安全殼過濾排放系統(tǒng)內(nèi)部氫氣風(fēng)險(xiǎn)研究

周　喆，蔡盟利，丁　超

安全殼過濾排放系統(tǒng)內(nèi)部氫氣風(fēng)險(xiǎn)研究

周喆1，蔡盟利1，丁超2,*

（1. 中國(guó)核電工程有限公司反應(yīng)堆工藝研究所，北京 100840；2. 生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心，北京 100082）

安全殼過濾排放系統(tǒng)（CFVS）用于嚴(yán)重事故情況下排出安全殼內(nèi)大氣以防止安全殼超壓失效。其排放氣體中的水蒸氣在經(jīng)過CFVS的管道和容器時(shí)會(huì)發(fā)生冷凝，導(dǎo)致氫氣和氧氣濃度上升，有可能引發(fā)氫氣燃燒或爆炸。為了評(píng)估“華龍一號(hào)”（HPR1000）核電站CFVS內(nèi)的氫氣風(fēng)險(xiǎn)，建立了反應(yīng)堆與安全殼模型和詳細(xì)的CFVS模型，選取典型的嚴(yán)重事故序列對(duì)事故后CFVS開啟以及混合氣體進(jìn)入CFVS的濃度變化過程進(jìn)行了計(jì)算，并根據(jù)夏皮羅圖對(duì)CFVS內(nèi)的氫氣風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行判斷。計(jì)算考慮了堆腔注水冷卻系統(tǒng)（CIS）有效和失效情況下不同的安全殼大氣組分進(jìn)入CFVS后的濃度變化，結(jié)果顯示CFVS開啟時(shí)前者的氫氣大部分被復(fù)合，后者的氧氣則被復(fù)合反應(yīng)消耗，因此2種情況下都不會(huì)發(fā)生燃燒或爆炸。計(jì)算還分析了在安全殼內(nèi)布置氫氣復(fù)合器以及在CFVS中實(shí)施氮?dú)飧采w這兩種緩解措施的作用，計(jì)算表明不考慮緩解措施時(shí)，CFVS內(nèi)的氣體組分在夏皮羅圖中進(jìn)入了快燃或燃爆區(qū)。研究表明HPR1000在采用了上述的緩解措施情況下，其CFVS系統(tǒng)內(nèi)部不會(huì)發(fā)生氫氣爆燃風(fēng)險(xiǎn)。

“華龍一號(hào)”；過濾排放系統(tǒng)；氫氣風(fēng)險(xiǎn)；夏皮羅圖

核電歷史上的三次重大核事故，三哩島、切爾諾貝利和福島核事故，引起了人們對(duì)于保護(hù)公眾免受嚴(yán)重事故后果影響的關(guān)注增加，而核電站安全殼正是防止放射性產(chǎn)物釋放到環(huán)境中的最后一道屏障。安全殼過濾排放系統(tǒng)（CFVS）設(shè)計(jì)目的是為了防止安全殼因超壓失效導(dǎo)致放射性物質(zhì)的不可控釋放，并將潛在的巨大的不可控放射性釋放替換為可控的過濾釋放[1]。因此在福島后，很多國(guó)家提出了為核電站加裝過濾排放系統(tǒng)的改進(jìn)措施[2]。

同時(shí)，由于福島核事故時(shí)，3號(hào)機(jī)組產(chǎn)生的氫氣通過共用的排風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)入4號(hào)機(jī)組導(dǎo)致4號(hào)機(jī)組的反應(yīng)堆廠房發(fā)生爆炸，也因此引起了各國(guó)對(duì)安全殼過濾排放系統(tǒng)內(nèi)的氫氣安全問題的關(guān)注，如果在CFVS內(nèi)發(fā)生氫氣爆炸將導(dǎo)致CFVS系統(tǒng)邊界失效，安全殼內(nèi)的放射性物質(zhì)將通過CFVS系統(tǒng)失效邊界造成不可控的大量釋放。Xu Z.[3]、Xu Zhanjie[4]使用GASFLOW對(duì)排氣系統(tǒng)在是否停電、是否注入蒸汽等情況下的氫氣燃爆轉(zhuǎn)變（DDT）風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了研究。Armando[5]利用MELCOR和GASFLOW程序分析了MARK II沸水堆在全廠斷電（SBO）事故時(shí)排氣系統(tǒng)內(nèi)的DDT風(fēng)險(xiǎn)。Su Na Young[6,7]、Kim Hoe-Yeol[8]和Choi Gi Hyeon[9]分別使用MELCOR程序計(jì)算了OPR1000核電站SBO事故下通過CFVS時(shí)的氫氣和水蒸氣濃度變化，和CFVS不同壓力下開啟時(shí)的氫氣風(fēng)險(xiǎn)。

