安全殼氫氣控制方法研究

余小權

（中國核動力研究設計院核反應堆系統設計技術重點實驗室，四川 成都610213）

0 引言

美國三哩島核電廠事故過程中，反應堆壓力容器上部不可凝氣體的積聚對電廠安全造成了重大威脅。燃料元件的主要成分包括鋯氧化物，在發生燃料包殼破損的嚴重事故下，鋯—水反應會產生大量的氫氣，最終由于氫氣燃燒造成了約0.2 MPa的峰值壓力，對安全殼內的設備造成了破壞并直接威脅到安全殼的完整性。

在嚴重事故下，氫氣燃燒爆炸是造成核電廠安全殼失效的主要原因之一。當安全殼內的氫氣濃度達到一定比例時，在外界條件（例如，溫度、壓力、氧氣濃度等）適合的情況下，可能會發生氫氣迅速燃燒或爆炸，從而造成與安全有關的設備和系統的局部損壞，甚至損壞安全殼的結構，造成大量的放射性物質進入環境。因此，在核電站的設計中設置完善的安全殼消氫系統、特別是嚴重事故情況下的消氫措施，是保證反應堆安全的一個重要方面。

本文調研了核電廠常用的除氫方法，并對除氫方法的特點進行分析，從而為核電廠除氫系統的設計提供參考。

1 核電行業除氫主要工藝

核電站內有關氫氣緩解措施的目標主要是防止安全殼結構的失效從而防止不可控的放射性物質釋放。在嚴重事故進程中或者事故后長期階段里，氫氣燃燒可能會威脅安全殼的完整性和封閉性，除非特定的設計可以防止基礎設備不會受到氫氣燃燒的影響。

氫氣控制系統的第一個作用是防止可燃混合氣體的形成。不同的措施都可以實現這個要求，這里最有效的方式就是通過惰化限制氧氣濃度，建立惰化的安全殼氣氛。利用安全殼內的空氣通過自然對流混合和稀釋氫氣在許多安全殼內也十分有效。催化復合器提供了消除氫氣的方式，有助于維持安全殼內不可燃的環境，而且長遠考慮，水輻照分解產生的H2/O2還需要催化復合器來消除[1-3]。氫氣控制系統的另一個作用是在達到可燃極限時，可以防止出現更危險的氫氣濃度，這時點火器是一種可以快速響應的方式來較快的消除氫氣。此外在氫氣釋放源附近進行局部注射惰性氣體也可以降低可燃氣體爆炸的可能性。

目前氫氣控制措施如圖1所示。主要的氫氣控制措施可以分為如下兩種基本情況：

圖1 應對氫氣風險的不同策略和措施

（1）通過安全殼惰化防止可燃混合氣體的形成；

（2）通過限制局部氫氣濃度緩解燃燒帶來的后果。

2 氧氣濃度控制

對于氫風險而言，首要考慮的是安全殼內氫氣的燃燒會產生巨大的壓力，從而威脅到安全殼的完整性。因此對小體積安全殼，創造一個貧氧的氣氛來防止可燃氣體燃燒爆炸是很有必要的。

2.1 事故預惰化

現有設計的核電站中，早期的沸水堆MARK I和MARK II型安全殼以及最新的ESBWR安全殼都具有體積小的特點。為防止氫氣燃燒造成安全殼超壓失效，這些安全殼都要求在核電站正常運行期間保持惰化。美國聯邦法規CFR 50.44規定所有Mark I和Mark II沸水堆安全殼都必須維持惰化的環境，即安全殼內氧氣濃度保持在4%以下。

