AP1000安全殼氫氣控制系統分析

張秉卓

摘 要：氫氣控制系統是在嚴重事故工況下保證安全殼完整性的重要措施之一。該文以AP1000安全殼氫氣控制系統為研究方向，介紹AP1000氫氣控制系統，說明AP1000在嚴重事故下氫氣控制有效可靠，滿足第三代核電技術安全標準。

關鍵詞：氫氣控制 AP1000 安全

中圖分類號：TL48 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）06（a）-0070-02

Abstract：Hydrogen control system is an important measure to protect the integrality of containment vessel during severe accident. This paper is to study and introduce AP1000 Hydrogen control system in containment vessel， and its aim is to explain AP1000 technique about Hydrogen control is available and credible during severe accident which satisfies third generation nuclear power safety standard.

Key Words：Hydrogen control；AP1000；Safety

2011年3月11日，日本發生9級地震引發海嘯，福島核電站進水導致失去全部電源，安全殼內氫氣無法正常消除，氫氣燃燒發生爆炸，導致安全殼破裂大量放射性物質外泄。事實再次證明安全殼氫氣控制在嚴重事故下的重要作用。針對嚴重事故下安全殼內氫氣風險控制，國家核安全局頒布的《核動力廠設計安全規定（HAF102）明確要求：必須充分考慮在嚴重事故下控制可能產生或釋放的裂變產物氫和其他物質的措施。該文簡要介紹氫氣產生方式，常規氫氣控制方法，氫氣點火器、非能動氫氣復合器特點，重點分析AP1000氫氣控制系統，說明AP1000在嚴重事故下，可以有效控制安全殼內的氫氣濃度，防止氫氣燃燒發生爆炸，為安全殼的完整性提供保證。

1 氫氣產生方式及控制常規方法

1.1 氫氣產生方式

氫氣產生方式包括：燃料包殼鋯-水反應、水的輻照分解、結構材料的腐蝕和冷卻劑系統中溶解氫氣的釋放，其中起主要作用的是鋯-水反應和結構材料的腐蝕。因AP1000中有專設措施，防止熔融物熔穿壓力容器與結構材料腐蝕產生氫氣，所以只考慮反應堆內的產氫，因此產生氫氣主要來源是燃料包殼鋯合金和水反應生成氫氣。化學方程式：Zr+2H2O→ZrO2+2H2+△H △H是每摩爾鋯氧化反應產生的熱量每1磅（0.454 kg）鋯反應生成8.5標準立方英尺（0.241標準立方米）的氫氣。

1.2 氫氣控制常規方法

在嚴重事故情況下的氫氣控制大致可以分為2種。

（1）稀釋氫氣濃度，控制安全殼內混合氣體成分，避免氫氣可燃。如惰化、稀釋、混合等措施。

（2）減小安全殼可燃氣體成分。如燃燒器、催化復合等。

2 氫氣點火器、非能動氫氣復合器功能及特點

2.1 氫氣點火器功能及特點

核電站發生失水事故或嚴重事故時， 氫點火器迅速啟動，點火器上的加熱元件加熱升溫（可達900 ℃以上），當安裝點火器處氫氣濃度達到可燃濃度4%后，氫氣被點燃。由于點火器啟動時間早，避免氫氣的大量聚集，所以點火器點燃氫氣后，只會形成燃燒而不會產生爆燃或爆炸。在失水事故或嚴重事故中水蒸氣是和氫氣一起釋放的，水蒸氣對氫氣燃燒時能量的傳遞有惰化影響， 從而降低氫氣燃燒的范圍。混合氣體中的水蒸氣濃度越高，點火引起的燃燒過程越溫和，壓力負荷越低。當水蒸氣冷凝后，被水蒸氣惰化的混合氣體在適當的壓力下可以繼續可靠的點燃，從而達到消除安全殼內氫氣的目的[1]。由于氫氣點火器有可靠性高、安裝簡單、檢修便捷、經濟性高等特點被廣泛應用。氫氣點火器目前主要有火花塞型、電擊發型、螺旋線圈型、催化反應型。

2.2 催化復合器功能及特點

催化復合器是利用催化劑使氫氣和氧氣在濃度低于可燃閾值的時候發生化合反應，反應所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。控制安全殼內整體和局部空間中氫氣體積濃度小于4%。在超設計基準事故下，控制100%燃料包殼與冷卻劑反應產生的氫氣在安全殼內均勻分布的體積濃度不超過10%。催化復合器有自動啟動，不需電源和操作、低溫運行，能有效清除惰化后氫氣等特點。

3 AP1000氫氣控制系統概述及安全性分析

3.1 系統組成

安全殼氫氣控制系統（VLS）包括三個子系統：氫氣濃度監測子系統、氫氣復合子系統和氫氣點火子系統，這些系統用于監測、控制安全殼內大氣中的氫氣濃度。

3.2 系統描述

3.2.1 氫氣濃度監測子系統

氫氣濃度監測子系統提供聯系的安全殼空氣中氫氣濃度監測和顯示。氫氣濃度監測為事故后監測和事故后緩解操作的運行評估提供輸入信號。包括3個氫氣濃度探測器，探測器及其相關儀表分布在安全殼穹頂處監測整體氫氣濃度，監測氫氣濃度范圍為0%～20%。氫氣濃度監測器由非1E級電源盒UPS系統供電。主控室可連續顯示氫氣濃度，并提供高氫濃度報警。該傳感器在10 s內就能探測到氫氣濃度變化量的90%。