本文對(duì)“華龍一號(hào)”核電站（HPR1000）的幾種典型事故工況展開研究，分析了HPR1000在采取嚴(yán)重事故緩解對(duì)策后其CFVS內(nèi)的氫氣風(fēng)險(xiǎn)，分析考慮了堆腔注水冷卻系統(tǒng)（CIS）有效和失效情況下不同的安全殼大氣組分進(jìn)入CFVS后的濃度變化，還考慮了在安全殼內(nèi)布置氫氣復(fù)合器以及在CFVS中實(shí)施氮?dú)飧采w這兩種緩解措施的作用。

1　CFVS內(nèi)的氫氣風(fēng)險(xiǎn)

1.1　氫氣來源

CFVS的系統(tǒng)流程圖如圖1所示。CFVS通過位于安全殼內(nèi)的進(jìn)氣口取氣，在安全殼與環(huán)境之間的壓力差作用下，將安全殼內(nèi)的氣體經(jīng)過CFVS過濾后排入環(huán)境。進(jìn)入CFVS的氫氣是在嚴(yán)重事故過程中產(chǎn)生并釋放到安全殼中，在CFVS開啟后隨著安全殼大氣進(jìn)入CFVS。安全殼內(nèi)的氫氣則主要來自于兩個(gè)方面：

（1）壓力容器內(nèi)的金屬材料被高溫的水及水蒸氣氧化（FCI）。在這個(gè)階段，體現(xiàn)為如下兩個(gè)過程：堆芯開始熔化之前的包殼氧化過程；堆芯熔融物流入下封頭時(shí)，與下封頭殘留水的反應(yīng)。

（2）壓力容器外高溫堆芯熔融物與堆腔混凝土相互作用（MCCI）。在這個(gè)階段，下封頭失效后，堆芯熔融物落入堆坑，與堆坑混凝土進(jìn)行反應(yīng)。

圖1　CFVS系統(tǒng)流程圖

1.2　氫氣行為

安全殼內(nèi)由水蒸氣、氫氣和空氣組成的高溫混合氣體，在進(jìn)入CFVS后，會(huì)與CFVS管道壁面發(fā)生熱交換而使其中的水蒸氣冷凝，也會(huì)被文丘里水洗器內(nèi)的大量低溫水冷卻而發(fā)生水蒸氣凝結(jié)，使混合氣體中的水蒸氣濃度下降，并導(dǎo)致其他氣體（如氧氣和氫氣）濃度上升。

不同的事故序列，CFVS開啟時(shí)進(jìn)入CFVS的安全殼大氣成分會(huì)有所區(qū)別，但大體可以分為2類：堆腔注水冷卻系統(tǒng)（CIS）有效的情況下，此時(shí)安全殼壓力上升較快，壓力容器保持完整，氫氣主要來自于壓力容器內(nèi)的鋯水反應(yīng)，CFVS系統(tǒng)開啟時(shí)空氣充足，氫氣濃度相對(duì)較低，對(duì)CFVS內(nèi)混合氣體可燃性影響較大的是氫氣濃度。CIS失效的情況下，安全殼壓力上升較慢，壓力容器不能保持完整，氫氣主要來自于堆芯熔融物與堆坑內(nèi)混凝土發(fā)生的MCCI反應(yīng)，氧氣在非能動(dòng)氫氣復(fù)合器（PAR）作用下與氫氣反應(yīng)而被消耗掉，CFVS系統(tǒng)開啟時(shí)氧氣濃度較低，氫氣濃度較大，對(duì)混合氣體可燃性影響較大的是氧氣濃度。

