秦山第三核電廠氫氣控制系統(tǒng)改進(jìn)探索

□王建鋒

一、引言

2011年3月11日，日本福島核電站因地震及后續(xù)海嘯引發(fā)INES(核事故分級(jí)系統(tǒng))7級(jí)特大核事故。福島核電站四個(gè)機(jī)組的反應(yīng)堆廠房先后發(fā)生氫氣爆炸，使得放射性物質(zhì)大量釋放到環(huán)境中，并引起了公眾的極大恐慌。

日本福島核電站放射性泄漏的一個(gè)較為主要的原因?yàn)榉磻?yīng)堆堆芯密封核燃料的鋯包殼管，在溫度高于850℃時(shí)，高溫鋯合金包殼與蒸汽發(fā)生劇烈化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)式為：Zr+2H2O=ZrO2+2H2，此過程伴隨放熱并產(chǎn)生氫氣，即所謂的鋯水反應(yīng)。鋯水反應(yīng)釋放大量的氫氣，氫氣在安全殼內(nèi)與氧氣混合超過爆炸極限濃度，發(fā)生爆炸致使福島核電站反應(yīng)堆廠房坍塌。

秦山第三核電廠(以下簡(jiǎn)稱秦三廠)原來的氫氣控制系統(tǒng)由44臺(tái)氫點(diǎn)火器組成，福島核電站事故后，在反應(yīng)堆安全殼內(nèi)增加了18臺(tái)非能動(dòng)氫氣復(fù)合裝置，這兩套系統(tǒng)一起使用，相互配合，可以復(fù)合掉嚴(yán)重事故后安全殼內(nèi)產(chǎn)生的氫氣，保證了安全殼的完整性。本文主要對(duì)非能動(dòng)消氫復(fù)合系統(tǒng)在秦三廠重水堆的應(yīng)用情況進(jìn)行分析介紹。

二、消氫點(diǎn)火裝置優(yōu)勢(shì)以及存在的不足

秦三廠兩臺(tái)機(jī)組各設(shè)有由44臺(tái)氫氣點(diǎn)火器組成的氫氣控制系統(tǒng)，其主要部件是表面高溫式的點(diǎn)火線圈。當(dāng)線圈通電后，表面溫度能在120秒內(nèi)上升到750℃并引燃?xì)錃?。消氫點(diǎn)火器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1

消氫點(diǎn)火器在設(shè)計(jì)時(shí)只考慮了設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故的兩個(gè)事故序列，沒有考慮嚴(yán)重事故情況，這兩個(gè)序列是：LOCA(喪失冷卻劑事故)+LOECC(喪失應(yīng)急堆芯冷卻)；LOCA事故24小時(shí)后SDE地震(廠址設(shè)計(jì)地震)。

日本福島核電站事故后，秦三廠在電氣系統(tǒng)增加了移動(dòng)柴油發(fā)電車的接口，當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重事故后，如果發(fā)生全廠失電事故，移動(dòng)柴油發(fā)電車到達(dá)達(dá)現(xiàn)場(chǎng)啟動(dòng)，通過新增的移動(dòng)電源接口柜以及低壓配電母線為氫氣點(diǎn)火器的控制盤供電，分布在安全殼內(nèi)的44臺(tái)點(diǎn)火器得電后就可以通過點(diǎn)火消除氫氣。

消氫點(diǎn)火器優(yōu)勢(shì)在于單位時(shí)間消氫量大，其不足有以下三點(diǎn)：一是能夠連續(xù)運(yùn)行的時(shí)間為7天，并且需要操縱員手動(dòng)干預(yù)，適時(shí)進(jìn)行停運(yùn)；二是需要?jiǎng)恿﹄娫矗瑖?yán)重事故后如果全廠失電，在柴油發(fā)電車到達(dá)之前無(wú)法使用；三是能夠承受的環(huán)境溫度和壓力值可能無(wú)法包絡(luò)所有嚴(yán)重事故工況。所以，有必要在安全殼內(nèi)增設(shè)非能動(dòng)氫氣復(fù)合裝置。

三、秦三廠非能動(dòng)式氫氣復(fù)合器介紹

(一)非能動(dòng)式氫氣復(fù)合器功能。當(dāng)核電廠發(fā)生嚴(yán)重事故時(shí)，安全殼內(nèi)氫氣濃度超過非能動(dòng)氫復(fù)合器啟動(dòng)閾值，復(fù)合裝置無(wú)需人員干預(yù)，將會(huì)自動(dòng)投入，并能夠長(zhǎng)期有效運(yùn)行，消除安全殼內(nèi)的氫氣，控制鋯水反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣在安全殼內(nèi)的體積濃度不超過10%，確保不會(huì)發(fā)生氫氣爆燃或者爆炸，保證反應(yīng)堆安全殼的完整性。

