淺析秦山第二核電廠事故情況下安全殼消氫

王超+要巍

【摘 要】在輕水堆核電廠嚴(yán)重事故進程中，鋯合金包殼與水或水蒸汽產(chǎn)生大量的氫氣，并通過反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力邊界或壓力容器破口釋放到安全殼中。當(dāng)氫氣的濃度超過可燃濃度限值4%時，則可能發(fā)生燃燒，甚至爆炸。這將會引起安全殼超壓和溫度升高，從而對安全殼的完整性構(gòu)成威脅，放射性裂變產(chǎn)物因此可能釋放到環(huán)境中，造成嚴(yán)重后果。為了減小事故狀態(tài)下氫氣的威脅，目前國際上通常采用氫氣復(fù)合器或氫氣點火器等裝置來降低氫氣濃度。本文通過分析秦山二廠在事故狀態(tài)下的氫氣濃度變化，指出其在該領(lǐng)域的現(xiàn)狀以及存在問題，并提出一些可行性建議，對核電廠的技術(shù)改造具有一定的借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】安全殼；氫氣來源；消氫裝置；氫氣復(fù)合器

0 引言

從福島核電廠爆炸可以看出核電廠嚴(yán)重事故下，氫氣在安全殼內(nèi)可能發(fā)生快速的燃燒或者爆炸，產(chǎn)生較大的溫度和壓力載荷，破壞安全殼的完整性。為監(jiān)測和消除安全殼內(nèi)的爆炸風(fēng)險，有必要采用一套安全殼內(nèi)的氫氣控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)在安全殼內(nèi)堆芯分解或熔化的情形下，能夠采取措施限制安全殼內(nèi)的氫氣濃度，從而避免安全殼整體發(fā)生危險。

能夠?qū)е聡?yán)重事故的始發(fā)事件非常多，表1列出了以秦山二廠為分析對象，在一回路冷段大破口失水（LB-LOCA）、小破口失水（SB-LOCA）和全廠斷電（SBO）嚴(yán)重事故序列中與氫氣風(fēng)險有關(guān)的一些重要參數(shù)的計算結(jié)果。

注：T表示達(dá)到100%鋯-水反應(yīng)產(chǎn)氫量（695 kg）的計算時刻，LB-LOCA、SB-LOCA、SBO分別為321 min、730 min和710 min.

可以看出，由于LB-LOCA事故的堆芯熔化進程很快，其鋯水反應(yīng)和氫氣產(chǎn)生的速率也最快，在約312 min時，釋放到安全殼內(nèi)的氫氣質(zhì)量相當(dāng)于反應(yīng)堆材料100%鋯-水反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣總質(zhì)量。相對于LB-LOCA事故，SB-LOCA和SBO的堆芯熔化進程較慢，產(chǎn)生相當(dāng)于100%鋯-水反應(yīng)產(chǎn)氫的時間是730min和710min。但是，在LB-LOCA事故下，不足30%的鋯金屬在壓力容器內(nèi)被氧化，產(chǎn)生201.3 kg氫氣，大部分氫氣是在壓力容器失效之后熔融堆芯與混凝土材料反應(yīng)的過程中產(chǎn)生的。SB-LOCA和SBO事故的壓力容器內(nèi)階段分別有60.37%和50.34%鋯金屬被氧化，從而產(chǎn)生418.6kg和349.0kg氫氣。在達(dá)到100%鋯-水反應(yīng)產(chǎn)氫量（695 kg）的計算時間點（T時刻），主要安全殼隔間的氫氣濃度也如表1所示。LB-LOCA事故導(dǎo)致的隔間內(nèi)氫氣濃度最高，破口區(qū)氫氣濃度為9.6%，堆腔氫氣濃度達(dá)到11.1%，穹頂氫氣濃度為9.3%，其安全殼空間的平均氫氣濃度接近10%。而T時刻SB-LOCA和SBO事故導(dǎo)致的隔間氫氣濃度大致相當(dāng)，數(shù)值在7%～8%的范圍內(nèi)。參考美國聯(lián)邦法規(guī)10CFR的氫氣控制和風(fēng)險分析標(biāo)準(zhǔn)：在事故期間及以后，相當(dāng)于100%燃料包殼金屬-水反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣均勻分布時的濃度小于10%，LB-LOCA嚴(yán)重事故導(dǎo)致的氫氣風(fēng)險最高，不排除存在整體性氫氣燃燒甚至爆炸的可能。

1 秦山二廠在嚴(yán)重事故下消氫技術(shù)的現(xiàn)狀

1.1 消氫系統(tǒng)布置

秦山二廠1、2號機組安全分析是以設(shè)計基準(zhǔn)事故為基礎(chǔ)的。所設(shè)置的安全殼內(nèi)大氣監(jiān)測系統(tǒng)（ETY）用于設(shè)計基準(zhǔn)事故工況下安全殼內(nèi)氫氣的消除，并沒有考慮在超設(shè)計基準(zhǔn)事故工況下安全殼內(nèi)氫氣的消除問題。

