小型堆严重事故下安全壳内氢气行为分析

王 坤，张 帆，袁名礼，赵新文，胥 浩

(1. 海军工程大学核能科学与工程系，湖北 武汉430033；2. 92730部队)

小型堆严重事故下安全壳内氢气行为分析

王 坤1，张 帆1，袁名礼1，赵新文1，胥 浩2

(1. 海军工程大学核能科学与工程系，湖北 武汉430033；2. 92730部队)

采用MELCOR程序，对小型堆破口叠加全部电源丧失的典型严重事故进行计算，并对安全壳内发生氢气燃烧、爆炸的可能性进行分析。结果表明：主管道直径3.72%的破口叠加全部电源丧失后，堆芯裸露，出现熔堆事故；同时锆水反应产生的大量氢气进入安全壳，使安全壳内氢气含量上升，在安全壳局部空间、屏蔽水箱内出现氢气燃烧。但由于小型堆安全壳净容积较小，水蒸气含量较高，氧气含量较少，不会导致氢气爆炸。

小型堆；MELCOR；严重事故；氢气燃烧、爆炸

小破口叠加全部电源丧失的严重事故情况下，安全壳内H2摩尔份额上升，存在H2燃烧或爆炸的可能。H2爆炸会造成安全壳结构破坏，大量放射性物质释放，产生严重的事故后果。小型核动力反应堆与核电厂反应堆在结构[1]、设计、运行功率等各方面存在差别，严重事故情况下安全壳内氢气行为也不相同。因此小型核动力堆安全壳内氢气爆炸可能性分析，对事故应急具有十分重要的意义。

MELCOR为国际通用、计算压水堆和沸水堆严重事故的一体化程序[2]，其中氢气燃烧模块是专门针对严重事故下安全壳内高压情况开发的半机理、半经验的计算模块，可进行事故下的氢气燃烧、爆炸模拟。本论文中研究的小型动力堆堆型为压水堆，应用MELCOR程序进行严重事故下氢气行为的仿真计算是适用的。

本文研究的小型动力堆虽然为典型双环路压水堆，但较核电厂压水堆体积小、功率低、功率密度高、设备冗余度低；控制棒材料与核电站不同；且压力容器外有屏蔽水箱将压力容器与安全壳隔离；安全壳容积相对较小，内部没有明显的隔间；“堆坑”为压力容器壁、压力容器支撑裙与舱底底板围成的狭小空间，无混凝土材料。针对小型堆的特殊性，本论文以MELCOR1.8.5程序为基础进行了二次开发，建立堆芯、系统主要设备、回路、安全壳模型对小型堆典型严重事故——全部电源丧失叠加破口事故[3]下的氢气行为进行了计算。由于所得结果具有一致性，本文以冷管段当量直径为主管道直径3.72%的破口叠加全部电源丧失事故为例，对事故下安全壳内氢气行为进行了研究，研究结论可为事故应急提供技术支持。

1 计算模型

1.1 安全壳内控制体划分

小型动力堆安全壳内设备、空间划分与核电站具有较大差异。核电站安全壳空间容积较大，内部存在多个隔间，且各隔间不能互相贯通。本论文所研究小型动力堆安全壳内净容积较小，安全壳内部由隔板分为三层，各层最大高度相同，但三层间并未完全隔断，内部气体可以互相流通。压力容器外设有屏蔽水箱，将压力容器与安全壳完全隔离开。如图1所示。

图1 小型动力堆安全壳内部空间分层示意图Fig.1 Layer Diagram of Small Reactors Containment

正因为小型动力堆安全壳内净容积小，设备布置密度高，安全壳内控制体划分的敏感性较小，结论具有一致性，限于篇幅本文采用两种计算方案。方案一采用集总参数法分析安全壳内氢气行为，忽略安全壳的实际分层，将安全壳内部净空间作为一个控制体。方案二依照小型堆安全壳内部实际分层，去除安全壳内设备所占空间后，将各层净空间分别划分为800、801、802三个控制体(如图1所示)，各层间的流通面积按照实际流通面积计算。

