我國(guó)核電廠安全殼內(nèi)防氫爆設(shè)計(jì)及其改進(jìn)情況

黃偉峰+史海富+李麗娟

摘 要：該文分析了壓水堆核電廠氫氣的來(lái)源、控制措施，并介紹了我國(guó)在役和在建壓水堆核電廠防氫爆的設(shè)計(jì)情況、存在的問(wèn)題和福島核事故后的改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：福島核事故 防氫爆 復(fù)合器 點(diǎn)火器 氫測(cè)量

中圖分類號(hào)：TL3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）08（c）-0060-04

The Design of Prevention Hydrogen Explosion and Its Improvement Inside Containment of Chinas Nuclear Power Plant

HUANG Weifeng SHI Haifu LI Lijuan

（China Nuclear Power Engineering CO.， LD， Beijing 100840，China）

Abstract：This paper analyzes the hydrogen sources， controlling measures of PWR nuclear power plant， and introduces the situation， problems，and improvement measures of prevention hydrogen explosion measures of Chinas operating and constructing PWR nuclear power plant.

Key words：Fukushima nuclear accident prevent hydrogen explosion recombiner ignitor hydrogen measure

2011年3月11日，日本福島第一核電廠發(fā)生核事故（簡(jiǎn)稱福島核事故），氫氣爆炸的場(chǎng)景給人們留下了太深的印象。氫爆的影響非常大，一方面導(dǎo)致了1-4號(hào)機(jī)組反應(yīng)堆廠房損壞，其中2號(hào)機(jī)組安全殼發(fā)生損壞，放射性直接向環(huán)境泄漏；另一方面可能導(dǎo)致廠房?jī)?nèi)設(shè)備和系統(tǒng)損壞，難于恢復(fù)使用，妨礙了事故的緩解和處理進(jìn)程。

福島核事故發(fā)生的氫爆，讓人們高度關(guān)注核電廠設(shè)計(jì)中的防氫爆問(wèn)題。實(shí)際上，防氫爆一直是核電廠設(shè)計(jì)中重要的安全問(wèn)題，在我國(guó)核安全法規(guī)中都有明確規(guī)定。由于我國(guó)核電廠主要為壓水堆，該文將介紹壓水堆核電廠防氫爆的設(shè)計(jì)情況。但是，無(wú)論壓水堆核電廠還是沸水堆核電廠，氫氣的來(lái)源和防氫爆設(shè)計(jì)措施都是類似的。

1 核電廠氫氣來(lái)源

在壓水堆核電廠發(fā)生設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故或嚴(yán)重事故后，在安全殼內(nèi)可能積聚大量氫氣，并可能與安全殼中的氧氣發(fā)生反應(yīng)而導(dǎo)致爆燃和爆炸，使安全殼內(nèi)產(chǎn)生高溫和超壓，從而造成安全殼的泄漏率超過(guò)規(guī)定值，還可能引起事故后所必需的系統(tǒng)和部件的損壞。

設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故下主要考慮安全殼內(nèi)下列幾種途徑產(chǎn)生的氫氣：

（1）燃料的鋯包殼與反應(yīng)堆冷卻劑的反應(yīng)。

（2）失水事故后應(yīng)急堆芯冷卻溶液的輻照分解（此過(guò)程中同時(shí)放出氧氣）。

（3）應(yīng)急堆芯冷卻或安全殼噴淋所用的溶液對(duì)金屬的腐蝕。

在嚴(yán)重事故情況下氫氣產(chǎn)生通常分為壓力容器內(nèi)和壓力容器外兩個(gè)階段。壓力容器內(nèi)氫氣產(chǎn)生源包括：金屬與水蒸汽在高溫下的反應(yīng)、碳化硼的氧化過(guò)程、堆芯再淹沒(méi)過(guò)程中的燃料與冷卻劑相互作用，該過(guò)程與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況類似，但產(chǎn)生的氫氣量更大；壓力容器外氫氣產(chǎn)生源主要指高溫熔融物與安全殼底板混凝土相互作用過(guò)程（MCCI）產(chǎn)生的氫氣。當(dāng)壓力容器下封頭失效后，堆芯熔融物將會(huì)進(jìn)入堆腔，與地板混凝土發(fā)生反應(yīng)，并從混凝土中放出CO2，CO2又會(huì)與金屬發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生H2及其他可燃?xì)怏w。

2 核電廠防氫爆措施介紹

世界各國(guó)對(duì)事故情況下氫氣風(fēng)險(xiǎn)的控制措施進(jìn)行了大量研究，并將其應(yīng)用于核電站設(shè)計(jì)。

2.1 氫氣濃度控制方法

對(duì)于體積較小的安全殼（例如福島核電站堆型BWR MARK I/MARK II），通常采用事故預(yù)惰化或稀釋的方法。而對(duì)于目前主流的壓水堆大型干式安全殼內(nèi)的氫氣控制，主要采用非能動(dòng)氫復(fù)合器、點(diǎn)火器或其組合的方式，這三種緩解措施的特點(diǎn)見表1。

