日本福島事件對核電廠氫氣控制的幾點(diǎn)啟示

摘 要：本文通過對福島事件進(jìn)行綜述，對現(xiàn)有的核電廠氫氣控制法規(guī)規(guī)范要求、氫氣控制系統(tǒng)設(shè)置、氫氣控制設(shè)備等方面進(jìn)行調(diào)研，在此基礎(chǔ)上，得出了福島事件對核電廠氫氣控制的幾點(diǎn)啟示。

關(guān)鍵詞：福島事件；氫氣控制

1. 引言

2011年3月11日下午，日本東北部太平洋海岸發(fā)生的大地震和引發(fā)的海嘯襲擊了福島第一、第二核電站，隨后爆發(fā)了規(guī)模和時間空前的核事故，稱為福島事件。福島核電站四個機(jī)組的反應(yīng)堆廠房相繼發(fā)生氫氣爆炸，使得放射性物質(zhì)大量釋放至環(huán)境，且引起公眾極大的恐慌。因此，繼三里島事故后，如何控制嚴(yán)重事故后產(chǎn)生的氫氣從而保證安全殼的完整性再一次引起核電行業(yè)的重點(diǎn)關(guān)注。

本文通過對福島事件進(jìn)行綜述，對現(xiàn)有的核電廠氫氣控制法規(guī)規(guī)范要求、氫氣控制系統(tǒng)設(shè)置、氫氣控制設(shè)備等方面進(jìn)行調(diào)研，在此基礎(chǔ)上，得出了福島時間對核電廠氫氣控制的幾點(diǎn)啟示。

2. 福島事件簡介

2011年3月11日下午，日本東北部太平洋海岸發(fā)生的大地震和引發(fā)的海嘯襲擊了東京電力公司(TEPCO)所屬的福島第一、第二核電站。由于大地震和海嘯導(dǎo)致福島核電站全廠斷電，隨后爆發(fā)了規(guī)模和時間空前的核事故，以下簡稱福島事件。下面先簡單介紹一下福島事件的發(fā)展過程，福島事件發(fā)展示意圖見圖1。

3月11日地震前，福島第一核電站1~3號機(jī)組處于功率運(yùn)行狀態(tài)，4~6號機(jī)組處于停堆檢修狀態(tài)。其中4號機(jī)組正進(jìn)行改造，壓力容器內(nèi)所有核燃料已卸載至乏燃料池。

地震后，福島第一核電站1~3號機(jī)組自動停堆。福島第一核電站6個機(jī)組的外部電源由于地震全部喪失，應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)自動啟動。但是隨后的海嘯淹沒了所有應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)（除6號機(jī)組的一臺應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)外），并且淹沒了所有海水泵房。

對于福島第一核電站1~3號機(jī)組，由于失去全部交流電源，堆芯冷卻功能喪失，最終導(dǎo)致燃料裸露、堆芯熔化的嚴(yán)重事故。事故期間，鋯水反應(yīng)產(chǎn)生大量氫氣，在壓力容器卸壓時，放射性物質(zhì)和氫氣被排放到安全殼。在濕井向安全殼排氣后，從安全殼泄漏的氫氣相繼引起1 號、3號、2號機(jī)組反應(yīng)堆廠房上部區(qū)域發(fā)生爆炸，反應(yīng)堆廠房被損壞，導(dǎo)致大量放射性物質(zhì)進(jìn)入環(huán)境大氣。福島第一核電站1~3號機(jī)組爆炸示意圖見圖2。

對于福島4號機(jī)組，在地震前已將所有堆芯燃料卸入乏燃料池。然而，由于3號機(jī)組排氣管在到達(dá)排放煙囪前并入到4號機(jī)組的排氣管，3號機(jī)組產(chǎn)生的氫氣通過排氣管泄漏至4號機(jī)組反應(yīng)堆廠房，導(dǎo)致4號機(jī)組反應(yīng)堆廠房也發(fā)生了爆炸。

