分析秦二廠嚴重事故下氫氣產(chǎn)生的來源和緩解措施

王靖宇

（中核核電運行管理有限公司運行三處，浙江 海鹽314300）

0 引言

距離2011年3月11日福島核事故已經(jīng)過去10年，由于9級巨大地震引發(fā)的海嘯導致日本福島核電廠發(fā)生核泄漏，此次事故是繼切爾諾貝利核事件以來最嚴重的核泄漏事故。事故發(fā)生后，引起了政府和人們各方面的高度關注，又將核電安全推向了風口浪尖的境地。核電廠在嚴重事故下，尤其是堆芯熔化后，會產(chǎn)生大量的氫氣，這些氫氣會在廠房內(nèi)迅速擴散并積聚，如果氫氣不能及時得到有效消除或排出，極可能發(fā)生氫氣爆炸，導致廠房、系統(tǒng)、設備損壞，放射性物質(zhì)外泄等，嚴重威脅環(huán)境和公眾的健康。在1979年美國三哩島核事故中，發(fā)生了氫氣爆燃；在2011年的福島核事故中，福島4臺機組均發(fā)生了氫氣爆炸，爆炸破壞了安全殼的完整性，導致了大量放射性物質(zhì)外泄，對環(huán)境造成了嚴重的污染。

核電廠氫氣控制和管理的目的是采取一定的緩解措施，消除安全殼內(nèi)產(chǎn)生的氫氣，避免在事故情況下發(fā)生氫爆風險，破壞安全殼的完整性。目前采用的緩解嚴重事故后氫氣爆炸的手段有氫氣點火器、能動式和非能動式氫氣復合器、鋯合金材料的改進與替換和設置堆芯熔融物冷卻與保持系統(tǒng)等。本文分析了秦二廠嚴重事故情況下，氫氣產(chǎn)生的來源、分布特點和現(xiàn)有的應對措施，并分析其他緩解手段在秦二廠的適用性。

1 日本福島核事故

日本福島核事故中，福島第一核電站4臺機組均發(fā)生了爆炸事故，經(jīng)多方專家研究，均確定為氫氣爆炸。通過事故之后的分析得知，1號/2號/3號機組事故的主要過程為：超設計基準的地震導致失去廠外電、反應堆安全停堆，余熱無法導出，海嘯導致應急電源失效，臨時應急電源無法供電，同時外界的移動式電源又由于道路的坍塌，導致了核電廠徹底失電；失去動力源后，堆芯余熱無法排出，堆芯水位下降，核燃料棒開始熔化，鋯水反應等產(chǎn)生大量氫氣，氫氣在廠房擴散、分布、積聚，產(chǎn)生氫爆，廠房被破壞，大量放射性氣體釋放到環(huán)境中。3臺機組在全廠失電、失去對堆芯的冷卻后，相繼發(fā)生氫氣爆炸。4號機組較為特殊，由3號機組氫氣從通風管道進入，導致氫爆，且由于乏燃料的失去冷卻，導致了燃料廠房也發(fā)生了爆炸。

2 秦二廠嚴重事故情況下氫氣的來源

根據(jù)以上嚴重事故下氫氣來源的分析，結(jié)合秦山二廠的實際情況，我們得出以下結(jié)論：

（1）秦二廠作為典型的2個環(huán)路的壓水堆，燃料包殼使用了鋯合金，F(xiàn)A2G（二代改進型燃料組件）的包殼和定位格架由鋯-4合金做成，即使AFA3G（三代改進型燃料組件）的包殼材料改進為了M5合金，但是合金成分中仍有鋯，除此之外，控制棒導向管和儀表管的材料也為鋯-4合金，所以在嚴重事故情況下，產(chǎn)生氫氣的主要來源為鋯水反應，研究表明，秦二廠100%鋯水反應產(chǎn)氫質(zhì)量能達到695 kg。

（2）由于秦二廠壓水堆設計中，沒有考慮堆芯捕集器和犧牲混凝土，因此，在堆芯下封頭破裂后，堆芯熔融物與混凝土的MCCI反應將是產(chǎn)生氫氣的主要來源。

（3）秦二廠堆芯材料中使用了大量的不銹鋼，例如，控制棒包殼管和可燃毒物棒的內(nèi)外包殼均采用了304不銹鋼，另外，堆芯很多部件的連接材料也采用了不銹鋼，因此嚴重事故情況下，不銹鋼的腐蝕會成為氫氣的一個重要來源。