(二)非能動(dòng)式氫氣復(fù)合器原理。非能動(dòng)的消氫復(fù)合裝置是非能動(dòng)設(shè)備，它不需要?jiǎng)恿﹄娫椿蚱渌С窒到y(tǒng)，也沒有任何轉(zhuǎn)動(dòng)部件。當(dāng)安全殼內(nèi)氫氣濃度超過其啟動(dòng)閾值(1%～2%)，復(fù)合裝置就會(huì)自動(dòng)投入運(yùn)行。氫復(fù)合裝置有一個(gè)不銹鋼外殼提供裝置結(jié)構(gòu)，催化劑安放在復(fù)合裝置外殼底部，外殼能夠支撐催化劑，催化劑起到加速氫氧復(fù)合的作用，本身在運(yùn)行中不會(huì)損耗。外殼的底部和頂部留有開口，發(fā)生嚴(yán)重事故時(shí)，安全殼內(nèi)加熱氣體上升，空氣氫氣混合物從底部進(jìn)入復(fù)合裝置，在催化劑的作用下，由氫氧放熱反應(yīng)加熱后，氫復(fù)合器內(nèi)外氣體的溫差，形成煙囪效應(yīng)，再?gòu)膹?fù)合裝置上部排出，與安全殼大氣混合，如此反復(fù)的對(duì)流循環(huán)，持續(xù)不斷地消除反應(yīng)堆內(nèi)的氫氣，使反應(yīng)堆安全殼內(nèi)的氫氣濃度控制在安全范圍內(nèi)。非能動(dòng)消氫復(fù)合裝置示意圖如圖2所示。

圖2

(三)秦三廠非能動(dòng)式氫氣復(fù)合器性能指標(biāo)。秦三廠非能動(dòng)的消氫復(fù)合器是非核級(jí)設(shè)備，其抗震等級(jí)為DBEA類(設(shè)計(jì)基準(zhǔn)地震A類，類似壓水反應(yīng)堆的SSEII類)，復(fù)合裝置殼體為不銹鋼材質(zhì)，催化劑活性組分為鉑/鈀?，F(xiàn)場(chǎng)安裝有兩種規(guī)格，其中16臺(tái)消氫能力為2.4kg/h，2臺(tái)消氫能力為5.4kg/h，總消氫能力為49.2kg/h。復(fù)合裝置的具體性能如表1所示。

表1 復(fù)合裝置的具體性能

(四)非能動(dòng)氫復(fù)合器與消氫點(diǎn)火器性能對(duì)比。與氫氣點(diǎn)火器比較，非能動(dòng)氫復(fù)合器完全非能動(dòng)，并可以承受嚴(yán)重事故的惡劣情況并能持續(xù)工作，但也有單位時(shí)間消氫量有限的缺點(diǎn)，具體如表2所示。

四、非能動(dòng)消氫系統(tǒng)的安全分析評(píng)價(jià)

秦三廠氫氣控制系統(tǒng)非能動(dòng)復(fù)合器的設(shè)計(jì)以MELCOR1.85程序?yàn)榉治龉ぞ?，建立安全殼分析模型，根?jù)運(yùn)行階段概率安全分析中引起嚴(yán)重堆芯損壞的始發(fā)事件的排序和重水堆嚴(yán)重事故序列的特點(diǎn)，選取了失去全部四級(jí)電源、主熱傳輸系統(tǒng)支管滯留型破口和大破口三個(gè)始發(fā)事故序列，開展嚴(yán)重事故情況下安全殼內(nèi)的氫氣濃度分析，分析中充分考慮了秦三廠重水堆的特殊情況，嚴(yán)重事故后氫氣產(chǎn)生量按照相當(dāng)于100%堆內(nèi)鋯與水反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣量進(jìn)行了分析。

表2 非能動(dòng)氫復(fù)合器、氫點(diǎn)火器比較

分析表明，增加非能動(dòng)式氫復(fù)合器后，只有在極端情況下堆芯熔融物與混凝土相互作用的后期才會(huì)進(jìn)入氫氣燃燒區(qū)域，但不會(huì)進(jìn)入燃爆轉(zhuǎn)換區(qū)，能確保安全殼內(nèi)平均氫濃度不超過10%，滿足要求。

五、秦三廠非能動(dòng)式消氫系統(tǒng)實(shí)際效果評(píng)價(jià)

工作人員定期對(duì)所有復(fù)合裝置內(nèi)的板片進(jìn)行抽樣試驗(yàn)，每臺(tái)非能動(dòng)氫復(fù)合器抽取三片進(jìn)行消氫效率試驗(yàn)，氫復(fù)合器設(shè)計(jì)要求在15分鐘內(nèi)降至入口濃度的40%以下，實(shí)際結(jié)果全部在2分鐘內(nèi)達(dá)到目標(biāo)值，完全滿足要求。

六、結(jié)語(yǔ)

非能動(dòng)消氫復(fù)合裝置安全可靠，完全達(dá)到了改造的預(yù)期目標(biāo)，在嚴(yán)重事故情況下，可以有效降低安全殼內(nèi)的氫氣濃度，防止可能的氫氣爆炸對(duì)安全殼完整性產(chǎn)生威脅或?qū)е滤璧木徑夤δ軉适А７悄軇?dòng)消氫復(fù)合器與原有的消氫點(diǎn)火器兩套系統(tǒng)配合一起使用，優(yōu)缺點(diǎn)形成互補(bǔ)，可以在各種環(huán)境條件下安全有效地消除氫氣，增強(qiáng)了秦山第三核電廠重水反應(yīng)堆安全殼氫氣控制系統(tǒng)的冗余性和多樣性，可以確保秦山第三核電廠安全殼在嚴(yán)重事故下的完整性。