2.1.1 氫氣復(fù)合器

氫氣復(fù)合器是利用催化劑使氫氣和氧氣在濃度低于可燃極限的時(shí)候發(fā)生化合反應(yīng)消耗掉，從而降低安全殼內(nèi)氫氣濃度。最新的這種復(fù)合器是自動(dòng)啟動(dòng)，外殼可引導(dǎo)氣流向上通過(guò)氫復(fù)合器，在殼體的下部裝有一個(gè)插入很多平行的豎直不銹鋼板的框架，在這些不銹鋼板上涂滿活性催化劑。含氫氣體混和物在催化劑作用下發(fā)生氫-氧化學(xué)反應(yīng)，并釋放出熱量使復(fù)合器下部的氣體密度降低，進(jìn)而加強(qiáng)了氣體對(duì)流，以使大量的含氫氣體進(jìn)入與催化劑接觸，以此來(lái)保證高效的消氫功能。它的特點(diǎn)是非能動(dòng)，不需任何支持系統(tǒng)；其復(fù)合反應(yīng)可在低溫下自啟動(dòng)，復(fù)合效率高；可在高溫高壓下正常工作；催化板防水、耐熱，可長(zhǎng)時(shí)間有效。設(shè)備可工作在嚴(yán)重事故環(huán)境條件下。

2.1.2 點(diǎn)火器

點(diǎn)火器的理論依據(jù)和假設(shè)是嚴(yán)重事故下安全殼內(nèi)不可避免地存在隨機(jī)的點(diǎn)火源（如電火花、電纜等），與其如此，不如在氫氣安全濃度的范圍內(nèi)利用點(diǎn)火器主動(dòng)點(diǎn)燃?xì)錃猓怪徛紵龤錃猓员苊獍l(fā)生爆燃燒及更嚴(yán)重的氫氣爆炸而威脅安全殼完整性。目前較為成熟的點(diǎn)火器有火花塞式點(diǎn)火器、電擊發(fā)式點(diǎn)火器、催化式點(diǎn)火器三種。點(diǎn)火器的主要弱點(diǎn)是多數(shù)類型的點(diǎn)火器需要依靠外部能量來(lái)啟動(dòng)，如果失去支持系統(tǒng)，點(diǎn)火器就可能失效。（見表1）

影響非能動(dòng)氫復(fù)合器及點(diǎn)火器消氫效率和安全性的因素主要是混合氣體中水蒸汽濃度和氫氣釋放速率。水蒸汽能夠有效地抑制氫氣火焰加速和氫氣從燃燒向爆炸的轉(zhuǎn)變；氫氣復(fù)合器在氫氣釋放速率較低時(shí)，能夠有效地消除氫氣，如果氫氣釋放速率較高，超過(guò)氫氣復(fù)合器自身的能力時(shí)，則氫氣復(fù)合器不足以應(yīng)付氫氣燃爆風(fēng)險(xiǎn)；所以采取氫氣復(fù)合器聯(lián)合點(diǎn)火器的方式，在事故早期采取點(diǎn)火器可以消除氫氣火焰加速和燃爆轉(zhuǎn)變的威脅，在事故中后期，采取非能動(dòng)氫氣復(fù)合器在低于氫氣可燃濃度及水蒸汽惰化的情況下持續(xù)、安全、有效地消除氫氣。endprint

2.2 氫氣濃度的監(jiān)測(cè)

對(duì)安全殼內(nèi)氫氣濃度進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)是防氫爆設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要措施。在事故情況下，通過(guò)氫氣測(cè)量系統(tǒng)，可以了解安全殼內(nèi)氫氣濃度及其分布情況，了解消氫系統(tǒng)的工作情況，用于事故管理，為采用應(yīng)對(duì)措施和應(yīng)急計(jì)劃提供信息。

目前氫氣濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要有兩類：

一類是在安全殼內(nèi)安裝氫氣測(cè)量裝置，將數(shù)據(jù)傳遞到主控制室和應(yīng)急控制中心。這類方法的難點(diǎn)在于氫氣測(cè)量裝置設(shè)計(jì)和制造需要滿足事故環(huán)境條件下有效運(yùn)行的要求。目前，國(guó)內(nèi)已研制成功，不久前通過(guò)了鑒定。

另一類是將安全殼內(nèi)氣體引出到安全殼外的測(cè)量裝置進(jìn)行分析，再將分析數(shù)據(jù)傳遞到主控室和應(yīng)急控制中心。這類方法主要是需要避免放射性泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。

3 我國(guó)核電廠防氫爆設(shè)計(jì)情況

3.1 概述

我國(guó)《核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定》（HAF102-2004）對(duì)核電站防氫爆設(shè)計(jì)要求如下：“（1）必須……控制設(shè)計(jì)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燃爆或爆炸。（2）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”[2]。