以上方案一控制体划分相对简单，CPU时间较短，但是忽略了各类气体因密度不同造成的空间效应。方案二采用分层方法，控制体划分相对复杂，CPU时间较长，但能够真实反应小型动力堆安全壳内部各层气体摩尔份额，计算结果更加详细。通过两种方案分别对破口叠加全部电源丧失严重事故进行计算，验证集总参数法是否可用于本文研究的小型动力堆的破口叠加全部电源丧失严重事故计算，满足核应急早期适时、超时需求。

1.2 事故假设与初始条件

本论文中的事故假设与初始条件如下：

(1) 事故触发前反应堆满功率运行，平衡衰变热，功率不均匀因子为寿期初值[6]，放射性累积取寿期末数据(更保守)。

(2) 破口当量直径为主管道直径的3.72%，破口位置位于主闸阀和压力容器之间，破口无法隔离。

(3) 断电后，控制棒下落，反应堆立即停堆，主泵惰转随后停转，所有能动设备与安全设施均无法投入[4]。

(4) 整个事故进程中无人为干预。

1.3 安全壳内氢气燃烧、爆炸判据

根据MELCOR1.8.5中BUR程序模型(用于模拟严重事故下安全壳内气体燃烧)，安全壳内是否发生氢气燃烧、爆炸，取决于安全壳内各类气体的摩尔份额，以及点火条件，其燃烧判据为LeChatelier[5]公式。

(1) 小型堆安全壳内无点火器，所以在LeChatelier[5]公式中，燃烧发生的条件如下：

(1)

XO2≥XO2IG

(2)

XH2O+XCO2

(3)

式中：XCO为CO的摩尔份额；XH2为H2的摩尔份额；XCO2为CO2的摩尔份额；XO2为O2的摩尔份额；XH2O为H2O的摩尔份额；LH2,ign 为无点火器条件下燃烧发生的最小H2摩尔份额；LCO，ign为无点火器条件下燃烧发生的最小CO摩尔份额；XO2IG 为燃烧发生的最小O2摩尔份额；XMSCIG为H2O加上CO2的最大引燃摩尔份额。

小型堆堆坑无混凝土材料，在整个事故过程中不存在MCCI反应，没有CO和CO2产生，所以XCO、XCO2取值为0。又根据BUR程序模型，严重事故高压情况下，LH2,ign取值为0.07，XO2IG取值为0.05，XMSCIG取值为0.55。所以上述燃烧条件简化为：

XH2≥0.07

(4)

XO2≥0.05

(5)

XH2O<0.55

(6)

(2) 同上无点火器条件下爆炸发生条件如下：

XH2>0.14

(7)

XO2>0.09

(8)

XH2O<0.03

(9)

2 事故进程

事故触发后，全部电源丧失，控制棒夹持件断电松开，控制棒自动下落，反应堆立即停堆，主冷却剂泵惰转随后停止[4]。冷却剂从破口处向安全壳泄漏，泄漏率与破口当量直径有关，高温高压的冷却剂泄漏至安全壳后会立即部分闪蒸，安全壳温度、压力迅速上升；堆芯水位逐渐下降，系统压力降低，堆芯冷却剂开始沸腾、燃料裸露、堆内传热恶化，堆芯温度升高[7]；锆水反应开始，燃料包壳、控制棒、燃料和支撑结构等开始熔化。事故进一步发展，燃料元件坍塌、堆芯下板高温失效，堆芯内的熔融物坍塌，下封头蠕变失效，熔融物进入堆坑[6]。事故过程中水蒸气、氢气、放射性气体、气溶胶随破口进入安全壳。

