AP1000核电站安全壳内氢气控制

胡青松

AP1000核电站作为第三代反应堆，在事故情况下安全壳内氢气控制上采取了能动和非能动相结合的方式控制厂房氢气浓度。能动控制采用蓄电池供电的了氢气点火器，非能动控制则采用催化直接化学反应的非能动氢气复合器。通过这两种方式的设计能够在设计基准事故时，安全壳总体氢气浓度应被限制在4%以内。发生严重事故时，控制安全壳氢气的浓度水平应与规定要求相一致。同时由于采用了非能动设计，能够从根本上避免福岛核事故中安全壳氢气浓度控制失效而导致的氢气爆炸，保证放射性物质控制在安全壳内。

氢气控制系统主要包括3台氢气探测器，2台非能动氢气复合器和64个氢气点火器。其中3台氢气探测器可以提供连续的安全壳氢气浓度监测和指示，为事故后监测和事故后缓解操作的运行评估提供输入信号。一旦安全壳内氢气浓度有变化，在10秒内就能探测到氢气浓度变化的90%，在氢气浓度达到高值时在主控室和远方停堆工作站报警，提醒操纵员采取措施。氢气探测器是非安全相关设备，由非1E级电源供电，主要用于在严重事故后，氢气浓度快速变化时，为操纵员提供及时的氢气浓度数据，探测器的工作范围是0-20%氢气浓度。这个范围能够涵盖氢气爆燃、爆炸事故的所有氢气浓度范围。

非能动氢气复合器没有转动部件，不需要电源或其它任何支持系统，在有反应物（氢气和氧气）时自动启动。非能动氢气复合器由一个不锈钢包壳构成，不锈钢包壳提供结构支撑，也为催化材料提供支撑。包壳在底部和上部开口，并在催化层上部延伸而构成一个烟囱，这可产生额外的升力来增强效率和装置的通风能力。催化材料被放置在网状加药箱内或在金属板酶催化材料上。气体在加药箱和金属板之间的空间流动。在运行期间，非能动氢气复合器内的气体在复合过程中被加热，通过自然对流上升。当被加热的气体上升时，安全壳气体混合物被吸入非能动氢气复合器的底部，被加热的同时也产生水蒸气 ，通过安全壳大气混合处的烟囱排出。由于在非能动氢气复合器内的反应是放热反应，催化剂的温度可能达到600℃甚至更高。正常情况下，氧气和氢气只在高温（约大于600℃）时快速燃烧。然而，在有催化剂的情况下（如钯基），催化燃烧即使在温度低于0℃也能发生。由于催化剂表面原子或分子的吸引力，催化剂的表面可吸收氧和氢。在设计上，PARs使氢气复合速度满足预期的LOCA事故时氢气产生的速率。两个PARs安装在安全壳内操作平台上方，分别在标高18.9m和20.1m，处于淹没层的上面，每个与安全壳壳体距离为4m。PARs安放的位置保证了PARs处于氢气潜在释放点的上部，离安全壳4m的距离是确保在自然循环的时不是处于空气下降区，而是在自然对流时空气上升区，这样利于含氢气的空气从PARs的下部入口进入，上部出口出去。

在事故早期阶段氢气积累前，自动复合器可以使氢气和氧气自动复合，针对氢气产生比较少的设计基准事故，氢气复合器完全可以将氢气浓度控制在安全浓度范围内，针对超基准事故，可以降低氢气积累的速度，为操纵员启动氢气点火器提供时间。操纵员打开氢气点火器的有两个依据，一个是氢气探测器来的氢气浓度，一个是堆芯出口温度。在发生严重事故时，相对于氢气浓度的快速上升，反应堆出口温度会更早的达到648.9℃，此时操纵员手动打开氢气点火器。66个氢气点火器的设置是针对超基准事故，控制在发生严重事故和堆芯融化时，在100% 锆和水反应的氢气浓度小于10%氢气浓度，被分为两组，正常由厂外电供电，當厂外电不可用时，由非安全级的备用柴油发电机供电，若柴油发电机启动失败，则由非1E级蓄电池供电4个小时，在发生此种情况的两个小时后，需要手动卸载掉蓄电池上的其他负荷，以保证蓄电池的容量。如果在厂外电源、备用柴油发电机丧失的同时，EDS也丧失，在发生堆芯熔化的严重事故时，VLS不能够除去安全壳内积累的大量氢气，由于氢气点火器的功率很小（0.1KW/个），并要求启动的时间比较早，可以通过在现场配备抗震、抗海啸、抗水淹的小型柴油发电机组，在发生地震事故后及时向氢气点火器供电;同时可以考虑在钢制安全壳顶部加装放气阀，在氢气点火器所有电源丧失后，钢制安全壳内氢气积聚时，向外可控的排放氢气，以保证安全壳的完整性。

综上分析，AP1000核电站基于能动和非能动设计相结合的氢气控制系统能够在正常运行和设计基准事故时维持安全壳内氢气浓度在限值范围内，即使发生福岛核事故类似的全厂失电外事故，也有足够的措施限制氢气浓度，确保安全壳的安全。