1.3　氫氣風(fēng)險(xiǎn)

氫氣的燃燒狀態(tài)可以分為慢燃、快燃和燃爆，而夏皮羅圖（Shapiro）正是用于判斷氫氣燃燒風(fēng)險(xiǎn)的一種常用方法。國(guó)際上通常采用根據(jù)實(shí)驗(yàn)獲得的夏皮羅圖來描述安全殼內(nèi)氫氣燃燒狀態(tài)的變化。在氫氣濃度處于燃燒下限（4 vol%）至低于火焰?zhèn)鞑ミ吔纾?～8 vol%）時(shí)，會(huì)發(fā)生慢燃，在氫濃度處于8～14 vol%時(shí)，會(huì)發(fā)生快燃，在氫濃度超過14 vol%后，可能會(huì)發(fā)生燃爆。

根據(jù)夏皮羅圖，當(dāng)氫氣濃度低于氫氣燃燒的氫氣濃度下限（約 4%）或空氣濃度低于氫氣燃燒的空氣濃度下限（約23%）時(shí)，氣體組分在夏皮羅圖中不會(huì)進(jìn)入可燃區(qū)，即不存在氫氣燃燒風(fēng)險(xiǎn)（見圖2）。

圖2　夏皮羅圖

1.4　緩解措施

針對(duì)CFVS內(nèi)的氫氣風(fēng)險(xiǎn)，主要可以考慮2個(gè)方面的緩解措施：

（1）限制混合氣體進(jìn)入CFVS后的最大氫氣濃度。布置在安全殼內(nèi)的氫氣復(fù)合器（PAR）能夠通過催化氫氣與氧氣之間的反應(yīng)，從而達(dá)到降低安全殼內(nèi)的氫氣濃度的目的。

（2）避免混合氣體與空氣中的氧氣接觸，可以通過氮?dú)飧采wCFVS管道的方式實(shí)現(xiàn)[10]。

2　分析方法

2.1　分析模型

計(jì)算分2個(gè)階段：

（1）利用MAAP程序建立華龍一號(hào)反應(yīng)堆與安全殼模型，并使用簡(jiǎn)化的等效流道來模擬CFVS的排氣過程，以此對(duì)各工況進(jìn)行計(jì)算。

（2）利用MELCOR程序?qū)FVS的管道、文丘里水洗器、金屬纖維過濾器等進(jìn)行詳細(xì)建模（見圖3），使用第1步計(jì)算得到的CFVS上游控制體的壓力、溫度、氣體組分等變化作為邊界，以便利用MELCOR程序流道中的SPARC模型模擬排放氣體在文丘里內(nèi)的水洗過程，并計(jì)算可能發(fā)生的氫氣風(fēng)險(xiǎn)。

圖3　CFVS模型圖

2.2　分析工況

這里選取了典型的嚴(yán)重事故進(jìn)行分析，包括全廠斷電事故（SBO）、大破口事故（LLOCA）、50 mm小破口（SLOCA）和主蒸汽管道破口（MSLB），相關(guān)序列和主要系統(tǒng)假設(shè)如表1所示。其中對(duì)每種事故都分別考慮了CIS有效和CIS失效的情況。計(jì)算采用的其他假設(shè)如下：