本文采用两种方案计算小型堆破口叠加全部电源丧失事故，安全壳内都会出现氢气燃烧过程，但始终不会发生氢气爆炸过程。安全壳分层方案能够体现出安全壳内部不同位置氢气燃烧情况存在差异，但两种方案所得事故主要事件的时间序列基本一致。事故主要事件的时间序列见表1。

表1 主要事件的时间序列

3 计算结果分析

两种方案所得结果如图2所示，y轴为气体的摩尔份额，x轴为时间。其中各类气体摩尔份额满足阈值条件的部分用不同阴影把曲线与x轴部分描黑，故各类气体阴影重叠区即表示满足燃烧、爆炸阈值，存在氢气燃烧、爆炸现象。

集总参数计算方案中有安全壳和屏蔽水箱两个控制体，安全壳与屏蔽水箱之间由波动管连通，事故下氢气会经由波动管进入屏蔽水箱，也可能导致屏蔽水箱内出现氢气燃烧或爆炸。图2、图4利用模型中的燃烧阈值分别对以上控制体燃烧情况进行分析。如图2，事故触发7142s后，屏蔽水箱内H2摩尔份额达到0.096，O2摩尔份额达到0.113、H2O摩尔份额达到0.337，满足屏蔽水箱内气体燃烧条件，首次出现氢气燃烧；但事故后期水蒸气摩尔份额增加，逐渐超过氢气燃烧阈值，抑制了氢气的燃烧，燃烧过程不再发生。如图4，事故情况下，堆芯内部发生锆水反应产生氢气泄漏到安全壳内，氢气摩尔份额增加，水蒸气冷凝沉降摩尔份额降低。在事故触发7138s时，H2摩尔份额为0.100，O2摩尔份额为0.083、H2O摩尔份额为0.484，满足安全壳内气体燃烧条件，开始出现氢气燃烧过程；但事故后期燃烧过程消耗了O2，O2的摩尔份额不能满足气体燃烧条件，燃烧过程不再发生。

3.1 集总参数法计算方案所得结果

图2 屏蔽水箱内燃烧发生情况分析Fig.2 Analysis Diagram of Fire In Block Tank

图3 屏蔽水箱内爆炸可能性分析Fig.3 Analysis Diagram of Explosion In Block Tank

图4 安全壳内燃烧发生情况分析Fig.4 Analysis Diagram of Fire In Containment

图5 安全壳内爆炸可能性分析Fig.5 Analysis Diagram of Explosion In Containment

图6 安全壳内压力变化Fig.6 Pressure Chang In Containment

图7 屏蔽水箱内燃烧发生情况分析Fig.7 Analysis Diagram of Fire In Block Tank

图3、图5分别为氢气爆炸可能性分析。事故开始阶段，水蒸气摩尔份额大于0.3，高于爆炸阈值，但满足燃烧阈值，安全壳内发生氢气燃烧过程消耗氧气；事故后期O2的摩尔份额低于0.09，不能满足爆炸阈值。所以在整个事故过程中安全壳内不会发生氢气爆炸。

图6为事故过程中安全壳内气体压力随时间变化图。安全壳内发生几次氢气燃烧过程造成其内部出现压力脉冲，但安全壳压力峰值仅为安全壳最大设计压力的35%，不会导致安全壳超压，放射性物质和气溶胶仍然被包容在安全壳内部。

3.2 安全壳分层计算方案所得结果

安全壳分层计算方案中包含屏蔽水箱和安全壳底层、中层、上层四个控制体。图7、图8、图9、图10利用模型中的燃烧阈值分别对以上四个控制体的燃烧情况进行分析。如图7，事故触发7193s时，屏蔽水箱内H2、O2、H2O摩尔份额分别为0.100、0.113、0.33，满足屏蔽水箱气体燃烧条件，开始出现氢气燃烧过程，接着又相继出现四次氢气燃烧过程。

