非能動氫復(fù)合器在核電廠的應(yīng)用

蔣翔　王贊娥　楊剛　陳燦

摘 要：非能動式氫復(fù)合器是秦山第二核電廠（簡稱秦二廠）核島系統(tǒng)中的重要設(shè)備，為日本福島核電事故后，新增的安全殼內(nèi)專設(shè)安全措施，主要在超設(shè)計基準(zhǔn)事故工況下去除安全殼內(nèi)氫氣，當(dāng)安全殼內(nèi)大氣中的氫氣含量達(dá)到一定濃度時，非能動式氫復(fù)合器自動啟動復(fù)合氫氣，以消減安全殼內(nèi)的氫氣含量。該文詳細(xì)介紹了秦山第二核電廠非能動式氫復(fù)合器結(jié)構(gòu)、試驗原理、試驗方法以及失效分析，同時對非能動氫復(fù)合器長期監(jiān)督提出合理建議。

關(guān)鍵詞：氫復(fù)合器 催化板 失效 核電廠

中圖分類號：TL 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（a）-0066-01

在核電廠發(fā)生設(shè)計基準(zhǔn)事故或嚴(yán)重事故時，安全殼內(nèi)將釋放大量氫氣。氫氣濃度積累到一定限值時發(fā)生爆炸，就會破壞第三道屏蔽——安全殼的完整性，導(dǎo)致大量放射性裂變產(chǎn)物向環(huán)境釋放。為了排除危及安全殼完整性的氫爆炸，必須采取可靠措施控制安全殼內(nèi)的氫氣含量，使其濃度低于爆炸限值。秦二廠非能動消氫復(fù)合器的功能是：消除或降低事故工況下安全殼內(nèi)的氫氣濃度，保證核電廠的安全。

1 非能動氫復(fù)合器的機構(gòu)及原理

非能動式氫復(fù)合器結(jié)構(gòu)簡單，它的主要組成部分是殼體和催化板，其它還包括鋼支撐、緊固件、與混凝土或鋼平臺的連接件等輔件。

每一臺非能動式氫復(fù)合器都有一個金屬殼體，其主要作用有以下幾方面。

（1）容納催化板片。催化板安裝在殼體內(nèi)部下方，根據(jù)氫復(fù)合器型號不同，分別安裝了不同數(shù)量的催化板（75片或150片）。

（2）促進(jìn)空氣的自然對流。含氫空氣從殼體下方流入（從而流經(jīng)催化板），消氫后的熱空氣從殼體上部流出。

（3）殼體上部頂蓋可以保護(hù)催化板免受噴淋液腐蝕和空氣中浮塵的沾染。

氫氣和空氣的混合氣體從殼體下部進(jìn)入敞口的氫復(fù)合器后，在催化板片表面發(fā)生氫氧復(fù)合反應(yīng)生成水蒸汽，放出的熱量造成氫復(fù)合器內(nèi)空氣溫度的上升和密度的減小，使空氣上升并最終排出氫復(fù)合器，同時新的含氫混合氣體又被從下部吸入，如此實現(xiàn)循環(huán)自然流動。

決定復(fù)合器實現(xiàn)消氫功能的關(guān)鍵部件是催化板片。催化板片實際上是在很薄的耐高溫的不銹鋼載體上（尺寸290 mm×140 mm）涂了幾層媒介。其中以氧化鋁（Al2O3）作為中間涂層，其上又分別涂了一層鈀（Pd）和一層鉑（Pt），鈀和鉑的比例約為1∶35。鈀和鉑作為催化劑具有不同的催化性能。鈀有較強的催化能力，可以在較低溫度下引起催化反應(yīng)，但是在高溫下容易被氧化。鈀涂于催化板的下部邊緣，是一個寬約1～2 cm的窄條涂層，用于在低溫下快速啟動催化反應(yīng)。鉑則在較高溫度下發(fā)揮出最佳催化作用，它是作為主要的催化劑被涂于催化板的大部分面積上。

