三代非能动压水堆核电机组安全壳内氢气控制

王大威　李少沛　唐秋月

摘 要：本文论述了三代非能动压水堆核电机组在设计基准事故及严重事故工况下，安全壳内氢气的控制思路及控制方法。

关键词：三代非能动压水堆核电机组；氢气控制；设计基准事故；严重事故

1 概述

三代非能动压水堆核电机组是利用非能动理念发展起来的核电技术。与二代核电相比，三代非能动压水堆核电机组在设计时不仅考虑了设计基准事故，还考虑了如何预防和缓解严重事故，这使得三代非能动压水堆核电机组更为安全。本文就三代非能动压水堆核电机组在设计基准事故和严重事故工况下，如何控制壳内氢气做了简要介绍。

2 设计基准事故下安全壳内氢气控制

2.1 氢气来源及危害

设计基准事故下，安全壳内氢气主要来源于：锆燃料包壳与水反应，水辐照分解，结构材料的腐蚀以及反应堆冷却剂系统内溶解的氢气。当氢气在安全壳内的体积浓度在4.1%～74.2%之间时，遇火源就会爆炸。壳内氢气一旦整体爆炸会给安全壳的完整性造成威胁，导致安全壳作为放射性物质外放边界的功能丧失，进而引起放射性物质释放，对公众和环境安全造成威胁。

2.2 设计基准事故下安全壳内氢气控制

设计基准事故下，三代非能动压水堆核电机组通过氢气浓度监测系统、氢气复合系统、氢气点火系统对壳内氢气进行控制。

通过氢气浓度监测系统，操纵人员可以实时监测安全壳内的氢气浓度。该系统由1E级的电源供电，这保证了在发生地震等恶劣事件时，系统仍能获得可靠的电力供给。

氢气复合系统由两台非能动氢气自动催化复合器组成，通过催化剂使氢气和氧气在较低温度下发生复合反应，达到去除氢气的目的。

两台氢气复合器被安装在安全壳内的不同位置。在位置的选择上氢气复合器放置于氢气潜在释放点的上部，同时确保在自然循环时不处于空气下降区，而处于自然对流路径空气的上升区，这样利于含氢空气从复合器的下部入口进入，上部出口排出。氢气复合器的设计采用了非能动原理，气体在发生氢氧复合时被加热，从而形成对流。

三代非能动压水堆核电机组在安全壳内的不同区域设置了氢气点火器，当氢气的产生速度超过复合器的处理能力时，氢气点火系统投入运行。通过主动引燃局部氢气，降低壳内整体氢气体积浓度。

3 严重事故工况下安全壳内氢气控制

核电厂严重事故是指：冷却剂不能有效冷却堆芯，堆芯内燃料包壳大面积失效，发生大范围的锆水反应，应急规程已不能很好地对机组进行控制的运行工况。

严重事故工况下对安全壳内氢气采取的控制分为两种，一种为氢气在安全壳内局部位置积累，但尚未达到壳内整体爆炸极限时的控制；另外一种为壳内氢气整体浓度已经达到爆炸极限时的控制。

3.1 减少安全壳内氢气

随着堆芯的裸露，燃料包壳在蒸汽中被氧化，当温度超过982℃后，氧化反应极为剧烈，产生大量氢气。氢气首先在一回路中集聚，进而通过一回路的破口进入安全壳。如不干预，当壳内的氢气达到4%-6%时将会燃烧，当燃烧引起的壳内压力上升，超过安全壳的最终设计压力时，安全壳将被损坏。为了避免这种情况的发生，应及时采取有效措施降低壳内氢气浓度。

3.1.1 通过局部燃烧的方式降低壳内氢气浓度

氢气首先在局部区域聚集，通过辅助计算，当操纵人员及技术支持人员确认主动燃烧氢气不会对安全壳局部或整体造成威胁时，采用这种方式减少壳内氢气。

主动燃烧前需确认壳内大气状态和点火源。如果壳内大气处于惰化状态，氢气不具备燃烧环境，无法被点燃。此时操纵人员可通过降低壳内压力的方式，如加大壳内壳外喷淋水流量，破坏壳内大气的惰化状态，回复壳内氢气的可燃性。

壳内氢气具备燃烧条件后，操纵人员及技术支持人员需选择合适的点火源。应首选相应位置且具备功能的氢气点火器，如氢气点火器不可用，可使用该位置任意类型的电气设备，如继电器、电机、阀门电机驱动机构等，通过操作这些设备连续启停产生电火花引燃氢气。

点火操作完成后，操纵人员可通过氢气浓度探测器、壳内温度、壳内压力的变化确认点火是否成功。如果氢气浓度探测器探测到的氢气浓度无变化，或者壳内温度、壳内压力没有相应升高，则说明点火未成功，操纵人员需选择其他可能的点火源，重新点火。

3.1.2 通过催化复合的方式降低壳内氢气浓度

此种控制方式下，氢气浓度降低速度较慢，只有在确认不能采取主动点燃方式，且通过催化复合在一定时间内可有效降低壳内氢气浓度时，才考虑使用。

此种控制方式下，采用的设备为非能动氢气催化复合器。为了防止在此种控制方式下，氢气意外燃烧，需考虑所有可能引起燃烧的条件。首先，操纵人员通过减少壳内壳外的喷淋流量，保持壳内大气处于惰化状态，使氢气不具备燃烧条件；其次，操纵人员应解除所有氢气点火器的电源，防止氢气点火器被意外触发，同时需对电气设备的启停格外关注，防止产生电火花。

3.2 控制安全壳内氢气的可燃性

当壳内氢气整体浓度已达到爆炸极限，且一旦氢气爆炸将必然破坏安全壳的完整性时，需对壳内氢气的可燃性进行控制。该种工况下，为尽快解除壳内氢气对安全壳完整性造成的威胁，在控制壳内氢气可燃性的同时，还应尽快采取必要措施降低壳内氢气浓度。

3.2.1 识别能够防止氢气燃烧的策略

防止氢气燃烧的主要策略有建立壳内大气的惰化状态，使氢气燃烧丧失条件，以及消除点火源两种。在安全壳完整性受到威胁时，必须至少具备两种条件中的一种。采取的方式可以是降低对安全壳的冷却，建立并维持安全壳内的惰化压力，以及切断所有氢气点火器的电源。

3.2.2 安全壳排气

在操纵人员及技术支持人员判断因安全壳排气导致的放射性物质外泄引起的辐射值，不会超过厂外排放辐射剂量限值，且不会影响壳内大气惰化状态时，应尽快采取安全壳排气操作，以便尽快解除安全壳完整性面临的威胁。为减少安全壳排气引起的放射性物质外泄，排气可经由乏燃料处理系统的管道，使用乏池水洗消安全壳排气中放射性物质，减少放射性物质的外泄。

4 总结

三代非能动压水堆核电机组在设计基准事故下采取的氢气控制方式，以及在预防和缓解严重事故方面的考虑，充分展现了其机组的安全性和技术的先进性。相信随着三代非能动压水堆核电技术的不断推广，我国核电行业的整体安全状况必将提升至更高的水平。endprint