（1）CFVS開啟壓力為0.7 MPa.a，關(guān)閉壓力為0.26 MPa.a。

（2）CFVS內(nèi)部初始充氮?dú)馐寡鯕怏w積濃度＜4%[10]（計(jì)算假設(shè)初始氧氣體積濃度為4%），壓力為0.13 MPa.a。

（3）金屬纖維過濾器與煙囪之間的管道上設(shè)有爆破膜，爆破膜在CFVS內(nèi)壓力超過0.18 MPa.a時(shí)破裂。

表1　選取的計(jì)算序列

續(xù)表

注：×——設(shè)備失效；○——設(shè)備有效。

3　計(jì)算與結(jié)果分析

首先對(duì)表1中所列的事故序列進(jìn)行計(jì)算，得到各工況在CFVS開啟時(shí)其入口隔間的氣體濃度（見表2）。由于CFVS開啟后，進(jìn)入CFVS的混合氣體中的水蒸氣有可能發(fā)生冷凝，導(dǎo)致氫氣和氧氣濃度上升。如果假設(shè)被過濾混合氣體中所有水蒸氣全部冷凝，則可以得到各個(gè)工況下CFVS中氫氣和空氣的最大可能濃度（其中空氣濃度根據(jù)氧氣濃度折算，見表3），由于CIS失效時(shí)考慮水蒸氣全部冷凝后的空氣濃度最大為7.70%（MSLB），低于CFVS內(nèi)的初始空氣濃度19%（對(duì)應(yīng)于CFVS內(nèi)的初始氧氣濃度4%），故以19%作為CIS失效時(shí)的最大可能空氣濃度。可以看出CIS有效時(shí)氫氣最大可能濃度為3.86%（MSLB），低于氫氣燃燒的氫氣濃度下限（約4%）；而CIS失效時(shí)空氣最大可能濃度為19%，低于氫氣燃燒的空氣濃度下限（約23%）。圖4給出了各工況CFVS中的最大可能氫氣和空氣濃度在夏皮羅圖中的分布，可以看到所有工況的大氣狀態(tài)在夏皮羅圖中都處于不可燃區(qū)域。

表2　各工況CFVS入口隔間氣體組成（CFVS開啟時(shí)刻）

表3　各工況CFVS內(nèi)氫氣和空氣最大可能濃度

圖4　各工況CFVS中氫氣和空氣最大可能濃度的分布

圖5和圖6分別給出了MSLB事故CIS有效時(shí)CFVS各部分的氫氣濃度和CIS失效時(shí)CFVS各部分的氧氣濃度。從圖5中可以看到，CIS有效時(shí)混合氣體進(jìn)入CFVS后，首先受到管道冷卻，部分水蒸氣冷凝，氫氣和氧氣濃度有所增加，但最大的變化發(fā)生在文丘里水洗器中。計(jì)算顯示CIS有效時(shí)CFVS在101 748 s開啟，101 790 s在文丘里內(nèi)達(dá)到最大氫氣濃度3.79%，低于前述的最大可能氫氣濃度（3.86%）。而CIS失效時(shí)由于排放氣體中的氧氣濃度低于CFVS中的初始氧氣濃度，所以隨著排放氣體進(jìn)入，CFVS內(nèi)各部分的氧氣濃度逐漸降低（見圖6）。CFVS在193 230 s開啟，CFVS內(nèi)氧氣濃度從初始的4%逐漸降至與排放氣體相同（如圖6中管道1～管道5），冷凝后的氧氣濃度在約1.6%左右（193 300 s），也未超過初始氧氣濃度4%（即前述最大可能空氣濃度19%）。因此，CFVS內(nèi)不會(huì)發(fā)生氫氣燃燒或爆炸。

圖5　MSLB事故CIS有效時(shí)CFVS各部分的氫氣濃度

圖6　MSLB事故CIS失效時(shí)CFVS各部分的氧氣濃度

4　緩解措施的影響

4.1　氫氣復(fù)合器

布置在安全殼內(nèi)的氫氣復(fù)合器（PAR）通過2個(gè)方面降低CFVS內(nèi)的氫氣風(fēng)險(xiǎn)，一方面是產(chǎn)氫較少時(shí)，通過氫氧復(fù)合限制進(jìn)入CFVS的氫氣濃度；另一方面是在產(chǎn)氫較多時(shí)，通過氫氧復(fù)合限制進(jìn)入CFVS的氧氣濃度。上面的分析已經(jīng)表明冷凝導(dǎo)致的氫氣和氧氣濃度最大變化發(fā)生在CFVS的文丘里水洗器中，因此圖7和圖8分別給出了MSLB事故CIS有效和CIS失效情況下有無PAR時(shí)文丘里水洗器中的氣體組分夏皮羅圖（有氮?dú)飧采w），從圖中可以看出無PAR時(shí)其氣體組分在夏皮羅圖中進(jìn)入了快燃區(qū)，甚至是燃爆區(qū)，即未布置氫氣復(fù)合器時(shí)CFVS內(nèi)存在氫氣燃燒或燃爆風(fēng)險(xiǎn)。