系統(tǒng)由兩根平行的管線組成，一根運行，一根備用，該管道從安全殼穹頂抽風(fēng)，在一根管道上裝有兩個密封的蝶閥，位于安全殼外側(cè)。100%容量的電動風(fēng)機使空氣從安全殼頂部到下部的循環(huán)，在每臺風(fēng)機的每一側(cè)有一個接管嘴，使用一部可移動的取樣裝置，使之可能通過在兩個管嘴之間循環(huán)的空氣小流量取得空氣樣品，用一根返回管線引導(dǎo)空氣返回到安全殼的下部，這樣進行安全殼大氣的混合和取樣。混合、取樣、監(jiān)測、復(fù)合部分主要用于控制安全殼內(nèi)氫氣濃度。為了連續(xù)監(jiān)測安全殼大氣中氫濃度，配備兩臺氫分析儀001MG、002MG，分別與風(fēng)機001ZV、002ZV 進出端連接，同時氫濃度在主控室顯示。

秦山二廠采用的是典型的抽出式測量法，且系統(tǒng)手冊中明確要求在LOCA以后約1天，當(dāng)安全殼絕對壓力降到0.15MPa以下和溫度80℃以下且安全殼內(nèi)空氣己被混合后，才能進行取樣。測量結(jié)果存在滯后，嚴(yán)重事故工況下高水蒸氣含量對測量結(jié)果有很大影響。另外測量結(jié)果僅能反映殼內(nèi)混合氣體的平均濃度，對于局部氫氣濃度的變化無法判斷。

當(dāng)溫度和壓力條件許可且氫濃度在達(dá)到臨界起爆值 4.1%之前，就要根據(jù)取樣數(shù)據(jù)，啟動氫復(fù)合器，氫濃度在1%和3%范圍內(nèi)時開始復(fù)合。在氫氣復(fù)合器中，空氣被加熱到320℃，然后進入催化床，在鈀催化劑的作用下，空氣與氫氣發(fā)生反應(yīng)生成水蒸汽（2H2+O2→2H2O）。兩臺輕便式氫氣復(fù)合器（ETY 001RV、002RV）平時存放在燃料廠房的K230 和K270 房間。LOCA事故后，移到燃料廠房K212 或K252 房間同風(fēng)機進出口混合管道相接。

可以看出該系統(tǒng)是在設(shè)計基準(zhǔn)事故下將安全殼大氣抽出一部分，使之通過被加熱的金屬媒網(wǎng)，以促使氫和氧化合而達(dá)到消氫的目的。目前的系統(tǒng)其觸發(fā)點為2%左右氫濃度，系統(tǒng)的進風(fēng)口較小（單臺約120m3/h），無法解決氫的局部濃積問題，而分析恰恰表明，氫的局部濃積，在一定隔室內(nèi)燃燒產(chǎn)生火焰加速，是最有威脅性的。此外，移動式氫復(fù)合器體積較大，操作費時費力，還必須考慮采取屏蔽措施減少人員受到的輻照。以及需電源和冷卻水支持，發(fā)生多重故障時將失去功能。因此，有必要采取其它措施以降低安全殼內(nèi)氫氣燃燒產(chǎn)生的風(fēng)險。

1.2 技術(shù)改造

參考田灣核電站及秦山二廠3/4號機組所采取的增加超設(shè)計基準(zhǔn)事故工況下消氫的措施，秦山二廠1/2號機組分別于110和209大修中增設(shè)安全殼消氫系統(tǒng)（EUH），在安全殼內(nèi)布置了23臺（2號機組21臺）非能動氫氣復(fù)合器，用于在超設(shè)計基準(zhǔn)事故工況下將安全殼大氣中的氫氣濃度減少到安全限值以下，從而避免發(fā)生由于氫氣爆炸而導(dǎo)致的第三道安全屏障-安全殼的失效。

設(shè)備采用中國核動力研究設(shè)計院研制的型號為PARQX的非能動氫氣復(fù)合器，分別有PARQX-150和PARQX-75兩種規(guī)格，消氫速率分別為5.36kg/h和2.4kg/h。綜合考慮安裝位置應(yīng)接近氫氣源、防噴淋、氣體易擴散及對流等因素，設(shè)備主要分布在安全殼內(nèi)的環(huán)廊及主泵、穩(wěn)壓器、卸壓箱、安注間、蒸汽發(fā)生器等設(shè)備隔間。當(dāng)安全殼內(nèi)氫氣濃度達(dá)到啟動閾值時（2%氫氣體積濃度）氫復(fù)合器自動啟動消氫，停止閾值為0.5%氫氣體積濃度。

非能動氫氣復(fù)合器在機組運行期間會受到多種因素的影響。表 2 為3 號機組4 臺非能動式氫復(fù)合器對應(yīng)的同一組催化片1個換料周期（1C）前后的消氫效率對比數(shù)據(jù)。