安全殼惰化可以通過惰性氣體（如N2和CO2）替換封閉安全殼內的空氣來實現，這樣安全殼內的氧氣濃度可以低于燃燒極限。惰化措施重要的方面是O2和N2濃度的比例，因此由于水蒸氣凝結導致的混合氣體組分的變化不會帶來問題[8]。但是惰化措施需要設計完備的取樣、測量等系統來監控O2濃度，而且值得注意的是在監測O2濃度時要為抽樣所需要的時間延遲留出一定的安全裕度。惰化一般在核電站正常運行之前進行。由于CO2的腐蝕性，事故預惰化的惰化氣體多選用氮氣。核電站正常運行期間的預惰化措施作為一種非能動的方式，已經成為小體積安全殼抵抗氫風險的必要手段。大部分惰化相關的系統都不需要在事故期間主動啟動，因此這些系統設備僅僅需要通過普通的防火和安全認證即可。事故預惰化措施可以在事故進程中很好地保護安全殼預防氫氣燃燒或者爆炸的風險，但是在長期上，惰化的方式不再能夠確保氫氣燃燒不會發生，因為裂變產物的積累加強了抑壓水池或者干井地坑里面水的輻照分解。重要的是水輻照分解會積累較多的氧氣，所以安全殼內有可能會形成可燃性混合氣體。因此，小型安全殼除去惰化的措施外還需要設計其他的措施來長期持續的緩解氫氣風險。

惰化措施帶來的主要問題是，正常運行中安全殼內的O2濃度不足以支持人的呼吸。因此預惰化安全殼內設備的檢查、維護和修理都有一定的困難。比如為了維護檢修而在停堆前排出惰性氣體或者減少設備維護的頻率都會帶來很低的安全裕度，而且惰化措施需要較大的經濟成本，特別是停堆后或者進入安全殼內時需要排出惰性氣體。但是對于正常運行期間大部分設備不需要經常使用或者檢修的小型堆安全殼而言，惰化相比其他替代措施仍然是一種很好的抵抗氫風險措施。

2.2 真空

NuScale小型模塊化反應堆設計了一個抽成真空的安全殼。正常運行期間，NuScale的每個模塊都浸泡在水中，而且安全殼內保持著隔熱的真空條件，這顯著減少了反應堆壓力容器的熱量散失。深層的真空在任何條件下都可以促進水蒸氣的凝結。真空條件降低了空氣濕度，從而減少了對金屬的腐蝕，有利于保證安全殼內系統設備的功能長期有效的發揮。通過排出空氣，安全殼內的O2濃度幾乎為0，從而即使是在嚴重事故工況下，也可以消除氫氣燃燒的可能性。此外，NuScale的設計者認為這種真空的安全殼還可以消除對氫氣催化復合器的要求。相對惰化，抽真空的措施有系統簡單等優點，但是這種方式對安全殼等結構的密封性以及承壓性能要求較高而且為維持安全殼內的真空條件，還需要能動的設備進行支持。此外這種方式仍然缺少運行經驗，相關設計的安全功能能否在事故條件下發揮作用仍有待考驗。

3 長期氫氣消除

事故發生后由于水輻照分解等反應，氧氣會在安全殼內逐漸積累。盡管伴隨著其他不可冷凝氣體（如H2、CO2等）的產生，氧氣濃度可能不升反降，但是仍然需要采取一定措施來應對長期的氧氣產生，即便是在惰化后的安全殼內。這些系統甚至可以是能動的系統，因為它們可以在事故發生后的數日內手動啟動。

事故發生后，可以在設計壓力范圍內或是泄壓系統允許范圍向安全殼內繼續注入更多的氮氣，以防止氫氣燃燒。但是這種方式無法解決通風管道內氫氣燃燒或者爆炸的風險。這種事故發生后向安全殼內充入氮氣的措施會增加安全殼內的壓力，因此小型安全殼一般多設計了卸壓系統，保護安全殼防止超壓。氧氣和氫氣的消除主要可以通過氫氣復合器和點火器兩種手段實現。

3.1 氫氣復合器

早期的沸水堆安全殼設計中除去采取惰化手段外，還設計了在安全殼外工作的熱復合器（outsidecontainment thermal recombiner），這是一種能動的催化復合器。

目前采用的氫氣復合器多為非能動的，利用氧化反應產生的熱量使氣體流動，形成自然循環。非能動氫氣復合器（PAR）不需要外界能量或者操作者干預，只需要將復合器安裝在安全殼內合適的位置。催化復合器的應用強化了氣流在安全殼隔間內的對流，同時也加強了各氣體組分的混合。ESBWR中采用了PAR設計，它可以在事故發生后完全自動的不需要任何干預的持續運行72小時。而且發生LOCA的100天內，所有的PAR組件都可以在事故后的惡劣環境下保持完全有效。雖然氫氣復合器有著非能動的優勢，但是催化復合器的氫氣移除能力是有限的，它容易受到傳質限制，而且不能夠應對較高的氫氣釋放速率。