3.2.2 氫氣復合子系統

氫氣復合子系統適用于失水事故（LOCA）時較慢的氫氣產生速率，即少于1%的燃料鋯包殼與水反應產生氫氣。該系統由兩臺安全相關的PAR組成。PARs安裝在安全殼內高于操作平臺區域，標高分別為162英尺（118.898 m）和166英尺（120.117 m），距離安全殼均為13英尺（3.962 m），布置點位于安全殼均勻混合區域。PAR非常簡單，并且是非能動的，它沒有運動部件，也不需要電源或者其他支持系統，當存在反應物（氫氣）時自動啟動。PARs可使氫氣與氧氣復合。復合過程發生在事故早期階段氫氣積累前。PARs可以在很大范圍內的環境溫度、氣體濃度和蒸汽壓力下正常工作。PARs在發生設計基準事故后，能維持安全殼內較低的氫氣濃度。對于嚴重事故，PARs消除氫氣功能能，為氫氣點火器提供縱深防御能力。endprint

3.2.3 氫氣點火子系統

氫氣點火子系統由布置在安全殼內各處的66個氫氣點火器組成，點火器用于低概率嚴重事故，即100%燃料包殼與水反應產生氫氣。點火子系統為非1E級。點火器的覆蓋范圍、分布和電源供給均使得整個安全殼內和單個隔間內喪失點火器保護的可能性最小。點火器分成由不同電源供應的兩組。點火器的布置原則是在每個隔間或覆蓋區域內每組電源至少有一個點火器。氫氣點火子系統在較低氫氣濃度燃燒（爆燃）氫氣，控制在發生嚴重事故和堆芯融化時氫氣的快速釋放，防止氫氣濃度達到可能發生爆炸的限值。氫氣點火子系統用來應對快速產生大量氫氣的超基準事故，此時氫氣濃度超過氫氣復合器的工作能力。氫氣點火子系統沒有自動啟動功能，電廠控制系統（PLS）和多樣化驅動系統（DAS）對氫氣點火器進行控制和啟動，點火器點燃氫氣保證安全殼濃度低于10%限制。

3.3 安全性分析

AP1000安全殼結構平臺間隔都是大開放空間，并且相互之間的通道相對較大，可以促進平臺以下區域內氣體混合。平臺下所有隔間的頂部都有開口，同時安全殼大氣通過非能動安全殼冷卻引起安全殼內空氣再循環流動，從而消除出現高濃度氫氣區域，使氫氣充分混合，降低濃度，避免因局部氫氣濃度過高發生的爆炸。氫氣控制系統的設計符合10CFR氫氣控制和風險分析規定，具體內容如下。

（1）假定100%活性區燃料包殼金屬-水反應產生的氫氣在安全殼內均勻分布時的濃度低于10%。

（2）若安全殼不是依賴于惰化來控制氫氣，那么安全殼應有足夠的自由容積以保證相當于75%活性區燃料包殼氧化所產生的氫氣均勻分布，且在安全殼大氣干燥條件下的濃度不超過13%。

（3）安全裕度基準要求。設計的安全殼能承受失水事故（LOCA）加75%活性區燃料包殼金屬-水反應產生的氫氣全部燃燒的聯合載荷。

設計基準事故，非能動氫氣復合器可以防止安全殼平均體積濃度超過4%。該限制消除了可燃狀態的可能性。嚴重事故氫氣控制通過分散式氫氣點火子系統的運行，限制安全殼內氫氣濃度[2]。點火促使氫氣濃度在可燃限值和10%體積濃度之間的爆燃，從而防止發生氫氣爆炸。非能動氫氣復合器加氫氣點火器設計是目前最優的氫氣控制方式，可以在設計基準事故或嚴重事故情況下有效控制氫氣，點火器在嚴重事故下氫氣快速釋放達到可燃閾值時，讓氫氣充分燃燒，降低氫氣濃度。氫氣復合器在設計基準時將氫氣濃度保證在4%以下，低于可燃閾值。在嚴重事故中后期，采取氫氣復合器可以在低于氫氣可燃濃度，或者氫氣濃度被水蒸汽惰化的情況下持續有效地消除氫氣。

4 結論

AP1000氫氣控制系統對安全殼內氫氣濃度能夠有效監測。氫氣復合子系統在正常運行、設計基準事故工況下能夠有效控制安全殼氫氣濃度。氫氣點火子系統在嚴重事故工況下快速清除達到可燃閾值的氫氣，同時氫氣復合子系統持續運行，有效控制氫氣濃度。綜上，AP1000氫氣控制系統具有非常高的安全性和可靠性，可以有效控制事故情況下安全殼內大氣的氫氣濃度，防止發生氫氣燃燒爆炸，為安全殼的完整性提供保證。

參考文獻

[1] 肖建軍，周志偉，經滎清.嚴重事故氫氣燃爆緩解措施的初步研究[J].核動力工程，2006，27（2）：64-67.

[2] 山東海陽核電一期工程1&2號機組最終安全分析報告：第6章.endprint