截至2013年7月，我國(guó)已有17臺(tái)核電機(jī)組在運(yùn)行，主要為二代改進(jìn)型壓水堆核電機(jī)組。建造時(shí)，這些機(jī)組均考慮了在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故（DBA）情況下安全殼內(nèi)防止發(fā)生氫爆的措施；但由于當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)規(guī)范和核安全法規(guī)并未要求在設(shè)計(jì)上考慮嚴(yán)重事故（SA），因此，除了2004年以后運(yùn)行的田灣1&2號(hào)機(jī)組和嶺澳二期、秦山二期擴(kuò)建、紅沿河1號(hào)機(jī)組、寧德1號(hào)機(jī)組，其它運(yùn)行機(jī)組建造時(shí)未考慮嚴(yán)重事故情況下防止發(fā)生氫爆的設(shè)計(jì)措施（設(shè)置情況見表2）。

隨著2004年《核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定》（HAF102-2004）發(fā)布實(shí)施，要求核電站設(shè)計(jì)必須考慮設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故和嚴(yán)重事故下的防氫爆措施。

我國(guó)在建核電機(jī)組都是在2004年以后開工建設(shè)的，其中三門核電廠和海陽(yáng)核電廠屬于AP1000堆型，臺(tái)山核電廠屬于EPR堆型，其他屬于M310改進(jìn)型核電機(jī)組。福島核事故前，這些在建機(jī)組在設(shè)計(jì)上均考慮了設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故和嚴(yán)重事故情況下的防氫爆措施，下文將分別簡(jiǎn)要介紹這三類核電機(jī)組防氫爆設(shè)計(jì)情況。

3.2 M310改進(jìn)型核電廠防氫爆設(shè)計(jì)

我國(guó)在建M310改進(jìn)型核電廠安全殼內(nèi)防止氫爆的設(shè)計(jì)措施基本相同，分成設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故和嚴(yán)重事故兩種情況。

3.2.1 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)情況下防氫爆設(shè)計(jì)

在建M310改進(jìn)型核電廠設(shè)置了安全殼內(nèi)大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（ETY），其中一個(gè)子系統(tǒng)的作用是控制LOCA后安全殼內(nèi)的氫氣濃度。該子系統(tǒng)屬于安全2級(jí)系統(tǒng)。

ETY氫氣濃度控制子系統(tǒng)執(zhí)行以下三個(gè)獨(dú)立的功能：

（1）安全殼空氣的混合和取樣。

該系統(tǒng)由兩條并聯(lián)管線組成，主要設(shè)備包括1臺(tái)電動(dòng)風(fēng)機(jī)和1部移動(dòng)式取樣裝置等。當(dāng)安全殼內(nèi)絕對(duì)壓力低于0.15 MPa、溫度低于80 ℃且所需采樣的氣體已能代表安全殼內(nèi)氣體時(shí)，方可進(jìn)行取樣。取樣人員進(jìn)入燃料廠房的取樣器防護(hù)區(qū)內(nèi)取樣。樣品收集在帶有注射器的小瓶中，送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。

（2）氫濃度測(cè)量。

氫分析儀取樣管道作為ETY小風(fēng)量清洗回路的一個(gè)旁路，設(shè)置在燃料廠房。旁路上配備兩臺(tái)氫分析儀，分別與ETY兩臺(tái)風(fēng)機(jī)進(jìn)出端相接，測(cè)量的氫濃度同時(shí)在主控室顯示。

（3）氫氣復(fù)合。

為了在事故情況下降低安全殼內(nèi)氫氣的濃度，一般每個(gè)雙堆布置核電廠設(shè)置兩臺(tái)移動(dòng)式氫復(fù)合器，分別放置在每個(gè)機(jī)組燃料廠房±0.00 m標(biāo)高處。

LOCA事故后，兩臺(tái)復(fù)合器被盡快轉(zhuǎn)到發(fā)生事故的機(jī)組裝卸料大廳中進(jìn)行安裝，通電，進(jìn)入備用狀態(tài)。當(dāng)壓力條件允許（絕對(duì)壓力小于0.15 MPa），在氫濃度達(dá)到1%到3%時(shí)啟動(dòng)一臺(tái)氫復(fù)合器，減少氫氣使其濃度低于4%的臨界燃點(diǎn)。

3.2.2 嚴(yán)重事故下防氫爆設(shè)計(jì)

在建M310改進(jìn)型核電廠設(shè)置了安全殼消氫系統(tǒng)（EUH），用于超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故（包括嚴(yán)重事故）下氫氣濃度的控制。EUH為非能動(dòng)系統(tǒng)，一般包括33臺(tái)布置在安全殼內(nèi)不同位置的非能動(dòng)氫氣復(fù)合器（包括不同復(fù)合能力的兩種類型）。氫復(fù)合器的布置位置是根據(jù)計(jì)算分析和現(xiàn)場(chǎng)情況，安裝在氫氣最可能聚積的地方，見表3。

由于我國(guó)還沒(méi)有針對(duì)超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故防范設(shè)施的設(shè)計(jì)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)或法規(guī)要求，EUH屬于非安全級(jí)系統(tǒng)，但抗震等級(jí)為1I類。