圖7　有無PAR時(shí)文丘里水洗器內(nèi)的氣體組分夏皮羅圖（MSLB事故CIS有效）

圖8　有無PAR時(shí)文丘里水洗器內(nèi)的氣體組分夏皮羅圖（MSLB事故CIS失效）

4.2　氮?dú)飧采w

通過氮?dú)飧采wCFVS的管道可以避免排放的混合氣體與空氣中的氧氣直接接觸。計(jì)算針對(duì)CFVS在安全殼至文丘里之間的管道未實(shí)施氮?dú)飧采w的情況（有PAR）。考慮到氧氣不足出現(xiàn)在CIS失效的情況下，故通過MSLB事故CIS失效工況對(duì)上述情況進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示未實(shí)施氮?dú)飧采w的工況，排放氣體進(jìn)入CFVS與空氣接觸后，文丘里水洗器內(nèi)的混合氣體組分在夏皮羅圖中進(jìn)入了快燃區(qū)（見圖9），即未實(shí)施氮?dú)飧采w時(shí)CFVS內(nèi)存在氫氣燃燒風(fēng)險(xiǎn)。

圖9　有無實(shí)施氮?dú)飧采w時(shí)文丘里水洗器內(nèi)的氣體組分夏皮羅圖（MSLB事故CIS失效）

5　結(jié)論

本文對(duì)HPR1000核電站嚴(yán)重事故情況下CFVS內(nèi)的氫氣風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：

（1）在實(shí)施氮?dú)飧采w的情況下，在安全殼內(nèi)布置氫氣復(fù)合器可以限制混合氣體進(jìn)入CFVS后發(fā)生冷凝可能導(dǎo)致的最大氫氣或空氣濃度。在CIS有效的情況下，CFVS開啟時(shí)大部分的氫氣被復(fù)合，進(jìn)入CFVS的混合氣體在發(fā)生冷凝后氫氣濃度不會(huì)超過氫氣燃燒的氫氣濃度下限；而在CIS失效的情況下，CFVS開啟時(shí)大部分的氧氣被復(fù)合反應(yīng)消耗掉，進(jìn)入CFVS的混合氣體在發(fā)生冷凝后空氣濃度也不會(huì)超過氫氣燃燒的空氣濃度下限。

（2）在布置PAR的情況下，通過氮?dú)飧采wCFVS的管道可以避免混合氣體與空氣中的氧氣直接接觸，從而避免外部因素導(dǎo)致混合氣體中的空氣濃度增加產(chǎn)生的氫氣燃燒風(fēng)險(xiǎn)。

因此，HPR1000核電站在采用了上述2種緩解措施后，其安全殼過濾排放系統(tǒng)內(nèi)部不會(huì)發(fā)生氫氣燃燒或爆炸風(fēng)險(xiǎn)。

［1］ 楊軍，楊曄，隋增光．核電廠安全殼過濾排放系統(tǒng)［J］．科技導(dǎo)報(bào)，2017，35（13）：14-17.

［2］ Lee Sang-Won，Hong Tae-Hyub，Choi Yu-Jung，et al.Containment Depressurization Capabilities of Filtered Venting System in 1 000 MWe PWR with Large Dry Containment［J］．Science and Technology of Nuclear Installations，2014：1-10.

［3］ Z.Xu，T.Jordan.Hydrogen risk analysis for a generic nuclear containment ventilation system［J］．International journal of hydrogen energy，2017，42（11）：7467-7473.

