AP1000事故情況下的氫氣控制

田立國（三門核電有限公司，浙江三門 317112）

AP1000事故情況下的氫氣控制

田立國
（三門核電有限公司，浙江三門 317112）

壓水堆核電站在事故情況下，氫氣往往成為威脅安全殼完整性的主要因素。AP1000主要采用了非能動自動催化氫氣復合器（PAR）加氫氣點火器的控制方法，并輔以安全殼空間稀釋、安全殼排氣和蒸汽惰化來防止可能產生的氫氣爆炸，從而達到在設計基準事故和嚴重事故下控制氫氣的目的。

AP1000 安全殼 氫氣控制 設計基準事故 嚴重事故壓水堆核電站在事故情況下，氫氣往往成為威脅安全殼完整性的主要因素。2011年日本福島事故中即是因為反應堆失去冷卻，燃料燒毀，大量氫氣釋放到反應堆廠房內，氫氣濃度超過限值，4臺機組接連發生反應堆外廠房爆炸，導致放射性物質釋放到環境中。

AP1000作為第三代核電技術，設置了專門的安全殼氫氣控制系統，并在具體的應急運行規程和嚴重事故管理導則中給出了設計基準事故和嚴重事故條件下，各種控制安全殼內的氫氣濃度方法，以便在事故情況下保障安全殼的完整性。

1　事故情況下安全殼內的氫氣來源

發生事故后，安全殼內氫氣來源及產生方式主要有：

（1）燃料包殼的鋯水反應。LOCA或者嚴重事故期間，堆芯喪失冷卻，燃料元件的溫度升高甚至熔化，燃料包殼與周圍的冷卻劑或者水蒸氣發生鋯水反應，產生H2。燃料包殼的鋯水反應方程式如下：

Zr+2H2O→ZrO2+H2+熱量

（2）堆芯-混凝土反應。在發生嚴重事故情況下，堆芯熔化，熔化的堆芯可能會向下熔穿壓力容器底部，造成壓力容器失效，堆芯熔融物與安全殼內的混凝土發生反應也將產生大量的H2，產生的氫氣量與安全殼內混凝土底板的成分密切相關。

（3）水的輻照分解。水的輻照分解產生氫氣的速率取決于冷卻劑吸收能量的速率，總的輻照分解反應方程式如下：

（4）結構材料的腐蝕。事故后，安全殼內可能由于鋁、鋅等金屬與冷卻劑作用，腐蝕產生氫氣。腐蝕反應方程式如下：

（5）反應堆冷卻劑系統中溶解氫的釋放。在電廠正常運行期間，核電站向一回路冷卻劑中添加高壓氫氣以抑制水的輻照分解，事故后溶解于反應堆冷卻劑中的氫氣也會向安全殼大氣釋放。

在發生嚴重事故后，假設100%的燃料包殼與水或水蒸氣發生反應，在這種情況下，盡管也會由于輻照分解和腐蝕產生氫氣，但鋯水反應是安全殼內氫氣的主要貢獻者，產生的氫氣主要從第四級自動泄壓系統和反應堆冷卻劑系統破口處向安全殼釋放。就AP1000而言，100%活性區鋯包殼與水反應產生的氫氣量約為788kg。當堆芯滯留系統失效導致發生堆芯熔融物與混凝土發生反應時，也將產生大量的氫氣，導致產生的氫氣總量將超過100%燃料鋯水反應的產氫量。

2　安全殼內氫氣控制

在發生事故后，產生的氫氣與安全殼內的空氣混合，根據H2濃度的不同，會產生兩種不同的反應。一種為燃燒，當H2濃度達到4%的燃燒下限時，H2與O2發生燃燒，燃燒時火焰前沿的傳播速度為亞音速；另一種為爆炸，爆炸是傳播速度超過聲速的燃燒，當高濃度的H2和O2充分混合后遇到點火源就會發生爆炸。爆燃爆炸轉變（DDT）認為是AP1000安全殼內唯一可能造成爆炸的機理。在Sandia的FLAME試驗裝置已經測得發生DDT的最低氫氣濃度為15%，而且美國聯邦法規10CFR50.44要求限制氫氣濃度小于10%，因此如果氫氣濃度小于10%，對安全殼整體來說，發生DDT的可能性為零。此外，氫氣燃燒濃度與空氣中的水蒸氣的濃度有關，水蒸氣的濃度越大，燃燒或者爆燃的所需要的H2濃度就越大，水蒸氣相當于H2燃燒的惰化劑。

根據氫氣的燃燒特性，AP1000主要采用了非能動自動催化氫氣復合器（PAR）加氫氣點火器的控制方法，并輔以安全殼空間稀釋、安全殼排氣風和蒸汽惰化等方法來防止可能產生的氫氣爆炸。

2.1安全殼的稀釋作用

AP1000安全殼的自由容積為58331m3，相比反應堆功率相同的壓水堆核電廠明顯增大。自由容積的增大為氫氣的稀釋和安全殼內的降壓提供了有利條件。另外AP1000反應堆廠房在設計時考慮了設備及間隔的布置，防止局部區域氫氣濃度聚集。

2.2非能動自動催化氫氣復合器

針對設計基準事故，系統設置了兩臺安全級的非能動自動催化氫氣復合器（PAR）。PAR的結構非常簡單，并且沒有能動部件，也不依賴電源或者其他支持系統，當存在反應物（氫氣和氧氣）時自動啟動。在有鈀之類的催化金屬存在時，即使在溫度低于（0℃）時“催化燃燒”也能發生并且不受惰化環境的影響。