EUH是相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)，與其他系統(tǒng)沒(méi)有接口，無(wú)需電源。在超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故下，當(dāng)安全殼內(nèi)的氫濃度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，EUH氫復(fù)合器自動(dòng)工作，能夠在發(fā)生相當(dāng)于100%鋯-水反應(yīng)情況下控制安全殼內(nèi)平均氫氣濃度不超過(guò)10%，以避免發(fā)生氫氣爆炸威脅安全殼的完整性。

3.3 AP1000型核電廠防氫爆設(shè)計(jì)

AP1000設(shè)置了安全殼氫氣控制系統(tǒng)，執(zhí)行氫濃度監(jiān)測(cè)、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故和嚴(yán)重事故下控制氫氣濃度的功能。

3.3.1 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故下防氫爆設(shè)計(jì)

AP1000設(shè)置了氫氣復(fù)合子系統(tǒng)，由兩臺(tái)安全相關(guān)的非能動(dòng)氫氣復(fù)合器組成，安裝在安全殼內(nèi)高于操作平臺(tái)的區(qū)域，用于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)LOCA事故時(shí)氫氣控制。

該系統(tǒng)不需要電源和其它支持系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生事故產(chǎn)生反應(yīng)物（氫氣和氧氣）時(shí)，復(fù)合器自動(dòng)啟動(dòng)，通過(guò)催化劑（鈀或鉑）使氫氣和氧氣復(fù)合成水蒸汽，從而將氫氣控制在燃燒限值4%以下。

3.3.2 嚴(yán)重事故情況下防氫爆設(shè)計(jì)

AP1000設(shè)置了氫氣點(diǎn)火子系統(tǒng)，由布置在安全殼不同位置的66個(gè)氫氣點(diǎn)火器組成，用于嚴(yán)重事故下的氫氣控制。在100%鋯燃料包殼和水發(fā)生反應(yīng)時(shí)，該子系統(tǒng)能將安全殼內(nèi)的平均氫氣濃度控制在10%以下。

該子系統(tǒng)為非1E級(jí)，點(diǎn)火器分成了兩組，由非1E級(jí)的不同電源供電。endprint

AP1000設(shè)有氫氣濃度監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)，由三個(gè)非1E級(jí)的氫氣傳感器組成，安裝在安全殼穹頂上部，能探測(cè)總體氫氣濃度的變化。主控制室可連續(xù)指示氫氣濃度，并提供高氫濃度報(bào)警。氫氣傳感器由非1E級(jí)電源和UPS系統(tǒng)供電。

氫氣濃度監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)0～20%的氫氣濃度。在發(fā)生事故情況下，點(diǎn)火器在安全殼氫氣體積濃度小于10%的設(shè)定值時(shí)啟動(dòng)，使氫氣以可控方式燃燒（見表4）。

3.4 EPR型核電廠防氫爆設(shè)計(jì)

EPR設(shè)置了可燃?xì)怏w控制系統(tǒng)（ETY1，ETY2，ETY3），用于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故（DBC-2～DBC-4）和超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故（DEC）下氫氣濃度的控制。ETY1（Hydrogen reduction system）子系統(tǒng)的功能是消氫；ETY2和ETY3（Hydrogen mixing and distribution system）子系統(tǒng)的功能是催使氫氣對(duì)流混合，均勻分布，以減少氫氣局部聚積導(dǎo)致爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。ETY1-ETY3屬于F2級(jí)，不用遵守單一故障準(zhǔn)則。[5]

ETY1由約47個(gè)非能動(dòng)復(fù)合器（包括不同復(fù)合能力的兩種類型）組成，在氫氣體積濃度大約為2%時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)。事故情況下，ETY1能夠使安全殼平均氫氣體積濃度維持在10%以下；在嚴(yán)重事故期間約12小時(shí)內(nèi)，氫氣體積濃度減少到4%以下。

ETY2和ETY3由對(duì)流薄片（conv ection foil）、破裂薄片（rupture foil）和氫氣混合風(fēng)門（hydrogen mixing damper）組成。在電廠運(yùn)行期間，這些設(shè)備通過(guò)它們的關(guān)閉狀態(tài)/完整狀態(tài)和密封性將設(shè)備間的空間分成兩個(gè)包容空間；在事故情況下，通過(guò)設(shè)定的溫度值或根據(jù)壓差非能動(dòng)地打開這些設(shè)備，兩個(gè)包容空間將轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)包容空間結(jié)構(gòu)，這樣有利于使安全殼內(nèi)氣體充分混合，快速有效地減小氫氣局部的高濃度與濃度梯度。

EPR設(shè)有安全殼大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（ETY5），測(cè)量嚴(yán)重事故下的氫氣濃度，并提供氫氣和水蒸汽釋放總量、氫氣和水蒸汽分布、非能動(dòng)氫氣復(fù)合器效率等重要數(shù)據(jù)，為采用額外的措施和應(yīng)急計(jì)劃提供信息。ETY5通過(guò)布置在安全殼內(nèi)不同區(qū)域的四個(gè)取樣點(diǎn)采集氣體樣品，經(jīng)不銹鋼毛細(xì)管進(jìn)入安全殼外的分析測(cè)量裝置，自動(dòng)分析安全殼內(nèi)的氣體成分。

