分析秦二廠嚴重事故下氫氣產生的來源和緩解措施

王靖宇

（中核核電運行管理有限公司運行三處，浙江 海鹽314300）

0 引言

距離2011年3月11日福島核事故已經過去10年，由于9級巨大地震引發的海嘯導致日本福島核電廠發生核泄漏，此次事故是繼切爾諾貝利核事件以來最嚴重的核泄漏事故。事故發生后，引起了政府和人們各方面的高度關注，又將核電安全推向了風口浪尖的境地。核電廠在嚴重事故下，尤其是堆芯熔化后，會產生大量的氫氣，這些氫氣會在廠房內迅速擴散并積聚，如果氫氣不能及時得到有效消除或排出，極可能發生氫氣爆炸，導致廠房、系統、設備損壞，放射性物質外泄等，嚴重威脅環境和公眾的健康。在1979年美國三哩島核事故中，發生了氫氣爆燃；在2011年的福島核事故中，福島4臺機組均發生了氫氣爆炸，爆炸破壞了安全殼的完整性，導致了大量放射性物質外泄，對環境造成了嚴重的污染。

核電廠氫氣控制和管理的目的是采取一定的緩解措施，消除安全殼內產生的氫氣，避免在事故情況下發生氫爆風險，破壞安全殼的完整性。目前采用的緩解嚴重事故后氫氣爆炸的手段有氫氣點火器、能動式和非能動式氫氣復合器、鋯合金材料的改進與替換和設置堆芯熔融物冷卻與保持系統等。本文分析了秦二廠嚴重事故情況下，氫氣產生的來源、分布特點和現有的應對措施，并分析其他緩解手段在秦二廠的適用性。

1 日本福島核事故

日本福島核事故中，福島第一核電站4臺機組均發生了爆炸事故，經多方專家研究，均確定為氫氣爆炸。通過事故之后的分析得知，1號/2號/3號機組事故的主要過程為：超設計基準的地震導致失去廠外電、反應堆安全停堆，余熱無法導出，海嘯導致應急電源失效，臨時應急電源無法供電，同時外界的移動式電源又由于道路的坍塌，導致了核電廠徹底失電；失去動力源后，堆芯余熱無法排出，堆芯水位下降，核燃料棒開始熔化，鋯水反應等產生大量氫氣，氫氣在廠房擴散、分布、積聚，產生氫爆，廠房被破壞，大量放射性氣體釋放到環境中。3臺機組在全廠失電、失去對堆芯的冷卻后，相繼發生氫氣爆炸。4號機組較為特殊，由3號機組氫氣從通風管道進入，導致氫爆，且由于乏燃料的失去冷卻，導致了燃料廠房也發生了爆炸。

2 秦二廠嚴重事故情況下氫氣的來源

根據以上嚴重事故下氫氣來源的分析，結合秦山二廠的實際情況，我們得出以下結論：

（1）秦二廠作為典型的2個環路的壓水堆，燃料包殼使用了鋯合金，FA2G（二代改進型燃料組件）的包殼和定位格架由鋯-4合金做成，即使AFA3G（三代改進型燃料組件）的包殼材料改進為了M5合金，但是合金成分中仍有鋯，除此之外，控制棒導向管和儀表管的材料也為鋯-4合金，所以在嚴重事故情況下，產生氫氣的主要來源為鋯水反應，研究表明，秦二廠100%鋯水反應產氫質量能達到695 kg。

（2）由于秦二廠壓水堆設計中，沒有考慮堆芯捕集器和犧牲混凝土，因此，在堆芯下封頭破裂后，堆芯熔融物與混凝土的MCCI反應將是產生氫氣的主要來源。

（3）秦二廠堆芯材料中使用了大量的不銹鋼，例如，控制棒包殼管和可燃毒物棒的內外包殼均采用了304不銹鋼，另外，堆芯很多部件的連接材料也采用了不銹鋼，因此嚴重事故情況下，不銹鋼的腐蝕會成為氫氣的一個重要來源。