3.2 點火器

主動點火的理論依據和假設是嚴重事故下安全殼內不可避免地存在隨機的點火源（如電火花、電纜等），與其如此，不如在氫氣“安全濃度”的范圍內利用點火器主動點燃氫氣，使之緩慢燃燒，消除氫氣避免更嚴重的氫氣爆炸發生，威脅安全殼完整性。目前較為成熟的點火器有火花塞式點火器（Glow-plug igniter）、電擊發式點火器（Spark igniter）、催化式點火器（Catalytic igniter）三種。直接點火相比復合器的主要優點是可以應對較快速率釋放的氫氣，但是點火器是一種能動的方式，需要外部電源或者人為的干預。點火器還會造成局部的高溫高壓負荷。此外由于事故的多樣性帶來的氫氣分布不確定性，對于點火器的安裝位置和分布都需要做詳細的計算和分析。

4 通風管道上的氫氣復合組件

通風系統的管線上設有排氣風扇以及安全相關的過濾器和輻射探測器等重要設備，通風管道上面局部區域氫氣積累引起燃燒可能會導致嚴重的放射性泄漏事故。由于通風管道體積較小，無法安裝一般的氫氣復合器，因此設計了用于管道上的氫氣復合組件。這種組件實質是氫氣復合器中表面包覆一層催化劑的平行金屬板。氫氣復合器中的平行金屬板在氫氧復合過程中起主要作用，其余部件主要起到支持和提供氣體流道的作用。通風管道本身就提供了氣體流通的通道，因此可以將氫氣復合器簡化，直接將其中的催化金屬板安裝在通風管道的入口，用來消除排氣中殘留的氫氣或者氧氣，保護安全相關的放射性過濾和探測設備。

5 壓水堆一回路系統除氫

在壓水堆核電站一回路中添加氫的目的是與水輻照分解形成的氧基結合，從而限制水的輻照分解的后果和氧化劑的產生。在功率運行狀態下一回路內始終保持氫覆蓋，并保證有一個充分的還原環境。然則機組在進行正常的氧化冷停堆過程中，因反應堆需要開口，為避免氫氧混合發生爆炸，需要首先除去氫氣，將主回路的溶解氫含量降到規范值以下。

寧德核電N2號機組于2014年2月26日開始整治性小修時，RCV002BA（容控箱）氮覆蓋時主回路溶解氫約35mL/kg，如此高含量溶解氫，導致機組降溫降壓時溶解氫下降緩慢。若通過PZR汽腔吹掃和RCV002BA氮吹掃，每小時僅能降低主回路溶解氫0.1 mL/kg，根據測算需要60余小時機組才能滿足機組下行參數要求。為此，經討論該電廠決定試用H2O2除氫法以提高除氫效率。

最終的實踐結果表時，H2O2除氫法能夠應用在壓水堆核電機組下行階段，能夠優化機組下行操作模式，且風險可控。

6 結論

前文主要調研總結了目前核電行業所采取的除氫工藝。針對安全殼較小的反應堆，容易超壓，因此應盡可能避免可燃氣體燃燒。通常采取惰化或者抽真空的方式控制安全殼內氧氣濃度低于燃燒極限。惰化措施在任何事故發生時都能很好地降低甚至消除氫氣燃燒的可能性。目前事故預惰化方式已經廣泛地應用在了商運的沸水堆安全殼中，有著成熟的運行經驗。抽真空方式相比惰化有著強化水蒸氣凝結，減少反應堆壓力容器熱損失等優點。但該種方式對安全殼耐壓性能等有較高的要求，而且正在運行的核電站中尚未有采取這種措施，缺少運行經驗。對于長期的氫氣消除，氫氣復合器作為一種非能動的方式可以很好地緩解事故后水輻照分解長期產生的氫氣和氧氣。總之，結合沸水堆的相關技術設計，事故預惰化結合非能動氫氣復合器是小型安全殼對抗氫風險一種很好的方式。