秦山第三核电厂氢气控制系统改进探索

□王建锋

一、引言

2011年3月11日，日本福岛核电站因地震及后续海啸引发INES(核事故分级系统)7级特大核事故。福岛核电站四个机组的反应堆厂房先后发生氢气爆炸，使得放射性物质大量释放到环境中，并引起了公众的极大恐慌。

日本福岛核电站放射性泄漏的一个较为主要的原因为反应堆堆芯密封核燃料的锆包壳管，在温度高于850℃时，高温锆合金包壳与蒸汽发生剧烈化学反应，反应式为：Zr+2H2O=ZrO2+2H2，此过程伴随放热并产生氢气，即所谓的锆水反应。锆水反应释放大量的氢气，氢气在安全壳内与氧气混合超过爆炸极限浓度，发生爆炸致使福岛核电站反应堆厂房坍塌。

秦山第三核电厂(以下简称秦三厂)原来的氢气控制系统由44台氢点火器组成，福岛核电站事故后，在反应堆安全壳内增加了18台非能动氢气复合装置，这两套系统一起使用，相互配合，可以复合掉严重事故后安全壳内产生的氢气，保证了安全壳的完整性。本文主要对非能动消氢复合系统在秦三厂重水堆的应用情况进行分析介绍。

二、消氢点火装置优势以及存在的不足

秦三厂两台机组各设有由44台氢气点火器组成的氢气控制系统，其主要部件是表面高温式的点火线圈。当线圈通电后，表面温度能在120秒内上升到750℃并引燃氢气。消氢点火器的结构如图1所示。

图1

消氢点火器在设计时只考虑了设计基准事故的两个事故序列，没有考虑严重事故情况，这两个序列是：LOCA(丧失冷却剂事故)+LOECC(丧失应急堆芯冷却)；LOCA事故24小时后SDE地震(厂址设计地震)。

日本福岛核电站事故后，秦三厂在电气系统增加了移动柴油发电车的接口，当发生严重事故后，如果发生全厂失电事故，移动柴油发电车到达达现场启动，通过新增的移动电源接口柜以及低压配电母线为氢气点火器的控制盘供电，分布在安全壳内的44台点火器得电后就可以通过点火消除氢气。

消氢点火器优势在于单位时间消氢量大，其不足有以下三点：一是能够连续运行的时间为7天，并且需要操纵员手动干预，适时进行停运；二是需要动力电源，严重事故后如果全厂失电，在柴油发电车到达之前无法使用；三是能够承受的环境温度和压力值可能无法包络所有严重事故工况。所以，有必要在安全壳内增设非能动氢气复合装置。

三、秦三厂非能动式氢气复合器介绍

(一)非能动式氢气复合器功能。当核电厂发生严重事故时，安全壳内氢气浓度超过非能动氢复合器启动阈值，复合装置无需人员干预，将会自动投入，并能够长期有效运行，消除安全壳内的氢气，控制锆水反应产生的氢气在安全壳内的体积浓度不超过10%，确保不会发生氢气爆燃或者爆炸，保证反应堆安全壳的完整性。

(二)非能动式氢气复合器原理。非能动的消氢复合装置是非能动设备，它不需要动力电源或其它支持系统，也没有任何转动部件。当安全壳内氢气浓度超过其启动阈值(1%～2%)，复合装置就会自动投入运行。氢复合装置有一个不锈钢外壳提供装置结构，催化剂安放在复合装置外壳底部，外壳能够支撑催化剂，催化剂起到加速氢氧复合的作用，本身在运行中不会损耗。外壳的底部和顶部留有开口，发生严重事故时，安全壳内加热气体上升，空气氢气混合物从底部进入复合装置，在催化剂的作用下，由氢氧放热反应加热后，氢复合器内外气体的温差，形成烟囱效应，再从复合装置上部排出，与安全壳大气混合，如此反复的对流循环，持续不断地消除反应堆内的氢气，使反应堆安全壳内的氢气浓度控制在安全范围内。非能动消氢复合装置示意图如图2所示。

图2

(三)秦三厂非能动式氢气复合器性能指标。秦三厂非能动的消氢复合器是非核级设备，其抗震等级为DBEA类(设计基准地震A类，类似压水反应堆的SSEII类)，复合装置壳体为不锈钢材质，催化剂活性组分为铂/钯。现场安装有两种规格，其中16台消氢能力为2.4kg/h，2台消氢能力为5.4kg/h，总消氢能力为49.2kg/h。复合装置的具体性能如表1所示。

表1 复合装置的具体性能

(四)非能动氢复合器与消氢点火器性能对比。与氢气点火器比较，非能动氢复合器完全非能动，并可以承受严重事故的恶劣情况并能持续工作，但也有单位时间消氢量有限的缺点，具体如表2所示。

四、非能动消氢系统的安全分析评价

秦三厂氢气控制系统非能动复合器的设计以MELCOR1.85程序为分析工具，建立安全壳分析模型，根据运行阶段概率安全分析中引起严重堆芯损坏的始发事件的排序和重水堆严重事故序列的特点，选取了失去全部四级电源、主热传输系统支管滞留型破口和大破口三个始发事故序列，开展严重事故情况下安全壳内的氢气浓度分析，分析中充分考虑了秦三厂重水堆的特殊情况，严重事故后氢气产生量按照相当于100%堆内锆与水反应产生的氢气量进行了分析。

表2 非能动氢复合器、氢点火器比较

分析表明，增加非能动式氢复合器后，只有在极端情况下堆芯熔融物与混凝土相互作用的后期才会进入氢气燃烧区域，但不会进入燃爆转换区，能确保安全壳内平均氢浓度不超过10%，满足要求。

五、秦三厂非能动式消氢系统实际效果评价

工作人员定期对所有复合装置内的板片进行抽样试验，每台非能动氢复合器抽取三片进行消氢效率试验，氢复合器设计要求在15分钟内降至入口浓度的40%以下，实际结果全部在2分钟内达到目标值，完全满足要求。

六、结语

非能动消氢复合装置安全可靠，完全达到了改造的预期目标，在严重事故情况下，可以有效降低安全壳内的氢气浓度，防止可能的氢气爆炸对安全壳完整性产生威胁或导致所需的缓解功能丧失。非能动消氢复合器与原有的消氢点火器两套系统配合一起使用，优缺点形成互补，可以在各种环境条件下安全有效地消除氢气，增强了秦山第三核电厂重水反应堆安全壳氢气控制系统的冗余性和多样性，可以确保秦山第三核电厂安全壳在严重事故下的完整性。