4 福島核事故后防氫爆設(shè)計(jì)改進(jìn)

福島核事故后，國(guó)家核安全局發(fā)布了《福島核事故后核電廠改進(jìn)行動(dòng)通用技術(shù)要求（試行）》（以下簡(jiǎn)稱《通用技術(shù)要求》），對(duì)運(yùn)行和在建核電廠提出了“氫氣監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)改進(jìn)的技術(shù)要求”[6]，主要內(nèi)容包括“開展嚴(yán)重事故下安全殼氫氣的分析、氫氣監(jiān)測(cè)與控制措施有效性評(píng)估，以及氫氣監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)在嚴(yán)重事故情況下的功能和設(shè)備要求”。[6]簡(jiǎn)而言之，就是要在嚴(yán)重事故情況下設(shè)置有效的氫氣監(jiān)測(cè)手段和消氫系統(tǒng)。

根據(jù)《通用技術(shù)要求》，國(guó)家核安全局和核電廠運(yùn)營(yíng)單位對(duì)運(yùn)行、在建核電廠的防氫爆措施進(jìn)行了評(píng)估，評(píng)估結(jié)果表明：

（1）AP1000機(jī)組、EPR機(jī)組和田灣1/2號(hào)機(jī)組滿足要求，不需要進(jìn)行改進(jìn)。

（2）秦山一期、秦山二期、秦山三期、大亞灣和嶺澳一期，嚴(yán)重事故下氫氣監(jiān)測(cè)和消氫設(shè)計(jì)均不滿足要求，需要進(jìn)行改進(jìn)。

（3）秦山二期擴(kuò)建和其它M310改進(jìn)型機(jī)組，嚴(yán)重事故下氫氣監(jiān)測(cè)不滿足要求，需要進(jìn)行改進(jìn)。

對(duì)于不滿足要求的核電廠，經(jīng)過(guò)分析評(píng)估，采取的改進(jìn)方案基本類似：

（1）消氫系統(tǒng)改進(jìn)方案：在安全殼內(nèi)設(shè)置非能動(dòng)氫氣復(fù)合器。根據(jù)嚴(yán)重事故下安全殼內(nèi)氫氣濃度及其分布的分析結(jié)果，確定非能動(dòng)氫氣復(fù)合器的數(shù)量和布置位置。

（2）氫氣測(cè)量改進(jìn)方案：在安全殼內(nèi)設(shè)置氫氣濃度測(cè)量?jī)x表，嚴(yán)重事故下由該儀表將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送到主控制室和應(yīng)急控制中心。該類儀表國(guó)內(nèi)已研制成功，不久前經(jīng)過(guò)了專家鑒定。

5 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)運(yùn)行和在建核電廠均考慮了設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故下防氫爆設(shè)計(jì)措施。對(duì)于嚴(yán)重事故下的防氫爆措施，我國(guó)運(yùn)行中的嶺澳二期、秦山二期擴(kuò)建、田灣1&2號(hào)機(jī)組、紅沿河1號(hào)機(jī)組、寧德1號(hào)機(jī)組和在建的二代改進(jìn)型核電機(jī)組、AP1000、EPR均設(shè)置了用于嚴(yán)重事故下的消氫設(shè)備，滿足國(guó)際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)和我國(guó)核安全法規(guī)的要求；在福島核事故前不滿足要求的其它核電項(xiàng)目按照《通用技術(shù)要求》已陸續(xù)完成改進(jìn)，將能有效應(yīng)對(duì)氫氣爆炸的威脅。

福島核事故雖然暫時(shí)影響到我國(guó)目前核電發(fā)展的速度，但我國(guó)發(fā)展核電的決心和政策是不會(huì)變的。我們應(yīng)加大核電安全基礎(chǔ)研究的投入，包括防氫爆的研究，為核電安全發(fā)展保駕護(hù)航。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄧堅(jiān).大型干式安全殼嚴(yán)重事故條件下氫氣控制研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2008.

[2] 國(guó)家核安全局.核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定[Z].北京，2004.

[3] 福建福清核電有限公司.福清核電廠1、2號(hào)機(jī)組PSAR第6.2節(jié)[Z].福建，2008.

[4] 三門核電有限公司.三門核電廠一期工程1、2號(hào)機(jī)組PSAR第6.2節(jié)[Z].浙江，2008.

[5] 臺(tái)山核電有限公司.臺(tái)山核電廠1、2號(hào)機(jī)組PSAR第6.2節(jié)[Z].廣東，2008.