图8 安全壳下层内燃烧发生情况分析Fig.8 Analysis Diagram of Fire In Under Layer Containment

图9 安全壳中层内燃烧发生情况分析Fig.9 Analysis Diagram of Fire In Middle Layer Containment

如图10，事故触发7252s，安全壳上层802号控制体内H2、O2、H2O摩尔份额分别为0.1、0.127、0.263，满足安全壳上层气体燃烧条件，开始出现燃烧过程，以后又先后发生了五次氢气燃烧过程。如图8，事故触发8589s，安全壳下层800号控制体内H2、O2、H2O摩尔份额分别为0.1、0.125、0.248，满足安全壳下层气体燃烧条件，开始出现氢气燃烧过程，事故后期又先后发生了两次氢气燃烧过程。对比图10、图8，虽然破口位置处于中层，但氢气、水蒸气密度小，会先向上层聚集，随即水蒸气在上层结构材料冷凝，摩尔份额达到燃烧阈值，安全壳上层发生氢气燃烧较下层提前1337s。如图9，破口位于安全壳中层，事故开始阶段破口释放的水蒸气摩尔份额较高，大于0.55，不满足燃烧阈值；事故后期安全壳中层O2摩尔份额下降，小于0.05，不满足燃烧阈值。安全壳中层始终不会出现燃烧过程。综上图7、图8、图10，事故情况下，堆芯内部发生锆水反应产生氢气泄漏到安全壳内，氢气摩尔份额增加，水蒸气冷凝沉降摩尔份额降低，屏蔽水箱和安全壳上层、下层各类气体摩尔份额逐渐满足燃烧阈值，出现燃烧过程；事故后期各控制体内部由于燃烧，O2摩尔份额下降，小于0.05，无法满足燃烧阈值，氢气燃烧过程不再出现。

图11、图12、图13、图14分别对以上四个控制体爆炸可能性进行了分析。事故开始阶段，水蒸气摩尔份额过高，大于0.3，不满足爆炸阈值，但满足燃烧阈值，安全壳内发生氢气燃烧过程消耗氧气；事故后期O2的摩尔份额小于0.09，不能满足爆炸阈值。氢气爆炸过程始终不会发生。

图10 安全壳上层内燃烧发生情况分析Fig.10 Analysis Diagram of Fire In Top Layer Containment

图11 屏蔽水箱内爆炸可能性分析Fig.11 Analysis Diagram of Explosion In Block Tank

图12 安全壳下层内爆炸可能性分析Fig.12 Analysis Diagram of Explosion In Under Layer Containment

图13 安全壳中层内爆炸可能性分析Fig.13 Analysis Diagram of Explosion In Middle Layer Containment

图14 安全壳上层爆炸可能性分析Fig.14 Analysis Diagram of Explosion In Top Layer Containment

图15为事故过程中安全壳内气体压力随时间变化图。安全壳内发生几次氢气燃烧过程造成其内部出现压力脉冲，但安全壳压力峰值仅为安全壳最大设计压力的35%，不会导致安全壳超压，放射性物质和气溶胶仍然被包容在安全壳内部。

图15 安全壳压力变化Fig.15 Pressure Chang In Containment

3.3 计算结果比对

由前面计算分析可知，采用安全壳分层计算方案，能够准确模拟安全壳内各气体密度差导致的浓度差。氢气、水蒸气密度小，氧气密度大，事故触发后，氢气、水蒸气会向上浮升，氧气向下聚集，所以安全壳最上层控制体，H2、水蒸气摩尔份额相对较高，中层控制体内H2、水蒸气摩尔份额次之，下层最低，氢气燃烧频繁出现在安全壳上层。而集总参数法忽略了各类气体因密度不同造成的空间效应，计算所得氢气燃烧次数较安全壳分层计算结果少。

