消氫技術在壓水堆核電站中的應用比較

李　坤（中核遼寧核電有限公司 ，遼寧 葫蘆島 125100）

消氫技術在壓水堆核電站中的應用比較

李坤
（中核遼寧核電有限公司 ，遼寧 葫蘆島 125100）

摘要：本文對VVER機組及第三代非能動壓水堆核電機組對消氫技術的應用進行了比較，分析存在的問題并提出了改進建議，可作為國內新建核電廠的設計借鑒。

關鍵詞：VVER；安全殼；設計基準事故；消氫技術； 氫氣點火器； 對比

為保證設計基準事故和嚴重事故期間核電站安全殼的完整性，防止放射性物質進入環境，壓水堆核電機組中都設置了不同的安全殼消氫系統來控制事故工況下安全殼內氫氣的濃度。

1　國內壓水堆核電機組消氫技術應用現狀

在國內壓水堆核電機組安全殼氫氣控制中，二代核電機組依靠移動式能動復合器、二代改進型壓水堆核電機組依靠移動式能動復合器加非能動復合器，而VVER機組和第三代非能動壓水堆核電機組的安全殼消氫技術則相對完善。

2　VVER機組消氫系統

VVER機組安全殼消氫系統由JMU10、JMU20、JMT三個子系統組成。JMU10子系統用于嚴重事故工況下安全殼內氫氣和氧氣濃度的監測；JMU20子系統用于正常運行和設計基準事故工況下安全殼內氫氣濃度的監測；JMT子系統由44個非能動氫氣復合器組成，通過催化反應減小安全殼內的氫氣濃度，保障事故工況時安全殼的氫安全。

圖1　氫氣點火器結構簡圖

2.1 JMU20子系統

JMU20氫濃度分析子系統分布在反應堆廠房內，實現在正常運行工況和設計基準事故工況下對反應堆廠房內氫濃度的連續測量。該子系統最多可達16個測量通道，并且這16個通道可以連接到一個主模件上，JMU20氫濃度分析子系統的測點主要分布在反應堆廠房內氫氣容易產生和聚集的位置，氫氣濃度信號送到主控室和備控室操縱員OM畫面顯示。當待測區域氫氣體積濃度大于4%時，主控室和備控制室的OM上同時給出報警信號，提醒操縱員及時采取措施防止氫氣濃度上升達到爆炸極限。

2.2 JMU10子系統

JMU10系統配置有13塊氫表和8塊氧表，正常運行時JMU10不投入。當發生嚴重事故時，投入JMU10用于檢測氫氣和氧氣濃度，JMU10由專門用于嚴重事故時的XKA70移動式柴油機帶載，保證了嚴重事故時VVER機組具備氫氣監測能力。測量結果能同時在主控室和備控室得到顯示和記錄，為操縱員提供了良好的信息支持。

2.3 JMT子系統

JMT子系統由44個非能動催化復合器（PAR）組成，用于燃燒掉事故工況下安全殼內的氫氣，使安全殼內氫氣濃度降低，保障噴淋系統運行期間的氫安全。

2.3.1 非能動催化復合器（PAR）的工作原理

PAR的核心部分是催化板，催化板的材料為不銹鋼，其外面包著一層氧化鋁，氧化鋁上面粘著催化劑（鉑/鈀）。催化劑的主要成分是鉑，鈀是為了加快在低溫下反應的初始速度而涂在板上的。催化反應步驟：第1步，大量的H2和O2從蒸汽中通過邊界層進入催化劑表面；第2步，H2和O2進入內部毛孔結構的活性中心；第3~5步，在表面反應產生水；第6步，水從內部多孔結構擴散到催化劑表面；第7步，大量的水從催化劑表面通過邊界層進入安全殼內。

2.3.2 非能動催化復合器（PAR）在事故工況下的運行

JMT子系統的44個氫氣復合器有兩種型號，16個FR1-750T，每個含有75塊催化板；28個FR1-1500T，每個含有150個催化板。當發生超設計基準事故時，在安全殼內氫氣濃度高于2%體積濃度時氫氣復合器開始工作，在氧氣濃度低于5%體積濃度時停止工作，不需要外部電源和控制設備。氫氣復合器工作環境壓力小于等于0.7MPa，工作環境溫度在150℃之下（設計基準事故）和250℃之下（超設計基準事故），在濕度100% 的環境下能正常運行。

3　第三代非能動壓水堆核電機組消氫系統

第三代非能動壓水堆核電機組設置了安全殼氫氣控制系統（VLS），該系統包括3個氫氣濃度監測器、2個非能動自動催化復合器（PAR）以及布置在安全殼容器內的66個氫氣點火器。

3.1氫氣濃度監測

正常運行時，氫氣濃度監測子系統監測安全殼內的氫氣濃度，該系統由三個非1E級的氫氣傳感器組成，這些傳感器安裝在安全殼穹頂上部以監測總體氫氣濃度，對安全殼總體氫濃度的變化能作出快速靈敏探測，響應時間為10秒內能探測到90%的氫氣濃度。

3.2 設計基準事故下的氫氣控制

設計基準事故下，兩臺PAR能適應預期的氫氣產生率，將安全殼內的氫氣濃度控制在小于4%的安全限制內。PAR安裝在安全殼內高于操作平臺的區域，標高分別為162英尺（49.38 m）和166英尺（50.6 m），布置點位于安全殼內均勻混合區域。此外，PAR的布置遠離了可能的蒸汽快速向上流動區域。

