日本福島事件對核電廠氫氣控制的幾點啟示

摘 要：本文通過對福島事件進行綜述，對現有的核電廠氫氣控制法規規范要求、氫氣控制系統設置、氫氣控制設備等方面進行調研，在此基礎上，得出了福島事件對核電廠氫氣控制的幾點啟示。

關鍵詞：福島事件；氫氣控制

1. 引言

2011年3月11日下午，日本東北部太平洋海岸發生的大地震和引發的海嘯襲擊了福島第一、第二核電站，隨后爆發了規模和時間空前的核事故，稱為福島事件。福島核電站四個機組的反應堆廠房相繼發生氫氣爆炸，使得放射性物質大量釋放至環境，且引起公眾極大的恐慌。因此，繼三里島事故后，如何控制嚴重事故后產生的氫氣從而保證安全殼的完整性再一次引起核電行業的重點關注。

本文通過對福島事件進行綜述，對現有的核電廠氫氣控制法規規范要求、氫氣控制系統設置、氫氣控制設備等方面進行調研，在此基礎上，得出了福島時間對核電廠氫氣控制的幾點啟示。

2. 福島事件簡介

2011年3月11日下午，日本東北部太平洋海岸發生的大地震和引發的海嘯襲擊了東京電力公司(TEPCO)所屬的福島第一、第二核電站。由于大地震和海嘯導致福島核電站全廠斷電，隨后爆發了規模和時間空前的核事故，以下簡稱福島事件。下面先簡單介紹一下福島事件的發展過程，福島事件發展示意圖見圖1。

3月11日地震前，福島第一核電站1~3號機組處于功率運行狀態，4~6號機組處于停堆檢修狀態。其中4號機組正進行改造，壓力容器內所有核燃料已卸載至乏燃料池。

地震后，福島第一核電站1~3號機組自動停堆。福島第一核電站6個機組的外部電源由于地震全部喪失，應急柴油發電機自動啟動。但是隨后的海嘯淹沒了所有應急柴油發電機（除6號機組的一臺應急柴油發電機外），并且淹沒了所有海水泵房。

對于福島第一核電站1~3號機組，由于失去全部交流電源，堆芯冷卻功能喪失，最終導致燃料裸露、堆芯熔化的嚴重事故。事故期間，鋯水反應產生大量氫氣，在壓力容器卸壓時，放射性物質和氫氣被排放到安全殼。在濕井向安全殼排氣后，從安全殼泄漏的氫氣相繼引起1 號、3號、2號機組反應堆廠房上部區域發生爆炸，反應堆廠房被損壞，導致大量放射性物質進入環境大氣。福島第一核電站1~3號機組爆炸示意圖見圖2。

對于福島4號機組，在地震前已將所有堆芯燃料卸入乏燃料池。然而，由于3號機組排氣管在到達排放煙囪前并入到4號機組的排氣管，3號機組產生的氫氣通過排氣管泄漏至4號機組反應堆廠房，導致4號機組反應堆廠房也發生了爆炸。

對于福島核電站，雖然設計有針對設計基準事故的安全殼惰化氫氣控制系統，能夠在設計基準事故中保持安全殼的完整性。但是福島核電站沒有設計針對嚴重事故的氫氣控制系統，也沒有在反應堆廠房設計氫氣控制系統。所以，福島核電站四個機組的反應堆廠房相繼發生氫氣爆炸，使得放射性物質大量釋放至環境，且引起公眾極大的恐慌。因此，繼三里島事故后，如何控制嚴重事故后產生的氫氣從而保證安全殼的完整性再一次引起核電行業的重點關注。

3. 現有核電廠氫氣控制調研

嚴重事故后，堆芯退化期間鋯水反應、壓力容器下封頭失效后堆芯熔融物與安全殼底板混凝土的反應將產生大量的氫氣，一旦安全殼內的氫氣濃度積累到一定數值時，就可能引起爆燃或爆炸。當爆燃或爆炸產生的溫度負載或壓力負載超過安全殼的結構設計能力時，就可能造成安全殼失效，導致放射性物質大量釋放至環境。從20世紀末，新建核電廠引入了針對嚴重事故的氫氣控制系統。本節將從氫氣控制的法規規范要求、氫氣控制系統設置、氫氣控制設備等方面進行調研和綜述。

3.1 現有法規規范要求

HAF 102 -2004《核動力廠設計安全規定》第6章規定：1）必須考慮嚴重事故下保持安全殼完整性的措施，特別是必須考慮預計發生的各種可燃氣體的燃燒效應；2）必要時，必須設置用以控制可能釋放到反應堆安全殼內的裂變產物、氫、氧和氣體物質的系統，借以控制設計基準事故下安全殼氣體中的氫或氧和其他物質的濃度，以防止可能危及安全殼完整性的爆燃或爆炸；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。