[6] 國(guó)家核安全局.福島核事故后核電廠改進(jìn)行動(dòng)通用技術(shù)要求（試行）[Z].北京，2012.endprint

AP1000設(shè)有氫氣濃度監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)，由三個(gè)非1E級(jí)的氫氣傳感器組成，安裝在安全殼穹頂上部，能探測(cè)總體氫氣濃度的變化。主控制室可連續(xù)指示氫氣濃度，并提供高氫濃度報(bào)警。氫氣傳感器由非1E級(jí)電源和UPS系統(tǒng)供電。

氫氣濃度監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)0～20%的氫氣濃度。在發(fā)生事故情況下，點(diǎn)火器在安全殼氫氣體積濃度小于10%的設(shè)定值時(shí)啟動(dòng)，使氫氣以可控方式燃燒（見表4）。

3.4 EPR型核電廠防氫爆設(shè)計(jì)

EPR設(shè)置了可燃?xì)怏w控制系統(tǒng)（ETY1，ETY2，ETY3），用于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故（DBC-2～DBC-4）和超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故（DEC）下氫氣濃度的控制。ETY1（Hydrogen reduction system）子系統(tǒng)的功能是消氫；ETY2和ETY3（Hydrogen mixing and distribution system）子系統(tǒng)的功能是催使氫氣對(duì)流混合，均勻分布，以減少氫氣局部聚積導(dǎo)致爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。ETY1-ETY3屬于F2級(jí)，不用遵守單一故障準(zhǔn)則。[5]

ETY1由約47個(gè)非能動(dòng)復(fù)合器（包括不同復(fù)合能力的兩種類型）組成，在氫氣體積濃度大約為2%時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)。事故情況下，ETY1能夠使安全殼平均氫氣體積濃度維持在10%以下；在嚴(yán)重事故期間約12小時(shí)內(nèi)，氫氣體積濃度減少到4%以下。

ETY2和ETY3由對(duì)流薄片（conv ection foil）、破裂薄片（rupture foil）和氫氣混合風(fēng)門（hydrogen mixing damper）組成。在電廠運(yùn)行期間，這些設(shè)備通過(guò)它們的關(guān)閉狀態(tài)/完整狀態(tài)和密封性將設(shè)備間的空間分成兩個(gè)包容空間；在事故情況下，通過(guò)設(shè)定的溫度值或根據(jù)壓差非能動(dòng)地打開這些設(shè)備，兩個(gè)包容空間將轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)包容空間結(jié)構(gòu)，這樣有利于使安全殼內(nèi)氣體充分混合，快速有效地減小氫氣局部的高濃度與濃度梯度。

EPR設(shè)有安全殼大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（ETY5），測(cè)量嚴(yán)重事故下的氫氣濃度，并提供氫氣和水蒸汽釋放總量、氫氣和水蒸汽分布、非能動(dòng)氫氣復(fù)合器效率等重要數(shù)據(jù)，為采用額外的措施和應(yīng)急計(jì)劃提供信息。ETY5通過(guò)布置在安全殼內(nèi)不同區(qū)域的四個(gè)取樣點(diǎn)采集氣體樣品，經(jīng)不銹鋼毛細(xì)管進(jìn)入安全殼外的分析測(cè)量裝置，自動(dòng)分析安全殼內(nèi)的氣體成分。

4 福島核事故后防氫爆設(shè)計(jì)改進(jìn)

福島核事故后，國(guó)家核安全局發(fā)布了《福島核事故后核電廠改進(jìn)行動(dòng)通用技術(shù)要求（試行）》（以下簡(jiǎn)稱《通用技術(shù)要求》），對(duì)運(yùn)行和在建核電廠提出了“氫氣監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)改進(jìn)的技術(shù)要求”[6]，主要內(nèi)容包括“開展嚴(yán)重事故下安全殼氫氣的分析、氫氣監(jiān)測(cè)與控制措施有效性評(píng)估，以及氫氣監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)在嚴(yán)重事故情況下的功能和設(shè)備要求”。[6]簡(jiǎn)而言之，就是要在嚴(yán)重事故情況下設(shè)置有效的氫氣監(jiān)測(cè)手段和消氫系統(tǒng)。

根據(jù)《通用技術(shù)要求》，國(guó)家核安全局和核電廠運(yùn)營(yíng)單位對(duì)運(yùn)行、在建核電廠的防氫爆措施進(jìn)行了評(píng)估，評(píng)估結(jié)果表明：

（1）AP1000機(jī)組、EPR機(jī)組和田灣1/2號(hào)機(jī)組滿足要求，不需要進(jìn)行改進(jìn)。

（2）秦山一期、秦山二期、秦山三期、大亞灣和嶺澳一期，嚴(yán)重事故下氫氣監(jiān)測(cè)和消氫設(shè)計(jì)均不滿足要求，需要進(jìn)行改進(jìn)。

（3）秦山二期擴(kuò)建和其它M310改進(jìn)型機(jī)組，嚴(yán)重事故下氫氣監(jiān)測(cè)不滿足要求，需要進(jìn)行改進(jìn)。

對(duì)于不滿足要求的核電廠，經(jīng)過(guò)分析評(píng)估，采取的改進(jìn)方案基本類似：

（1）消氫系統(tǒng)改進(jìn)方案：在安全殼內(nèi)設(shè)置非能動(dòng)氫氣復(fù)合器。根據(jù)嚴(yán)重事故下安全殼內(nèi)氫氣濃度及其分布的分析結(jié)果，確定非能動(dòng)氫氣復(fù)合器的數(shù)量和布置位置。