對于福島核電站，雖然設(shè)計有針對設(shè)計基準(zhǔn)事故的安全殼惰化氫氣控制系統(tǒng)，能夠在設(shè)計基準(zhǔn)事故中保持安全殼的完整性。但是福島核電站沒有設(shè)計針對嚴(yán)重事故的氫氣控制系統(tǒng)，也沒有在反應(yīng)堆廠房設(shè)計氫氣控制系統(tǒng)。所以，福島核電站四個機(jī)組的反應(yīng)堆廠房相繼發(fā)生氫氣爆炸，使得放射性物質(zhì)大量釋放至環(huán)境，且引起公眾極大的恐慌。因此，繼三里島事故后，如何控制嚴(yán)重事故后產(chǎn)生的氫氣從而保證安全殼的完整性再一次引起核電行業(yè)的重點(diǎn)關(guān)注。

3. 現(xiàn)有核電廠氫氣控制調(diào)研

嚴(yán)重事故后，堆芯退化期間鋯水反應(yīng)、壓力容器下封頭失效后堆芯熔融物與安全殼底板混凝土的反應(yīng)將產(chǎn)生大量的氫氣，一旦安全殼內(nèi)的氫氣濃度積累到一定數(shù)值時，就可能引起爆燃或爆炸。當(dāng)爆燃或爆炸產(chǎn)生的溫度負(fù)載或壓力負(fù)載超過安全殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計能力時，就可能造成安全殼失效，導(dǎo)致放射性物質(zhì)大量釋放至環(huán)境。從20世紀(jì)末，新建核電廠引入了針對嚴(yán)重事故的氫氣控制系統(tǒng)。本節(jié)將從氫氣控制的法規(guī)規(guī)范要求、氫氣控制系統(tǒng)設(shè)置、氫氣控制設(shè)備等方面進(jìn)行調(diào)研和綜述。

3.1 現(xiàn)有法規(guī)規(guī)范要求

HAF 102 -2004《核動力廠設(shè)計安全規(guī)定》第6章規(guī)定：1）必須考慮嚴(yán)重事故下保持安全殼完整性的措施，特別是必須考慮預(yù)計發(fā)生的各種可燃?xì)怏w的燃燒效應(yīng)；2）必要時，必須設(shè)置用以控制可能釋放到反應(yīng)堆安全殼內(nèi)的裂變產(chǎn)物、氫、氧和氣體物質(zhì)的系統(tǒng)，借以控制設(shè)計基準(zhǔn)事故下安全殼氣體中的氫或氧和其他物質(zhì)的濃度，以防止可能危及安全殼完整性的爆燃或爆炸；必須充分考慮在嚴(yán)重事故下控制可能產(chǎn)生或釋放的裂變產(chǎn)物、氫和其他物質(zhì)的措施。

10CFR50.34、50.44、RG1.7-2007等規(guī)定：所有的安全殼要么被惰化；要么能限制安全殼內(nèi)的氫氣濃度，即在事故期間及以后，相當(dāng)于100%燃料包殼-冷卻劑反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣均勻分布時的濃度小于10%，必須能維持安全殼結(jié)構(gòu)的完整性。

3.2 現(xiàn)有核電廠氫氣控制系統(tǒng)設(shè)置

從20世紀(jì)末，新建核電廠一般都設(shè)置了針對嚴(yán)重事故后的氫氣控制系統(tǒng)；而大部分老的核電廠，沒有設(shè)置針對嚴(yán)重事故的氫氣控制系統(tǒng)。部分核電站氫氣控制系統(tǒng)的設(shè)置見表1。

3.3 現(xiàn)有核電廠氫氣控制設(shè)備

目前，國際上最常見的核電廠氫氣控制設(shè)備（消氫設(shè)備）有氫復(fù)合器和氫點(diǎn)火器。

3.3.1 氫復(fù)合器

氫復(fù)合器主要有兩種：安全殼內(nèi)的非能動自催化氫復(fù)合器和安全殼外的集中能動式高溫催化復(fù)合器。安全殼外的集中能動式高溫催化復(fù)合器僅用于設(shè)計基準(zhǔn)事故，很多在役核電站都設(shè)有這種類型的復(fù)合器，如秦山一期、秦山二期和大亞灣等核電站。現(xiàn)在新建的核電站一般使用安全殼內(nèi)的非能動氫復(fù)合器，可以用于設(shè)計基準(zhǔn)事故和嚴(yán)重事故。

