災(zāi)積極響應(yīng)探測，實用性不高。

5.復(fù)合式火災(zāi)探測器：帶有感煙功能的復(fù)合式火災(zāi)探測器無疑在功能上具有更強優(yōu)勢，但成本相應(yīng)也會增加，使用時需根據(jù)廠房結(jié)構(gòu)及探測器自身屬性不同綜合決定。

綜上所述，在核電站廠房中，可以離子型感煙探測器為主，在特殊部位以線型光束感煙、復(fù)合式火災(zāi)探測器為輔，以確保對于火災(zāi)的高效監(jiān)控。

四、結(jié)語

火災(zāi)探測器的選用是構(gòu)成火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的重要內(nèi)容，直接影響著火災(zāi)自動報警以及監(jiān)控系統(tǒng)的整體特性，只有對各類火災(zāi)探測器的工作原理有一定了解，并按照環(huán)境的不同，選擇不同的火災(zāi)探測器，才能使消防系統(tǒng)真正做到“有警先知，防患于未然”，最大限度地減少火災(zāi)造成的危險與損失。

參考文獻：

[1]邵建章.核電消防安全與事故應(yīng)急[M].中國人民武裝警察部隊學(xué)院，2008.

[2]蒙平.各類火災(zāi)探測器原理分析及應(yīng)用探討[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2009（18）：86-87.

[3]魏巍.火災(zāi)探測技術(shù)研究[J].科技論壇，2003.

作者簡介：

王榮（1986.4.29—），女，漢族，工程師技術(shù)11級，主要從事消防安全監(jiān)督檢查、消防宣傳培訓(xùn)等相關(guān)防火工作。