［4］ Zhanjie Xu，Thomas Jordan.GASFLOW simulations for containment venting system of Emsland Nuclear Power Plant［R］．Karlsruhe，Germany：KIT Scientific Publishing，2015.

［5］ Armando Miguel Gómez-Torres，Eduardo Sáinz-Mejía，Eduardo，José Vicente Xolocostli-Munguía，et al.CFD analysis of hydrogen volumetric concentrations in a Hard Venting Containment System of a Mark II BWR［J］．Annals of nuclear energy，2015，85：552-565.

［6］ Young Su Na，Kwang Soon Ha，Song-Won Cho.Hydrogen risk in the Containment Filtered Venting System［R］．Korea：Korean Nuclear Society，2015.

［7］ Young Su Na，Song-Won Cho，Kwang Soon Ha.The Hydrogen Issue in the Initial Operation of a Filtered Containment Venting System［J］．Nuclear Technology，2016，195（3）：329-334.

［8］ Kim Hoe-Yeol，Jerng Dong-Wook，Lee Eun-Hye.Investigations on the Hydrogen Risk in the Filtered Containment Venting System Using MELCOR［J］．Transactions of the American nuclear society，2018，118（JUN.）：1268-1270.

［9］ Choi Gi Hyeon，Hwang Ji-Hwan，Kim Tae Woon，et al.A Study on Hydrogen Explosion Possibility in the Containment Filtered Venting System During Severe Accident［J/OL］．Korea：Korean Nuclear Society，2020［2021-01-07］．https：//journal-home.s3.ap-northeast-2. amazonaws.com/site/kns2020spring/presentation/20S-427.pdf.

［10］ 唐琪，王立峰．安全殼過濾排放系統(tǒng)8EUF存在的安全隱患和應(yīng)對(duì)措施［J］．中國(guó)核科學(xué)技術(shù)進(jìn)展報(bào)告，2015，4：108-112.

Hydrogen Risk Study for Internal of Containment Filtered Venting System

ZHOU Zhe1，CAI Mengli1，DING Chao2,*

（1. Reactor Engineering Department，China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd，Beijing 100840，China；2. Nuclear and Radiation Safety Center，Ministry of Environmental Protection，Beijing 100082，China）

The containment filtered venting system（CFVS）is used to depressurize the containment by venting the containment atmosphere under severe accident conditions.The steam of vent atmosphere will condensate across the CFVS’s pipe and vessel，which will lead the concentration rise of H2and O2，and the possible hydrogen combustion or explosion.In order to evaluate the hydrogen risk in the containment filtered venting system of HPR1000，the reactor and containment model and the detailed CFVS model were established.The typical severe accident sequences were selected to calculate the process of CFVS opening and the mixed gases entering CFVS with their concentrations changing after accident occurred，and the hydrogen risk in CFVS was judged according to the Shapiro diagram of the gases composition in it.It calculated the concentrations variation of different containment atmosphere composition after entering the CFVS under the cavity injection cooling system（CIS）available or failed conditions.The calculation showed that the hydrogen in the mixture gases was mostly recombined under the former condition，as well as the oxygen in the mixture gases was depleted by the recombination reaction under the latter condition at the CFVS opening time，so combustion or explosion would not occur under both conditions.The calculation also analyzed the effects of two mitigation measures，i.e.hydrogen recombiners arranged in containment and the nitrogen covering the CFVS.The results showed that without the mitigation measures，the gases composition in CFVS enter the combustion or detonation zone in Shapiro diagram.The research indicated that the risk of hydrogen detonation will not occur in the CFVS of HPR1000，which had the above two mitigation measures applied.

HPR1000；Filtered venting system；Hydrogen risk；Shapiro diagram

TL48

A

0528-0918（2022）01-0192-07

2021-02-18

周 喆（1984—），男，浙江諸暨人，高級(jí)工程師，碩士，現(xiàn)主要從事反應(yīng)堆熱工水力與安全研究

丁 超，E-mail：dingchao@chinansc.cn