催化板殼體的下部有一個抽屜，拉出抽屜可以裝卸催化板，催化板安裝之后把抽屜重新推入殼體。安裝催化板時鈀啟動帶朝向下方，并按編碼順序從左到右緊密排列。根據(jù)PAR型號的不同，每一臺PAR抽屜可以安裝75片（FR1-75T型）或150片（FR1-1500T型）催化板。含氫混合空氣從抽屜下方進(jìn)入，首先接觸強催化作用的鈀層而發(fā)生復(fù)合反應(yīng)并放出熱量。混合氣體繼續(xù)上升至催化板的鉑層，由于此前空氣已被加熱，鉑層的催化作用被激發(fā)，引起更深的復(fù)合反應(yīng)，放出更多熱量，從而使鉑層的催化作用得到全面激發(fā)。催化板在抽屜內(nèi)是緊密排列的，相鄰的兩片催化板之間的間距小于1 cm，所以個別催化板的放熱反應(yīng)即可引起周邊其它板片的連鎖催化反應(yīng)，最后所有催化板的催化作用都被激發(fā)。這種由局部“點燃”全面的催化反應(yīng)過程被形象地稱為“多米諾催化效應(yīng)”。放熱反應(yīng)過程產(chǎn)生自然循環(huán)對流，“冷”混合氣體從殼體下部不斷被吸入，消氫后的熱空氣從殼體上部的排風(fēng)口排出。非能動式氫復(fù)合器自啟動自催化反應(yīng)的基本過程就是這樣形成的。

2 非能動氫復(fù)合器效率試驗方法

為了確保氫復(fù)合器的性能，必須對其進(jìn)行定期對檢查和試驗。在機組每次換料大修期間，選取25%數(shù)量的氫復(fù)合器進(jìn)行試驗（約5～6臺）。每臺參加試驗的氫復(fù)合器隨機抽出相鄰的3片催化板，利用TIRE（試驗設(shè)備）進(jìn)行消氫效率試驗。如試驗結(jié)果不合格，應(yīng)通過TIRE對該復(fù)合器所有的催化板進(jìn)行再生處理，經(jīng)再次試驗合格后可重新投入使用。

消氫效率試驗通過檢查催化板的自啟動性能和消氫能力來驗證其催化活性。試驗是在標(biāo)準(zhǔn)條件下執(zhí)行的，即在一定的溫度、一定的氫氣入口體積濃度和流量下進(jìn)行。將試驗催化板置于TIRE的加熱柜內(nèi)加熱到50 ℃，通以500l/h流量的試驗氣體（空氣中含3%體積濃度的氫氣），通過測量一定時間內(nèi)出口氫氣體積濃度的變化來驗證催化性能。

非能動式氫復(fù)合器消氫效率驗證試驗利用TIRE完成，該設(shè)備具有檢查（Inspection）和再生（Regeneration）兩種工作模式，以實現(xiàn)不同的功能。

TIRE的基本組成如下。

一個可移動小推車，TIRE的其它部分都安置在小車上，可實現(xiàn)整個裝置的自由移動。

兩個具有氣密性的加熱柜，即試驗柜和再生柜。

試驗柜用于消氫效率試驗，由帶密封墊圈的前門、催化板支架、加熱器、溫度傳感器、測氫儀、氣體管路以及控制回路等組成。

再生柜用于對失效催化板的再生處理，由帶密封墊圈的前門、催化板支架、加熱器、溫度傳感器、再生熱交換器、氣體管路以及排氣口組成。

3 非能動氫復(fù)合器的失效模式

催化劑圖層脫落：催化板片在運輸和現(xiàn)場安裝過程，催化劑圖層存在刮擦。目視檢查每一塊板片的催化劑涂層未覆蓋區(qū)域總面積不超過5 cm2，單個催化劑涂層未覆蓋區(qū)域面積不超過1 cm2。板片最左或最右邊的催化劑涂層未覆蓋區(qū)域不會影響催化功能。板片上的個別劃痕是抗磨損性試驗的結(jié)果，是可接受的。如果出現(xiàn)較大面積的催化劑圖層脫落將影響消氫性能。

外界環(huán)境影響：催化劑板片的正常顏色應(yīng)為深灰色，由于制造工藝原因，黑色/灰色/褐色都是可接受的。否則應(yīng)檢查顏色變化原因，如因受污或灰塵所致，可用壓縮空氣吹掃。機組正常運行后，催化板片布置在核島廠房，經(jīng)過多年運行，催化板片存在油污，會導(dǎo)致消氫性能下降。

4 結(jié)語

非能動氫復(fù)合器是核電廠重要的核安全設(shè)備。作為福島事故后，新增的專設(shè)安全設(shè)施，各電廠對于非能動氫復(fù)合器應(yīng)用經(jīng)驗還比較匱乏。各電廠性能試驗之間應(yīng)有效溝通和資源共享，這樣既有利于后續(xù)工作的開展也便于非能動氫復(fù)合器效率試驗的持續(xù)改進(jìn)。

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