三代非能動壓水堆核電機組安全殼內氫氣控制

王大威　李少沛　唐秋月

摘 要：本文論述了三代非能動壓水堆核電機組在設計基準事故及嚴重事故工況下，安全殼內氫氣的控制思路及控制方法。

關鍵詞：三代非能動壓水堆核電機組；氫氣控制；設計基準事故；嚴重事故

1 概述

三代非能動壓水堆核電機組是利用非能動理念發展起來的核電技術。與二代核電相比，三代非能動壓水堆核電機組在設計時不僅考慮了設計基準事故，還考慮了如何預防和緩解嚴重事故，這使得三代非能動壓水堆核電機組更為安全。本文就三代非能動壓水堆核電機組在設計基準事故和嚴重事故工況下，如何控制殼內氫氣做了簡要介紹。

2 設計基準事故下安全殼內氫氣控制

2.1 氫氣來源及危害

設計基準事故下，安全殼內氫氣主要來源于：鋯燃料包殼與水反應，水輻照分解，結構材料的腐蝕以及反應堆冷卻劑系統內溶解的氫氣。當氫氣在安全殼內的體積濃度在4.1%～74.2%之間時，遇火源就會爆炸。殼內氫氣一旦整體爆炸會給安全殼的完整性造成威脅，導致安全殼作為放射性物質外放邊界的功能喪失，進而引起放射性物質釋放，對公眾和環境安全造成威脅。

2.2 設計基準事故下安全殼內氫氣控制

設計基準事故下，三代非能動壓水堆核電機組通過氫氣濃度監測系統、氫氣復合系統、氫氣點火系統對殼內氫氣進行控制。

通過氫氣濃度監測系統，操縱人員可以實時監測安全殼內的氫氣濃度。該系統由1E級的電源供電，這保證了在發生地震等惡劣事件時，系統仍能獲得可靠的電力供給。

氫氣復合系統由兩臺非能動氫氣自動催化復合器組成，通過催化劑使氫氣和氧氣在較低溫度下發生復合反應，達到去除氫氣的目的。

兩臺氫氣復合器被安裝在安全殼內的不同位置。在位置的選擇上氫氣復合器放置于氫氣潛在釋放點的上部，同時確保在自然循環時不處于空氣下降區，而處于自然對流路徑空氣的上升區，這樣利于含氫空氣從復合器的下部入口進入，上部出口排出。氫氣復合器的設計采用了非能動原理，氣體在發生氫氧復合時被加熱，從而形成對流。

三代非能動壓水堆核電機組在安全殼內的不同區域設置了氫氣點火器，當氫氣的產生速度超過復合器的處理能力時，氫氣點火系統投入運行。通過主動引燃局部氫氣，降低殼內整體氫氣體積濃度。

3 嚴重事故工況下安全殼內氫氣控制

核電廠嚴重事故是指：冷卻劑不能有效冷卻堆芯，堆芯內燃料包殼大面積失效，發生大范圍的鋯水反應，應急規程已不能很好地對機組進行控制的運行工況。

嚴重事故工況下對安全殼內氫氣采取的控制分為兩種，一種為氫氣在安全殼內局部位置積累，但尚未達到殼內整體爆炸極限時的控制；另外一種為殼內氫氣整體濃度已經達到爆炸極限時的控制。

3.1 減少安全殼內氫氣

隨著堆芯的裸露，燃料包殼在蒸汽中被氧化，當溫度超過982℃后，氧化反應極為劇烈，產生大量氫氣。氫氣首先在一回路中集聚，進而通過一回路的破口進入安全殼。如不干預，當殼內的氫氣達到4%-6%時將會燃燒，當燃燒引起的殼內壓力上升，超過安全殼的最終設計壓力時，安全殼將被損壞。為了避免這種情況的發生，應及時采取有效措施降低殼內氫氣濃度。

3.1.1 通過局部燃燒的方式降低殼內氫氣濃度

氫氣首先在局部區域聚集，通過輔助計算，當操縱人員及技術支持人員確認主動燃燒氫氣不會對安全殼局部或整體造成威脅時，采用這種方式減少殼內氫氣。

主動燃燒前需確認殼內大氣狀態和點火源。如果殼內大氣處于惰化狀態，氫氣不具備燃燒環境，無法被點燃。此時操縱人員可通過降低殼內壓力的方式，如加大殼內殼外噴淋水流量，破壞殼內大氣的惰化狀態，回復殼內氫氣的可燃性。

殼內氫氣具備燃燒條件后，操縱人員及技術支持人員需選擇合適的點火源。應首選相應位置且具備功能的氫氣點火器，如氫氣點火器不可用，可使用該位置任意類型的電氣設備，如繼電器、電機、閥門電機驅動機構等，通過操作這些設備連續啟停產生電火花引燃氫氣。

點火操作完成后，操縱人員可通過氫氣濃度探測器、殼內溫度、殼內壓力的變化確認點火是否成功。如果氫氣濃度探測器探測到的氫氣濃度無變化，或者殼內溫度、殼內壓力沒有相應升高，則說明點火未成功，操縱人員需選擇其他可能的點火源，重新點火。

3.1.2 通過催化復合的方式降低殼內氫氣濃度

此種控制方式下，氫氣濃度降低速度較慢，只有在確認不能采取主動點燃方式，且通過催化復合在一定時間內可有效降低殼內氫氣濃度時，才考慮使用。

此種控制方式下，采用的設備為非能動氫氣催化復合器。為了防止在此種控制方式下，氫氣意外燃燒，需考慮所有可能引起燃燒的條件。首先，操縱人員通過減少殼內殼外的噴淋流量，保持殼內大氣處于惰化狀態，使氫氣不具備燃燒條件；其次，操縱人員應解除所有氫氣點火器的電源，防止氫氣點火器被意外觸發，同時需對電氣設備的啟停格外關注，防止產生電火花。

3.2 控制安全殼內氫氣的可燃性

當殼內氫氣整體濃度已達到爆炸極限，且一旦氫氣爆炸將必然破壞安全殼的完整性時，需對殼內氫氣的可燃性進行控制。該種工況下，為盡快解除殼內氫氣對安全殼完整性造成的威脅，在控制殼內氫氣可燃性的同時，還應盡快采取必要措施降低殼內氫氣濃度。

3.2.1 識別能夠防止氫氣燃燒的策略

防止氫氣燃燒的主要策略有建立殼內大氣的惰化狀態，使氫氣燃燒喪失條件，以及消除點火源兩種。在安全殼完整性受到威脅時，必須至少具備兩種條件中的一種。采取的方式可以是降低對安全殼的冷卻，建立并維持安全殼內的惰化壓力，以及切斷所有氫氣點火器的電源。

3.2.2 安全殼排氣

在操縱人員及技術支持人員判斷因安全殼排氣導致的放射性物質外泄引起的輻射值，不會超過廠外排放輻射劑量限值，且不會影響殼內大氣惰化狀態時，應盡快采取安全殼排氣操作，以便盡快解除安全殼完整性面臨的威脅。為減少安全殼排氣引起的放射性物質外泄，排氣可經由乏燃料處理系統的管道，使用乏池水洗消安全殼排氣中放射性物質，減少放射性物質的外泄。

4 總結

三代非能動壓水堆核電機組在設計基準事故下采取的氫氣控制方式，以及在預防和緩解嚴重事故方面的考慮，充分展現了其機組的安全性和技術的先進性。相信隨著三代非能動壓水堆核電技術的不斷推廣，我國核電行業的整體安全狀況必將提升至更高的水平。endprint