當催化劑保持干燥時，只要氫氣、氧氣存在，PAR就立即開始復合。如果催化劑材料是濕的，那么PAR的啟動會有短暫延遲。相對于設計基準事故后，PAR必須控制氫氣積累的時間（幾天至幾周），其延遲時間是很短的。在事故早期，可燃氣體濃度形成之前，復合過程能在室溫或升高的溫度下發生。PAR在大范圍的環境溫度、反應物濃度和蒸氣惰性（蒸氣濃度大于50%）時均有效。PAR安裝在安全殼內高于操作平臺的區域，布置點位于安全殼內均勻混合區域并且遠離了可能的蒸汽快速向上流動區域，如環路間隔上方氣團上升區域。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。事故后長期恢復階段，可繼續通過PAR的運行將使氫氣濃度減少到約0.3%。

2.3氫氣點火器

設計基準事故假設只有1%的包殼發生鋯水反應，可以通過PAR將氫氣濃度降低到安全值以下。當發生嚴重事故時，氫氣的產生率可能大大超過氫氣復合器能力，從而導致安全殼內氫氣濃度快速上升并可能超過可燃濃度限值。此時復合器已不能滿足要求，對此AP1000設置了氫氣點火器。

AP1000核電廠共設置了66個氫氣點火器，布置在安全殼內可能的氫氣釋放區域、流通區域或可能積累的區域。為了防止氫氣點火器單一故障導致局部區域喪失消氫能力，在需要布置點火器的氫氣潛在釋放區域或間隔，以及安全殼封閉區域內都至少布置了2個氫氣點火器。氫氣點火器布置在遠離安全殼殼體的位置，采用混凝土墻作為實體上的隔離，防止擴散火焰加速對安全殼殼體的沖擊。氫氣點火器的布置充分考慮了安全殼內的構筑物結構、氫氣的燃燒特性以及氫氣燃燒對周圍構筑物和設備的影響。

氫點火器分成兩組，每組33個，由不同電源序列供電。由于點火器專門應用于嚴重事故，因此為非安全級設備。正常情況下，每組電源都由發電機或廠外電源供應；當發電機和廠外電源喪失時，每組電源分別由廠內非IE級的備用柴油發電機中的一臺供電；當備用柴油發電機也不可用時，由非1E級的蓄電池組為每組點火器提供大約4小時的點火運行支持。

點火器無自動驅動設置，需要操縱員根據電站狀態手動投入。點火器可通過反應堆控制系統（PLS）、多樣化驅動系統（DAS）以及就地的氫氣點火器控制盤上手動驅動，三種不同的驅動方式，最大程度上保證了成功觸發氫氣點火器。

根據計算分析，如果按照應急運行規程（EOP）和嚴重事故管理導則（SAMG）的指導，氫氣點火器能夠成功動作，可以在嚴重事故時將安全殼內的氫氣濃度限制在低于10%的氫氣濃度，防止氫氣濃度達到爆燃爆炸轉變（DDT）點。

2.4安全殼惰化和排氣

在實際事故進程中，可能由于點火器失效或其他原因，導致在事故初期點火系統未能啟動，而在事故發生后某個時刻才恢復運。在這期間，如果發生堆芯熔化和堆芯混凝土反應，安全殼內的氫氣濃度可能會超過10%甚至是15%。在這種條件下，如果在安全殼內有點火源出現而導致氫氣爆炸，將嚴重威脅安全殼的完整性，進而可能導致大量的放射性物質釋放，造成嚴重后果。

根據經驗數據，當安全殼內蒸汽濃度超過53%時空氣將被惰化，安全殼氫氣將不會燃燒。因此當安全殼氫氣濃度進入安全殼嚴重威脅區域時可通過蒸汽惰化來防止氫氣爆炸。安全殼惰化需要停止或減低安全殼冷卻系統及噴淋系統的運行，以提高蒸汽濃度，同時應停止氫氣點火器、安全殼內冷卻風機及安全殼內所有電動閥門的運行以防止氫氣爆炸。

此時，為了降低安全殼內的氫氣總量，AP1000提供了安全殼排氣功能。通過排出安全殼內的部分含氫氣體，退出嚴重威脅區域，從根本上緩解對安全殼的嚴重威脅。共有2條排氣通道可供選擇，在可用的前提下，其按優先級排序如下：

（1）正常余熱排出系統通過乏燃料水池吸入管線排氣

（2）安全殼通風排氣管線

決策制定者可根據事故時電廠的狀態，進行充分評估后選擇一條排氣通道。此外，非能動自動催化氫氣復合器在持續運行，也可通過長期的非能動催化復合過程降低氫氣濃度。

3　結語

AP1000的氫氣控制系統能夠實現對安全殼內的氫氣控制。在發生設計基準事故時，通過非能動氫氣復合器能有效的減少氫氣濃度，防止氫氣濃度達到燃燒限值；當發生嚴重事故情況時，可以通過氫氣點火器在氫氣濃度達到爆炸極限之前就使氫氣燃燒，從而防止氫氣爆炸；在發生嚴重事故同時點火器失效的情況下，通過蒸汽惰化和安全殼排氣，亦能確保安全殼的完整性。

［1］林千，周全福.AP1000核電廠氫氣點火器功能分析［J］.原子能科學技術，2012，01，46（01）.

［2］肖建軍，周志偉，經榮清.基于火焰加速和燃爆轉變準則的氫氣點火安全性研究［J］.原子能科學技術，2006，09，40（05）.