反应堆安全壳氢气控制措施简介

2020-08-14陶舒畅曲自信颉利东

科技视界 2020年22期

陶舒畅叶竹秦婧曲自信颉利东

0 前言

1979 年美国三哩岛核电厂事故过程中，反应堆压力容器上部不可凝气体的积聚对电厂安全造成了重大威胁。燃料元件的主要成分包括锆氧化物，在发生燃料包壳烧毁的严重事故下，锆-水反应会产生大量的氢气，这些氢气释放到安全壳，最终会由于氢气燃烧造成了约0.2 MPa 的安全壳峰值压力，对安全壳内的设备造成了破坏并直接威胁到安全壳的完整性。

核电厂事故发生后的氢气风险受到了广泛的关注。各国都制定相关的管理规程，对反应堆失水事故（LOCA）后安全壳内氢气的长期产生和分布情况提出了控制要求。过去的考虑更多针对设计基准事故，氢气缓解主要通过启动堆芯应急冷却系统来维持堆芯内金属与水的反应在较低强度下，从而限制氢气产生。堆芯与安全壳地坑内水辐照分解等产生氢气的过程相对较慢，在设计基准事故下，氢气聚集到可燃浓度的时间足够启动不同措施来控制安全壳内氢气浓度，防止爆炸。大多数核电站都采取气体混合装置和复合器来保证局部氢气浓度在4%以下。目前，世界各国对氢气的产生、分布、燃烧、爆炸以及氢气风险的预防与缓解等方面进行了众多的研究，并发展了许多的氢气缓解和控制系统[1-3]，如复合器、点火器、惰化措施等。

本文总结了反应堆安全壳氢气控制系统设计过程中应当遵循的法规、章程等，介绍了目前氢气控制的主流措施，并系统阐述了不同控制控制措施的主要优缺点，以便为反应堆安全壳氢气控制系统设计提供参考。

1 氢气控制相关法规、章程

1.1 美国法规、章程

美国联邦法规10，Code of Federal Regulations 50.34 中规定，氢气控制系统应能够安全地容纳100%材料包壳金属-水反应所产生的氢气：

（1）如果事故释放出相当于100%包壳金属-水反应所产生的氢气，氢气控制系统必须保证安全壳内平均氢气浓度在10%以下，或者事故后安全壳大气不能够支持燃烧。

（2）氢气积累的区域不会发生导致安全壳完整性或关键缓解措施丧失的不可控爆燃或爆炸。

（3）如果事故释放出相当于100%包壳金属-水反应所产生的氢气，在氢气控制系统运行创造的环境条件下，触发并维持反应堆安全停堆以及维持安全壳完整性所需要的关键设备可以完成其安全功能。