（4）秦二廠安全殼地坑位于-3.4 m，空間開闊，嚴重事故后，水的輻照分解的產(chǎn)氫量不足以造成局部氫氣濃度超過極限。且只有在放射性物質(zhì)泄漏到安全殼內(nèi)部時，才考慮地坑水的輻照分解，因此，該氫氣產(chǎn)量對氫氣總量貢獻不大，也不存在局部氫氣積聚的問題。

（5）在秦二廠嚴重事故情況下，安全殼噴淋可能自動投運，系統(tǒng)中的NaOH溶液會對安全殼內(nèi)金屬鋁和鋅構(gòu)成腐蝕，安全殼噴淋投入后，需關注氫氣濃度。但這是氫氣的一個次要來源。

（6）秦二廠冷卻劑中溶解的氫氣只有8.47 m3，占總產(chǎn)氫微小比例，是氫氣產(chǎn)生的一個微小來源。

3 秦二廠嚴重事故情況下緩解氫氣爆炸的手段和措施

3.1 非能動氫復合器在嚴重事故情況下的運用

秦二廠非能動式消氫裝置采用中國核動力研究設計院的型號為PARQX的非能動氫氣復合器，分別有PARQX-150和PARQX-75兩種規(guī)格。其工作原理是利用催化劑使氫氣和氧氣在濃度低于可燃閾值時發(fā)生化合反應，反應產(chǎn)生的熱量用于在催化劑表面產(chǎn)生自然對流，從而使反應能夠持續(xù)進行。該設備分散布置在安全殼大廳內(nèi)，自動啟動，能夠依靠自身產(chǎn)生的熱量使氣流流動。具有以下特點：

（1）當安全殼內(nèi)部氫氣濃度達到2%時，氫氣復合器自動啟動，不需要外部電源、氣源和控制。停止閾值為0.5%氫氣濃度。

（2）設計原則是保證在嚴重事故工況下將安全殼內(nèi)的平均氫氣濃度保持在低于發(fā)生爆炸的濃度——體積濃度10%。

（3）在事故后可能產(chǎn)生氫氣積聚的幾個隔間：穩(wěn)壓器間、卸壓箱房間、主泵房間、蒸汽發(fā)生器隔間均裝設了非能動式氫氣復合器，每個復合器的消氫能力為2 kg/h（0.05 MPa、4%氫氣濃度），大于嚴重事故情況下隔間的產(chǎn)氫量。

（4）工作溫度：5～500℃，環(huán)境壓力：0.08～0.70 MPa，能夠在嚴重事故情況下正常工作。

（5）氫氣復合器頂部設有遮擋頂板，能夠避免事故發(fā)生情況下，安全殼噴淋液體進入氫氣復合器中。

非能動式氫氣復合器能有效地降低安全殼內(nèi)部的氫氣濃度，是秦二廠嚴重事故情況下最重要的消氫手段。

3.2 移動式氫氣復合器在嚴重事故情況下的運用

秦二廠移動式氫氣復合器額定處理流量119 m3/h，進口氫氣濃度1%～4%，出口氫氣濃度≤0.1%，設計壓力415 kPa表壓，在氫氣濃度較低的情況，能有效地降低安全殼內(nèi)部的氫氣濃度，有利于長時間的降低安全殼內(nèi)部氫氣濃度。但是該復合器是根據(jù)設計基準事故設計的，不是設計用來對抗嚴重事故的，因此，在考慮使用移動式能動氫氣復合器時，必須考慮以下負面影響：

（1）移動式氫氣復合器有氫氣濃度的設計限制（1%～4%），超過限值，將因氫氧反應而過熱，因此，在氫氣濃度較高的情況下，不能長時間運行。

（2）移動式氫氣復合器可能被安全殼內(nèi)部的氣溶膠堵塞。秦二廠移動式氫氣復合器的管道直徑為60.3 cm，較大的氣溶膠積聚可能導致管道堵塞。

（3）由于移動式氫氣復合器在安全殼外部，投入運行后，有放射性物質(zhì)外泄的風險。

（4）移動式氫氣復合器具有加熱元件，它的使用將有可能成為點火源，引爆安全殼內(nèi)部氫氣。

（5）移動式氫氣復合器消氫速度慢，一般需要投運幾個小時后才能起作用。

因此，雖然移動式氫氣復合器能有效地降低氫氣濃度，但是它只適用于氫氣濃度較低，且在安全殼內(nèi)部氣體被惰化的情況，使用有一定的局限性。其投運與否需要經(jīng)過技術(shù)支持中心的評估，而且由于需要使用電源，在發(fā)生類似福島全廠失電的事故的情況下，將無法使用。