第三代非能動壓水堆核電機組PAR的工作原理同VVER核電機組一致。在發生設計基準事故期間，只需一套PAR運行，就能提供足夠的能力來維持氫氣濃度低于4%限值。

3.3 超設計基準事故下的氫氣控制

而對于超設計基準事故，第三代非能動壓水堆核電機組需應用氫氣點火子系統。

3.3.1 氫氣點火器的布置

氫氣點火器共66個，布置在安全殼內各個可能的氫氣釋放區域、流通區域或可能積累的區域，在每個封閉區域至少安裝有兩個點火器，減少了安全殼或單獨隔間內點火器可能出現的功能失效。

為了使氫氣點火器點燃時減小對安全殼殼體的沖擊，氫氣點火器需要布置在遠離安全殼殼體的位置。可以采用混凝土墻作為實體上的隔離，使氫氣燃燒產生的擴散火焰不會傳播到安全殼殼體，從而不會對安全殼完整性產生沖擊。為了在安全殼水淹工況下能夠繼續發揮消氫能力，氫氣點火器需要盡量布置在安全殼淹沒水位以上。

3.3.2 氫氣點火器的工作原理

第三代非能動壓水堆核電機組氫氣點火器為Tayco線圈式點火器，依靠點火頭產生的高溫點燃局部氫氣，使氫氣在低濃度下可控燃燒。圖1為線圈式氫氣點火器的結構簡圖。正常啟動情況下，外部電源通過連接電纜給氫氣點火器自身攜帶的螺旋線圈持續供電，螺旋線圈始終保持在高溫狀態。當嚴重事故發生時，安全殼內高濃度氫氣與螺旋線圈接觸，將其點燃使其快速消除。低靜態時可以點燃氫氣濃度5.5%的混合氣體，氣體攪混時可以點燃氫氣濃度為4.5%的混合氣體。

在氫氣點火器運行期間，安全殼壓力直接影響觸發氫氣點火器時擴散火焰對安全殼沖擊的大小，安全殼壓力越高，擴散火焰沖擊越大。因此在觸發氫氣點火器前，操縱員應設法通過安全殼排氣來降低安全殼壓力。同時還需要確認安全殼內氫氣濃度低于10%，如果在大于10%高氫氣濃度情況下觸發氫氣點火器，可能會引起安全殼內氫氣爆燃，嚴重影響安全殼完整性。

3.3.3 氫氣點火器的供電方式

點火器分成兩組分別由不同電源供電，每組33個，每個耗能145W。正常情況下，每組電源都由廠外電源供應；當喪失廠外電時，每組電源由廠內非IE級的柴油機中的一臺供應；當柴油機也不可用時，由非1E級的蓄電池為每組提供大約4小時的點火運行支持。

4　比較與分析

從傳統二代核電機組到第三代非能動核電機組，消氫技術的應用是個逐步優化完善的過程，但仍然存在一些問題。

4.1 氫氣監測存在的問題

第三代非能動壓水堆核電機組氫氣濃度監測儀由非1E級電源和UPS系統（EDS）供電，發生全廠斷電事故時，蓄電池僅能供電2小時；而VVER機組的JMU10子系統由專門用于嚴重事故時的XKA70移動式柴油機帶載的，保證嚴重事故時VVER機組具備氫氣監測能力，且設置了13塊氫表。故在第三代非能動壓水堆核電機組自主化設計進程中，建議將氫氣濃度監測儀改由抗震級的1E級電源和UPS系統（IDS）供電、增加氫表數量，并增加用于嚴重事故下的移動電源接口。

4.2 氫氣復合器設置問題

傳統二代壓水堆核電機組移動式復合器增加了安全殼旁通的可能性；同時沒有考慮超設計基準事故下安全殼的氫氣控制，必須加以改進。可借鑒VVER機組消氫系統的設計在安全殼內布設適當數量的非能動氫氣復合器；并同時借鑒第三代非能動壓水堆核電機組經驗，只把兩臺復合器定為安全相關級，其余屬于非安全級，既保證了足夠的消氫能力，又可節省投資。

4.3 氫氣點火器存在的問題

全廠失電事故發生后，操縱員需要掃掉EDS上的其它負荷，來保證氫氣點火器4小時供電，但以福島核電站事故為例，在喪失廠內外和柴油機電源4天后，仍發生氫氣爆燃。第三代非能動壓水堆核電機組的控制氫氣點火器的控制系統均由EDS供電，EDS蓄電池僅能在全廠失電時保證工作2小時，之后氫氣點火器將失去多樣化控制手段。

針對上述兩個問題，在第三代非能動壓水堆核電機組自主化設計中，首先應保證氫氣點火器具備就地觸發能力；并考慮增加氫氣點火器、控制系統供電電源蓄電池的容量，增加EDS用于嚴重事故下的移動電源接口；或者將氫氣點火器、控制系統改由1E級電源和UPS系統IDS供電，將IDS擴容。

結語

傳統二代核電機組相比第三代非能動壓水堆核電機組而言，必須做出很大的改進才能滿足氫氣的連續監測和超設計基準事故下的安全殼氫氣控制。第三代非能動壓水堆核電機組在消氫技術的應用上更為先進，建議在后續的自主化設計中對氫氣監測儀表和氫氣點火器的供電電源等問題上進行改進。

參考文獻

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中圖分類號：TM623

文獻標識碼：A