10CFR50.34、50.44、RG1.7-2007等規定：所有的安全殼要么被惰化；要么能限制安全殼內的氫氣濃度，即在事故期間及以后，相當于100%燃料包殼-冷卻劑反應產生的氫氣均勻分布時的濃度小于10%，必須能維持安全殼結構的完整性。

3.2 現有核電廠氫氣控制系統設置

從20世紀末，新建核電廠一般都設置了針對嚴重事故后的氫氣控制系統；而大部分老的核電廠，沒有設置針對嚴重事故的氫氣控制系統。部分核電站氫氣控制系統的設置見表1。

3.3 現有核電廠氫氣控制設備

目前，國際上最常見的核電廠氫氣控制設備（消氫設備）有氫復合器和氫點火器。

3.3.1 氫復合器

氫復合器主要有兩種：安全殼內的非能動自催化氫復合器和安全殼外的集中能動式高溫催化復合器。安全殼外的集中能動式高溫催化復合器僅用于設計基準事故，很多在役核電站都設有這種類型的復合器，如秦山一期、秦山二期和大亞灣等核電站。現在新建的核電站一般使用安全殼內的非能動氫復合器，可以用于設計基準事故和嚴重事故。

如圖3所示，非能動氫復合器由一個金屬外殼以及許多平行豎立在底部的催化劑（活性組分主要為：鉑和/或鈀）組成。當釋放入安全殼內的氫氣經過復合器的催化活性表面時，氫氣和氧氣在催化劑的作用下，在較低溫度及濃度時就發生反應生成水。反應產生的熱量導致復合器下部的混合氣體密度較低，這引起強大的浮力作用。由于浮力作用，熱空氣離開復合器時又會引起強大的對流作用（煙囪效應），增加周圍氣體混合物進入復合器，從而提高復合器的復合效率；同時也促進了安全殼內大氣的混合。

●非能動氫復合器有如下優點：

●非能動，不需要電源供應或人員干預；

●在氫濃度達到燃燒限值前去除氫氣；

●在高蒸汽濃度（即使蒸汽濃度＞55%，即蒸汽惰化）去除氫氣；

●能增加安全殼內的對流和自然循環。

不過，非能動氫復合器也有以下缺點：

●催化劑可能中毒；

●不能快速緩解氫濃度峰值。

3.3.2 氫點火器

氫點火器主要有三種類型：電熱塞型、螺旋線圈型、電擊發型、催化反應式。各種類型氫點火器示意圖見圖4，它們各有優缺點，見表2。各類點火器利用不同的原理激活點火元件，使氫氣混合物在較低濃度時持續可控地燃燒，以消除安全殼內的氫氣。在安全殼內預置一些點火器能有效快速緩解局部地區所釋放氫氣峰值。不過點火器也存在如下缺點：

●蒸汽高濃度時（一般為50%）無效；

●持續使用壽命有限；

●多次燃燒后引起局部高溫、燃燒延遲；

●如果布置的位置不對，則有可能成為引發氫氣爆炸的點火源，對安全殼產生負面影響。

4. 福島事件啟示

綜合福島事件的發展過程以及現有核電廠氫氣控制的調研，可以有以下幾點啟示：

●所有的核電站，包括已建和新建的核電站，都必須設置針對嚴重事故的氫氣控制系統。若已建核電站沒有設置針對嚴重事故的氫氣控制系統，則必須進行改造。

●考慮可能會發生類似福島的全廠斷電事故，建議安全殼內布置一些不需要電源支持的非能動氫復合器和催化反應式的點火器。

●建議同時采用安全殼內非能動氫復合器和點火器，即采用多樣化的氫氣控制手段，提高氫氣控制的可靠性。并且，消氫設備至少為抗震II類。

●考慮到福島3號機組的氫氣通過排氣管泄漏至4號機組，導致4號機組反應堆廠房爆炸。因此，需關注各核電站通氫管道的布置和設計，包括正常通氫管道和事故后通氫管道，防止各管道間氫氣相互泄漏或氫氣泄漏至管道布置所在的房間，并且設置測氫儀表及時發現氫氣泄漏。

●設置可靠的氫氣監測儀表，測量事故后安全殼內的氫氣濃度。

參考文獻

[1]HAF102-2004核動力廠設計安全規定

[2]RG1.7-2007安全殼內可燃氣體濃度的控制

作者簡介：

宋春景(1979-)，女，碩士。2004年7月畢業于上海核工程研究設計院的核能科學與工程專業。現從事工藝系統設計工作。