可見經(jīng)過一個換了周期后，催化片的消氫成功時間均有不同幅度的延長，其中運行環(huán)境相對較差的卸壓箱間、蒸汽發(fā)生器間、主泵間催化片消氫成功的時間延長均在10s以上。這主要是受到油污、浮塵及銹蝕等的影響，其中銹蝕容易造成催化片穿孔、破損，影響催化片的使用壽命，過量油污致使催化片在消氫過程中產(chǎn)生煙氣，易對消氫過程產(chǎn)生干擾。因此應(yīng)定期對催化片進行檢查，對臟污的催化片做清掃去污處理，必要時在再生裝置中功能再生甚至更換。

另外由于秦山二廠地處沿海，日常環(huán)境空氣濕度大，對于倉儲時間較長的催化片應(yīng)做好防潮和防油污工作，特別是大修期間催化片的防潮防噴淋問題。

2 存在問題及未來展望

在目前的秦山二廠1/2號機組中，既保留了原有的ETY系統(tǒng)的移動式消氫裝置，用于在設(shè)計基準(zhǔn)事故下的消氫，以保證氫氣濃度低于可燃限值；又借鑒了田灣核電站及擴建機組的經(jīng)驗，增設(shè)了一個新的安全殼消氫系統(tǒng)EUH，在安全殼內(nèi)布置了23（21）臺非能動的氫復(fù)合器用于超基準(zhǔn)事故情況下消氫，以保證氫氣濃度不超出10%。系統(tǒng)手冊中規(guī)定：在設(shè)計基準(zhǔn)事故下，氫氣通過安全殼大氣監(jiān)測與控制系統(tǒng)（ETY）的移動式復(fù)合器去除，但在氫氣含量達(dá)到EUH氫復(fù)合器啟動條件時，非能動氫復(fù)合器也會自動復(fù)合氫氣。

然而這種把兩種消氫方式簡單地捏合在一起的設(shè)計是欠妥的，因為無論在設(shè)計基準(zhǔn)事故下，還是在超設(shè)計基準(zhǔn)事故下，布置在安全殼內(nèi)的非能動氫復(fù)合器總是比移動式的消氫裝置先發(fā)揮其消氫功能，而且在設(shè)計基準(zhǔn)事故下，從一回路中釋放氫氣的速度是很緩慢，安全殼內(nèi)氫氣濃度達(dá)到可燃濃度大約需要50～70天。而一臺非能動消氫裝置的處理能力就至少為2.4kg/h，且在復(fù)合器安全殼內(nèi)布點較多，完全能滿足消氫要求，使氫氣濃度保持在一個非常低濃度水平。如果這時再將投入移動式消氫裝置，只能增加操作人員的額外工作量和受照劑量，是不適宜的。

另外，對于大型干式壓水堆安全殼，它有較大的安全殼體積和較強的壓力承載能力，所以氫氣不太可能在安全殼內(nèi)發(fā)生整體爆炸，更大的威脅是由于局部氫氣濃度過高而產(chǎn)生局部的爆炸。在氫氣釋放率較低的情況下，可以通過在合理的位置適當(dāng)增加復(fù)合器的數(shù)量的方式來有效緩解氫氣。但在特別嚴(yán)重的事故下，可能在短時間內(nèi)釋放大量氫氣，這時僅靠氫氣復(fù)合器來消除氫氣是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。在沒有其他緩解措施的情況下，氫氣將在安全殼內(nèi)聚集，一旦達(dá)到氫氣的可燃濃度，就有可能發(fā)生燃燒，甚至爆炸。

圖1表示在僅有復(fù)合器和有點火器參與時局部氫氣濃度的變化情況。只采用氫氣復(fù)合器時，在0～350s內(nèi)，局部氫氣平均濃度大于4%，最高時達(dá)到22%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了氫氣的可燃濃度下限，在350 s后，氫氣濃度才緩慢降至4%；在采用了復(fù)合器聯(lián)合點火器的措施后，氫氣濃度在極短的時間內(nèi)降低至4%，隨后由于氫氣復(fù)合器的作用，氫氣以比較緩和的方式在房間內(nèi)被消除。

因此，不能以安全殼內(nèi)的最終的氫氣濃度狀態(tài)來斷定只采用氫氣復(fù)合器是否足夠緩解氫氣燃爆風(fēng)險。在事故早期采取點火器可以安全有效地降低氫氣濃度，消除氫氣燃燒爆炸的威脅；在事故中后期，采取氫氣復(fù)合器可以在低于氫氣可燃濃度，或者水蒸氣惰化的情況下持續(xù)、安全、有效地消除氫氣。AP1000堆型具有專設(shè)的安全殼氫氣控制系統(tǒng)VLS，包括3個氫氣濃度監(jiān)測器、2個非能動自動催化復(fù)合器，以及布置在安全殼內(nèi)的64個氫氣點火器，采用主動點火與自動催化相結(jié)合的方式消除氫氣，具有一定的借鑒意義。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]