如圖3所示，非能動氫復(fù)合器由一個金屬外殼以及許多平行豎立在底部的催化劑（活性組分主要為：鉑和/或鈀）組成。當(dāng)釋放入安全殼內(nèi)的氫氣經(jīng)過復(fù)合器的催化活性表面時，氫氣和氧氣在催化劑的作用下，在較低溫度及濃度時就發(fā)生反應(yīng)生成水。反應(yīng)產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致復(fù)合器下部的混合氣體密度較低，這引起強(qiáng)大的浮力作用。由于浮力作用，熱空氣離開復(fù)合器時又會引起強(qiáng)大的對流作用（煙囪效應(yīng)），增加周圍氣體混合物進(jìn)入復(fù)合器，從而提高復(fù)合器的復(fù)合效率；同時也促進(jìn)了安全殼內(nèi)大氣的混合。

●非能動氫復(fù)合器有如下優(yōu)點(diǎn)：

●非能動，不需要電源供應(yīng)或人員干預(yù)；

●在氫濃度達(dá)到燃燒限值前去除氫氣；

●在高蒸汽濃度（即使蒸汽濃度＞55%，即蒸汽惰化）去除氫氣；

●能增加安全殼內(nèi)的對流和自然循環(huán)。

不過，非能動氫復(fù)合器也有以下缺點(diǎn)：

●催化劑可能中毒；

●不能快速緩解氫濃度峰值。

3.3.2 氫點(diǎn)火器

氫點(diǎn)火器主要有三種類型：電熱塞型、螺旋線圈型、電擊發(fā)型、催化反應(yīng)式。各種類型氫點(diǎn)火器示意圖見圖4，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)，見表2。各類點(diǎn)火器利用不同的原理激活點(diǎn)火元件，使氫氣混合物在較低濃度時持續(xù)可控地燃燒，以消除安全殼內(nèi)的氫氣。在安全殼內(nèi)預(yù)置一些點(diǎn)火器能有效快速緩解局部地區(qū)所釋放氫氣峰值。不過點(diǎn)火器也存在如下缺點(diǎn)：

●蒸汽高濃度時（一般為50%）無效；

●持續(xù)使用壽命有限；

●多次燃燒后引起局部高溫、燃燒延遲；

●如果布置的位置不對，則有可能成為引發(fā)氫氣爆炸的點(diǎn)火源，對安全殼產(chǎn)生負(fù)面影響。

4. 福島事件啟示

綜合福島事件的發(fā)展過程以及現(xiàn)有核電廠氫氣控制的調(diào)研，可以有以下幾點(diǎn)啟示：

●所有的核電站，包括已建和新建的核電站，都必須設(shè)置針對嚴(yán)重事故的氫氣控制系統(tǒng)。若已建核電站沒有設(shè)置針對嚴(yán)重事故的氫氣控制系統(tǒng)，則必須進(jìn)行改造。

●考慮可能會發(fā)生類似福島的全廠斷電事故，建議安全殼內(nèi)布置一些不需要電源支持的非能動氫復(fù)合器和催化反應(yīng)式的點(diǎn)火器。

●建議同時采用安全殼內(nèi)非能動氫復(fù)合器和點(diǎn)火器，即采用多樣化的氫氣控制手段，提高氫氣控制的可靠性。并且，消氫設(shè)備至少為抗震II類。

●考慮到福島3號機(jī)組的氫氣通過排氣管泄漏至4號機(jī)組，導(dǎo)致4號機(jī)組反應(yīng)堆廠房爆炸。因此，需關(guān)注各核電站通氫管道的布置和設(shè)計，包括正常通氫管道和事故后通氫管道，防止各管道間氫氣相互泄漏或氫氣泄漏至管道布置所在的房間，并且設(shè)置測氫儀表及時發(fā)現(xiàn)氫氣泄漏。

●設(shè)置可靠的氫氣監(jiān)測儀表，測量事故后安全殼內(nèi)的氫氣濃度。

參考文獻(xiàn)

[1]HAF102-2004核動力廠設(shè)計安全規(guī)定

[2]RG1.7-2007安全殼內(nèi)可燃?xì)怏w濃度的控制

作者簡介：

宋春景(1979-)，女，碩士。2004年7月畢業(yè)于上海核工程研究設(shè)計院的核能科學(xué)與工程專業(yè)。現(xiàn)從事工藝系統(tǒng)設(shè)計工作。