但两种方案计算小型动力堆破口叠加全部电源丧失事故，所得各类气体在安全壳内的摩尔份额变化趋势相同，都能正确体现出冷却剂泄漏至安全壳后的闪蒸、冷凝，以及安全壳温度、压力上升过程。计算结果都能得到在安全壳和屏蔽水箱内存在氢气燃烧过程，燃烧时间段大致相同，事故主要事件时间序列也基本一致，且事故过程中安全壳内都没有氢气爆炸过程，安全壳实际压力与安全壳最大设计压力之比小于1，不能导致安全壳超压，放射性物质和气溶胶仍然被包容在安全壳内部。

集总参数法可用于本文研究的小型动力堆破口叠加全部电源丧失严重事故计算，满足核应急早期适时、超时需求。

4 结论

本文利用集总参数法和安全壳分层两种计算方案，分别计算小型动力堆在破口叠加全部电源丧失严重事故下安全壳内氢气行为，得到如下结论：(1) 此类严重事故下，安全壳内会出现氢气燃烧过程，但始终没有氢气爆炸过程。(2) 此类严重事故下，安全壳的氢气燃烧不会导致安全壳超压。(3) 集总参数法和安全壳分层两种方案计算结果的事故进程基本相同、事故主要时间节点基本一致。事故过程中都会导致反应堆堆芯熔融坍塌、压力容器失效、安全壳失效，H2通过破口释放到安全壳内。(4) 安全壳分层计算方案所得氢气燃烧次数较集总参数结果多，但两种方案得到的燃烧时间段大致相同，安全壳内的分层计算不影响计算结论。在破口叠加全部电源丧失事故应急指挥过程中，可以采用安全壳集总参数法，为应急指挥节约更多的计算时间。(5) 小型堆安全壳内爆炸可能性较小。主要由于小型堆安全壳净空间较小，事故初期安全壳内水蒸气摩尔份额较高，抑制了氢气爆炸的可能性，事故后期由于燃烧使氧气的消耗，也无法满足安全壳内的爆炸阈值。

[1] 胡欢.核反应堆压力容器及制造[J].装备机械，2010，4：(20-25).

[2] 张帆，陈航，张彦召，晏峰.船用堆破口叠加全船断电事故进程及后果研究[J].原子能科学技术，2015，49(1)：115-120.

[3] 朱继洲，著. 核反应堆安全分析[M]. 西安：西安交通大学出版社，2004.

[4] 陈航，张帆，晏峰，王坤. 小型堆断电严重事故缓解措施分析[J]. 核动力工程，2015，36(2)：62-65.

[5] MELCOR computer code manuals，Vol.1：Primer and users guides[R]. US：Sandia National Laboratories， 2000.

[6] 齐盼进，肖岷，孙吉亮，等.大亚湾核电站全场断电诱发的严重事故过程研究[J].核动力工程，2005，26(6)：55-57.

[7] 谢仲生.反应堆物理分析[M].西安：西安交通大学出版社，2004.

Analysis of Hydrogen Combustion and Explosion for SeriousAccident of Small Reactors

WANG Kun1，ZHANG Fan1，YUAN Ming-li1，ZHAO Xin-wen1，XU Hao2

(1. Department of Nuclear Energy Science and Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan，430033，China；2. 92730 forces)

Using MELCOR code，the combination of LOCA and blackout accident sequence in small reactors under full power operation was calculated，and the probability of hydrogen combustion and explosion was analysed. The results show that these severe accidents lead to the bareness of the reactor core and the CMAs at last. At the same time hydrogen produced by zirconium and water reaction leaks and increases in the containment，so hydrogen combustion will happen at local space of the containment and the block tank. But hydrogen explosion will not happen as the high mole fraction of the steam and low mole fraction of oxygen in small volume of the containment.

Small reactor；MELCOR；Severe accident；Hydrogen combustion and explosion

2015-12-02

国家自然科学基金资助项目(11075212)

王 坤(1991—)，男，山东沂南人，硕士研究生，从事反应堆安全分析研究方向

TL4 TL364

A

0258-0918(2016)04-0510-10