氫氣催化復合器對核電廠嚴重事故的緩解效果

趙文滔 張海杰 張珊

中圖分類號：TM623 文獻標識：A 文章編號：1674-1145（2018）8-398-01

摘要 發生核電廠嚴重事故時，氫氣燃燒或爆炸會對安全殼的完整性產生嚴重影響，需要采取有效措施降低氫氣風險。本文首先對核電廠嚴重事故的控制管理要求進行簡單分析，進而探討氫氣催化復合器在核電廠嚴重事故控制中的應用以及對氫氣風險的緩解效果。主要采用模型分析方法，通過構建氫氣復合器模型并對其進行計算，得出具體的緩解效果。

關鍵詞 氫氣催化復合器 核電廠 嚴重事故 緩解效果

核電廠的嚴重事故伴隨著安全殼內氫氣的快速累積，進而容易發生燃燒或爆炸。產生的高溫和高壓會討安全殼造成破壞，影響設備可用性。對氫氣風險進行控制直接關系著電廠的安全防御等級和嚴重事故環節能力。在進行設計和運行的過程中，通過采用氫氣催化復合器，可以持續、穩定的消除安全殼內的氫氣，加快氫氣釋放，從而能夠降低氫氣風險。

一、核電廠嚴重事故控制管理要求

出于生產安全的要求，在核電廠運行過程中，需要做好氫氣控制管理。通過采取有效的措施，降低安全殼內的氫氣，在發生嚴重事故時，將氫氣濃度控制在安全限值以內，從而避免發生氫氣爆炸。對于大型的干式安全殼而言，采用氫氣催化復合器是緩解嚴重事故氫氣風險的主要途徑。其主要原理在催化劑的作用下，讓氫氣與氧氣在低于可燃閾值的濃度條件下發生化合反應，產生的熱量可以在催化劑表面產生自然對流，確保反應的持續進行。因此，氫氣催化復合器是一種自啟動裝置，可以依靠反應產生的熱量保持氣流流動，不需要增加額外的電源和設備。通過采用催氫氣催化復合器，能夠滿足核電廠嚴重事故控制管理要求，長期消除氫氣，促進安全殼內的氣體混合，但復合器安裝布置會受到安全殼結構以及運維管理的限制。

二、氫氣催化復合器對核電廠嚴重事故緩解效果的模擬分析

（一）系統乖荊以

對氫氣催化復合器的具體事故環節效果進行分析，需要采用系統性事故分析計算工具，模擬事故進程中的特征現象，構建核電廠系統模型，對其進行研究。系統模型和模擬設備主要包括堆芯活性區域（徑向×軸向=7×10），一回路系統（包括壓力容器及構件）、核電廠專設安全設施、安全殼（包含24個控制溶劑、58個連接流道和100導熱構件）。

（二）事故假設

氫氣燃燒對安全殼完整性的影響主要與嚴重事故進程以及安全殼自身結構設計有關，需要綜合考慮氫氣的釋放特性，包括產生速率和釋放量等，并結合典型嚴重事故序列，對其進行具體分析。本次研究選取小破口失水事故作為基準事故，假定發生該事故時，應急堆芯冷卻劑系統失效，但不包括非能動安注箱。假設當坡口直徑為0.025m時，坡口位置發生在穩定器回路主泵隔間內。同時，為了獲取最大氫氣產生量及催化復合器效果，人為抑制氫氣燃燒模型。

（三）分析計算

在對氫氣催化復合器進行模擬分析時，采用的是陽S氫氣復合器，氫氧復合原理為：其中△HiO=-238kJ/mol。從實驗測試結果來看，復合器消氫速率滿足經驗關系式，主要與氫氣體積濃度、壓力、溫度等參數有關。

（四）主要結論

從模擬分析結果來看，氫氣濃度分布曲線顯示，破口區域氫氣濃度增長速度快，峰值可以達到12.5%，之后由于容器內的氫氣產量下降，氫氣濃度逐漸下降，最后保持在4.6%左右。事故后期，破口區域氫氣濃度保持緩慢增加趨勢，最終達到8.6%左右。通過對氫氣復合器效果進行演劇發現，安全殼內氫氣超過2%濃度界限后，復合器自動啟動運行，分別在安全殼內不同位置安裝氫氣催化復合器，與不安裝氫氣復合器的情況比較。從繪制的圖形中可以看出，在氫氣濃度快速升高期，及時安裝了3個復合器也只能將峰值降低0.4%。但在后期氫氣緩慢增長階段，復合器具有明顯的持續消除氫氣效果，安裝I個復合器能夠將濃度峰值從8.6%降低至4.6%，安裝3個復合器時能降低至2.4%。

從對溫度和壓力的影響效果來看。在氫氧符合過程中，會釋故大量熱量，促進復合器內氫氣的自然循環，有利于加快復合效率，但會導致隔間內氣體溫度升高，可以導致氫氣被點燃，從而產生強大的熱沖擊。在模型分析過程中，隔間溫度會升高至700K，但并不會導致氫氣燃燒。因此，在復合器的設計和應用過程中，應充分號慮復合溫度效應，避免引發爆炸文獻。從模擬分析結果來看，消氫反應對安全殼壓力沒有明顯增加作用，復合反應會使安全殼壓力增加約24kPa。總體而言，安裝氫氣催化復合器是種有效的嚴重事故氫氣風險緩解措施。

三、結語

綜上所述，基于核電廠嚴重事故的控制和管理要求，通過安裝氫氣催化復合器，利用氫氧符合原理，可以有效抑制氫氣產生速度，達到氫氣緩解的效果。但在設計過程中，需要充分考慮氫氧復合反應對安全殼的溫度和壓力增加作用，合理設計安全殼結構。在此情況下，能夠充分發揮氫氣催化復合器的作用，提升核電廠安全儲備。

參考文獻：

[1]賈存真.秦山三期嚴重事故下安全殼內消氫系統的研究[D].上海交通大學，2013.

[2]鄧堅.大型干式安全殼嚴重事故條件下氫擬空制研究[D].上海交通大學，2017.