（2）氫氣測(cè)量改進(jìn)方案：在安全殼內(nèi)設(shè)置氫氣濃度測(cè)量?jī)x表，嚴(yán)重事故下由該儀表將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送到主控制室和應(yīng)急控制中心。該類儀表國(guó)內(nèi)已研制成功，不久前經(jīng)過(guò)了專家鑒定。

5 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)運(yùn)行和在建核電廠均考慮了設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故下防氫爆設(shè)計(jì)措施。對(duì)于嚴(yán)重事故下的防氫爆措施，我國(guó)運(yùn)行中的嶺澳二期、秦山二期擴(kuò)建、田灣1&2號(hào)機(jī)組、紅沿河1號(hào)機(jī)組、寧德1號(hào)機(jī)組和在建的二代改進(jìn)型核電機(jī)組、AP1000、EPR均設(shè)置了用于嚴(yán)重事故下的消氫設(shè)備，滿足國(guó)際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)和我國(guó)核安全法規(guī)的要求；在福島核事故前不滿足要求的其它核電項(xiàng)目按照《通用技術(shù)要求》已陸續(xù)完成改進(jìn)，將能有效應(yīng)對(duì)氫氣爆炸的威脅。

福島核事故雖然暫時(shí)影響到我國(guó)目前核電發(fā)展的速度，但我國(guó)發(fā)展核電的決心和政策是不會(huì)變的。我們應(yīng)加大核電安全基礎(chǔ)研究的投入，包括防氫爆的研究，為核電安全發(fā)展保駕護(hù)航。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄧堅(jiān).大型干式安全殼嚴(yán)重事故條件下氫氣控制研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2008.

[2] 國(guó)家核安全局.核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定[Z].北京，2004.

[3] 福建福清核電有限公司.福清核電廠1、2號(hào)機(jī)組PSAR第6.2節(jié)[Z].福建，2008.

[4] 三門核電有限公司.三門核電廠一期工程1、2號(hào)機(jī)組PSAR第6.2節(jié)[Z].浙江，2008.

[5] 臺(tái)山核電有限公司.臺(tái)山核電廠1、2號(hào)機(jī)組PSAR第6.2節(jié)[Z].廣東，2008.

[6] 國(guó)家核安全局.福島核事故后核電廠改進(jìn)行動(dòng)通用技術(shù)要求（試行）[Z].北京，2012.endprint

AP1000設(shè)有氫氣濃度監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)，由三個(gè)非1E級(jí)的氫氣傳感器組成，安裝在安全殼穹頂上部，能探測(cè)總體氫氣濃度的變化。主控制室可連續(xù)指示氫氣濃度，并提供高氫濃度報(bào)警。氫氣傳感器由非1E級(jí)電源和UPS系統(tǒng)供電。

氫氣濃度監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)0～20%的氫氣濃度。在發(fā)生事故情況下，點(diǎn)火器在安全殼氫氣體積濃度小于10%的設(shè)定值時(shí)啟動(dòng)，使氫氣以可控方式燃燒（見表4）。

3.4 EPR型核電廠防氫爆設(shè)計(jì)

EPR設(shè)置了可燃?xì)怏w控制系統(tǒng)（ETY1，ETY2，ETY3），用于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故（DBC-2～DBC-4）和超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故（DEC）下氫氣濃度的控制。ETY1（Hydrogen reduction system）子系統(tǒng)的功能是消氫；ETY2和ETY3（Hydrogen mixing and distribution system）子系統(tǒng)的功能是催使氫氣對(duì)流混合，均勻分布，以減少氫氣局部聚積導(dǎo)致爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。ETY1-ETY3屬于F2級(jí)，不用遵守單一故障準(zhǔn)則。[5]

ETY1由約47個(gè)非能動(dòng)復(fù)合器（包括不同復(fù)合能力的兩種類型）組成，在氫氣體積濃度大約為2%時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)。事故情況下，ETY1能夠使安全殼平均氫氣體積濃度維持在10%以下；在嚴(yán)重事故期間約12小時(shí)內(nèi)，氫氣體積濃度減少到4%以下。

ETY2和ETY3由對(duì)流薄片（conv ection foil）、破裂薄片（rupture foil）和氫氣混合風(fēng)門（hydrogen mixing damper）組成。在電廠運(yùn)行期間，這些設(shè)備通過(guò)它們的關(guān)閉狀態(tài)/完整狀態(tài)和密封性將設(shè)備間的空間分成兩個(gè)包容空間；在事故情況下，通過(guò)設(shè)定的溫度值或根據(jù)壓差非能動(dòng)地打開這些設(shè)備，兩個(gè)包容空間將轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)包容空間結(jié)構(gòu)，這樣有利于使安全殼內(nèi)氣體充分混合，快速有效地減小氫氣局部的高濃度與濃度梯度。