（4）秦二廠安全殼地坑位于-3.4 m，空間開闊，嚴重事故后，水的輻照分解的產氫量不足以造成局部氫氣濃度超過極限。且只有在放射性物質泄漏到安全殼內部時，才考慮地坑水的輻照分解，因此，該氫氣產量對氫氣總量貢獻不大，也不存在局部氫氣積聚的問題。

（5）在秦二廠嚴重事故情況下，安全殼噴淋可能自動投運，系統中的NaOH溶液會對安全殼內金屬鋁和鋅構成腐蝕，安全殼噴淋投入后，需關注氫氣濃度。但這是氫氣的一個次要來源。

（6）秦二廠冷卻劑中溶解的氫氣只有8.47 m3，占總產氫微小比例，是氫氣產生的一個微小來源。

3 秦二廠嚴重事故情況下緩解氫氣爆炸的手段和措施

3.1 非能動氫復合器在嚴重事故情況下的運用

秦二廠非能動式消氫裝置采用中國核動力研究設計院的型號為PARQX的非能動氫氣復合器，分別有PARQX-150和PARQX-75兩種規格。其工作原理是利用催化劑使氫氣和氧氣在濃度低于可燃閾值時發生化合反應，反應產生的熱量用于在催化劑表面產生自然對流，從而使反應能夠持續進行。該設備分散布置在安全殼大廳內，自動啟動，能夠依靠自身產生的熱量使氣流流動。具有以下特點：

（1）當安全殼內部氫氣濃度達到2%時，氫氣復合器自動啟動，不需要外部電源、氣源和控制。停止閾值為0.5%氫氣濃度。

（2）設計原則是保證在嚴重事故工況下將安全殼內的平均氫氣濃度保持在低于發生爆炸的濃度——體積濃度10%。

（3）在事故后可能產生氫氣積聚的幾個隔間：穩壓器間、卸壓箱房間、主泵房間、蒸汽發生器隔間均裝設了非能動式氫氣復合器，每個復合器的消氫能力為2 kg/h（0.05 MPa、4%氫氣濃度），大于嚴重事故情況下隔間的產氫量。

（4）工作溫度：5～500℃，環境壓力：0.08～0.70 MPa，能夠在嚴重事故情況下正常工作。

（5）氫氣復合器頂部設有遮擋頂板，能夠避免事故發生情況下，安全殼噴淋液體進入氫氣復合器中。

非能動式氫氣復合器能有效地降低安全殼內部的氫氣濃度，是秦二廠嚴重事故情況下最重要的消氫手段。

3.2 移動式氫氣復合器在嚴重事故情況下的運用

秦二廠移動式氫氣復合器額定處理流量119 m3/h，進口氫氣濃度1%～4%，出口氫氣濃度≤0.1%，設計壓力415 kPa表壓，在氫氣濃度較低的情況，能有效地降低安全殼內部的氫氣濃度，有利于長時間的降低安全殼內部氫氣濃度。但是該復合器是根據設計基準事故設計的，不是設計用來對抗嚴重事故的，因此，在考慮使用移動式能動氫氣復合器時，必須考慮以下負面影響：

（1）移動式氫氣復合器有氫氣濃度的設計限制（1%～4%），超過限值，將因氫氧反應而過熱，因此，在氫氣濃度較高的情況下，不能長時間運行。

（2）移動式氫氣復合器可能被安全殼內部的氣溶膠堵塞。秦二廠移動式氫氣復合器的管道直徑為60.3 cm，較大的氣溶膠積聚可能導致管道堵塞。

（3）由于移動式氫氣復合器在安全殼外部，投入運行后，有放射性物質外泄的風險。

（4）移動式氫氣復合器具有加熱元件，它的使用將有可能成為點火源，引爆安全殼內部氫氣。

（5）移動式氫氣復合器消氫速度慢，一般需要投運幾個小時后才能起作用。

因此，雖然移動式氫氣復合器能有效地降低氫氣濃度，但是它只適用于氫氣濃度較低，且在安全殼內部氣體被惰化的情況，使用有一定的局限性。其投運與否需要經過技術支持中心的評估，而且由于需要使用電源，在發生類似福島全廠失電的事故的情況下，將無法使用。