EPR設(shè)有安全殼大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（ETY5），測(cè)量嚴(yán)重事故下的氫氣濃度，并提供氫氣和水蒸汽釋放總量、氫氣和水蒸汽分布、非能動(dòng)氫氣復(fù)合器效率等重要數(shù)據(jù)，為采用額外的措施和應(yīng)急計(jì)劃提供信息。ETY5通過(guò)布置在安全殼內(nèi)不同區(qū)域的四個(gè)取樣點(diǎn)采集氣體樣品，經(jīng)不銹鋼毛細(xì)管進(jìn)入安全殼外的分析測(cè)量裝置，自動(dòng)分析安全殼內(nèi)的氣體成分。

4 福島核事故后防氫爆設(shè)計(jì)改進(jìn)

福島核事故后，國(guó)家核安全局發(fā)布了《福島核事故后核電廠改進(jìn)行動(dòng)通用技術(shù)要求（試行）》（以下簡(jiǎn)稱《通用技術(shù)要求》），對(duì)運(yùn)行和在建核電廠提出了“氫氣監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)改進(jìn)的技術(shù)要求”[6]，主要內(nèi)容包括“開展嚴(yán)重事故下安全殼氫氣的分析、氫氣監(jiān)測(cè)與控制措施有效性評(píng)估，以及氫氣監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)在嚴(yán)重事故情況下的功能和設(shè)備要求”。[6]簡(jiǎn)而言之，就是要在嚴(yán)重事故情況下設(shè)置有效的氫氣監(jiān)測(cè)手段和消氫系統(tǒng)。

根據(jù)《通用技術(shù)要求》，國(guó)家核安全局和核電廠運(yùn)營(yíng)單位對(duì)運(yùn)行、在建核電廠的防氫爆措施進(jìn)行了評(píng)估，評(píng)估結(jié)果表明：

（1）AP1000機(jī)組、EPR機(jī)組和田灣1/2號(hào)機(jī)組滿足要求，不需要進(jìn)行改進(jìn)。

（2）秦山一期、秦山二期、秦山三期、大亞灣和嶺澳一期，嚴(yán)重事故下氫氣監(jiān)測(cè)和消氫設(shè)計(jì)均不滿足要求，需要進(jìn)行改進(jìn)。

（3）秦山二期擴(kuò)建和其它M310改進(jìn)型機(jī)組，嚴(yán)重事故下氫氣監(jiān)測(cè)不滿足要求，需要進(jìn)行改進(jìn)。

對(duì)于不滿足要求的核電廠，經(jīng)過(guò)分析評(píng)估，采取的改進(jìn)方案基本類似：

（1）消氫系統(tǒng)改進(jìn)方案：在安全殼內(nèi)設(shè)置非能動(dòng)氫氣復(fù)合器。根據(jù)嚴(yán)重事故下安全殼內(nèi)氫氣濃度及其分布的分析結(jié)果，確定非能動(dòng)氫氣復(fù)合器的數(shù)量和布置位置。

（2）氫氣測(cè)量改進(jìn)方案：在安全殼內(nèi)設(shè)置氫氣濃度測(cè)量?jī)x表，嚴(yán)重事故下由該儀表將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送到主控制室和應(yīng)急控制中心。該類儀表國(guó)內(nèi)已研制成功，不久前經(jīng)過(guò)了專家鑒定。

5 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)運(yùn)行和在建核電廠均考慮了設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故下防氫爆設(shè)計(jì)措施。對(duì)于嚴(yán)重事故下的防氫爆措施，我國(guó)運(yùn)行中的嶺澳二期、秦山二期擴(kuò)建、田灣1&2號(hào)機(jī)組、紅沿河1號(hào)機(jī)組、寧德1號(hào)機(jī)組和在建的二代改進(jìn)型核電機(jī)組、AP1000、EPR均設(shè)置了用于嚴(yán)重事故下的消氫設(shè)備，滿足國(guó)際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)和我國(guó)核安全法規(guī)的要求；在福島核事故前不滿足要求的其它核電項(xiàng)目按照《通用技術(shù)要求》已陸續(xù)完成改進(jìn)，將能有效應(yīng)對(duì)氫氣爆炸的威脅。

福島核事故雖然暫時(shí)影響到我國(guó)目前核電發(fā)展的速度，但我國(guó)發(fā)展核電的決心和政策是不會(huì)變的。我們應(yīng)加大核電安全基礎(chǔ)研究的投入，包括防氫爆的研究，為核電安全發(fā)展保駕護(hù)航。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄧堅(jiān).大型干式安全殼嚴(yán)重事故條件下氫氣控制研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2008.

[2] 國(guó)家核安全局.核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定[Z].北京，2004.

[3] 福建福清核電有限公司.福清核電廠1、2號(hào)機(jī)組PSAR第6.2節(jié)[Z].福建，2008.

[4] 三門核電有限公司.三門核電廠一期工程1、2號(hào)機(jī)組PSAR第6.2節(jié)[Z].浙江，2008.

[5] 臺(tái)山核電有限公司.臺(tái)山核電廠1、2號(hào)機(jī)組PSAR第6.2節(jié)[Z].廣東，2008.

[6] 國(guó)家核安全局.福島核事故后核電廠改進(jìn)行動(dòng)通用技術(shù)要求（試行）[Z].北京，2012.endprint