（4）如果氢气控制方法选择了事故后惰化系统，那么电厂正常运行期间氢气控制系统的意外动作造成的后果可以被消纳。

美国联邦法规10，Code of Federal Regulations 50.44 对核反应堆中可燃气体的控制还有如下规定：

（1）所有的安全壳都必须有能力保证一个混合稀释的环境，即在安全壳的任意部分，可燃气体的浓度都小于燃烧和爆炸所需浓度。

（2）所有Mark I 和Mark II 沸水堆安全壳都必须维持惰化的环境，即安全壳内氧气浓度保持在4%以下。

（3）惰化后的安全壳必须有氧气浓度检测设施。在超出设计基准事故的情况下，氧浓度检测设施必须能够可行、可靠的持续测量安全壳内氧气浓度。

（4）安全壳内必须有氢气浓度检测设施。在超出设计基准事故的情况下，氢浓度检测设施必须能够可行、可靠的持续测量安全壳内氢气浓度。

1.2 中国相关法规、章程

中国国家核安全局（NNSA）2002 年在《新建核电厂设计中几个重要安全问题的技术政策》中有如下规定：

（1）压力容器的支撑和堆腔结构应能承受压力容器熔穿的影响，对安全壳内部构筑物应考虑局部氢爆燃等影响。

（2）在严重事故下应能维持安全壳的完整性。要考虑可燃气体的燃爆效应，必须消除威胁安全壳完整性的大体积氢爆燃。

此外，国家核安全局在2004 年颁布实施的《核动力厂设计安全规定》中对安全壳内气体的控制和净化提出了要求：

（1）必要时，必须设置用以控制可能释放到反应堆安全壳内的裂变产物、氢、氧和其他物质的系统，借以：a）减少设计基准事故下可能释放到环境的裂变产物的数量。b）控制设计基准事故下安全壳气体中的氢或氧和其他物质的浓度，以防止可能危及安全壳完整性的爆燃或爆炸。

（2）安全壳气体净化系统的部件和设施必须在假设单一故障下要求具有适当的多重性，以保证安全组合完成所要求的安全功能。

（3）必须充分考虑在严重事故下控制可能产生或释放的裂变产物、氢和其他物质的措施。

2 氢气控制措施

2.1 混合（Mixing）

将氢气与安全壳内空气混合是最容易实现的一种氢气控制方式。对于设计基准事故和大部分严重LOCA 事故条件下，通过混合稀释氢气并维持氢气浓度在燃烧极限以下是短期内氢气缓解的一种主要方式。大型干式安全壳独有的氢气混合能力可以稀释大量氢气并保证可燃浓度不会达到。混合可通过一些自然机理实现，例如对流和扩散，包括能够有效利用自然机理的安全壳设计。一些工程系统，如冰冷凝器和喷淋器等，可以加强或有效利用这些自然机理。一定的能动设备可以创造所需要的混合和扩散模式，例如风扇、冷却器或通风系统等。尽管混合是一种有效的氢气缓解方式，但是当氢气释放量超过了安全壳内空气能够稀释的范围时，仍然需要其他的方式来避免可燃气体的形成。

2.2 事故预惰化（Pre-inerting）

对于那些需要绝对禁止氢气燃烧的安全壳，在核电厂投入正常运行之前，必须降低安全壳空气中氧气的浓度。为了达到这个目的，通常向安全壳内注入氮气来降低氧气的浓度，使其保持在氢气的可燃浓度水平以下。

图1 Mark Ⅰ安全壳可燃气体控制系统

图1 为Mark Ⅰ沸水堆安全壳可燃气体控制系统示意图。Mark Ⅰ沸水堆在正常运行期间主安全壳内氧气体积浓度必须维持在4%以下。当主安全壳内氧气浓度超过限制时，要求在24小时内恢复氧气浓度在4%以下；如果相应的动作或者需要的时间不能满足，那就要求反应堆功率在8 小时内降低到额定功率的15%以下。

安全壳惰化系统由一套氮气净化供应设备和一套氮气补给供应设备组成。氮气净化供应设备用来创造主安全壳内初始的惰化环境。氮气净化供应设备包括一个液氮储存箱，一个气体发生器（使液氮转变为气体状态）和向安全壳通风线路传递氮气的阀门管道组成。氮气通过净化供应管线以1.416-2.14 m3/s 的速率供给主安全壳，同时主安全壳内的气体被排放到备用气体处理系统（Standby Gas treatment System，SGTS）或者 HVAC 系统（Heating Ventilation and Air Conditioning System，HVAC）的排气通风管。这个过程一直持续到主安全壳内氧气浓度低于4%，大约经历四个小时和3-5 个安全壳气体体积的变化。

主安全壳内的惰化环境形成以后，氮气补给供应设备按照温度的变化以及泄露的要求继续向安全壳内供应氮气。氮气补给管线和净化管线共用一个液氮储存箱和自带的气体发生器。补给管线通过阀门调节经由管道向主安全壳内提供氮气，主安全壳由于氮气的供给会保持轻微的正压力。

2.3 事故后惰化（Post-accident inerting）

事故后惰化就是在事故发生后，向安全壳内注射不可燃气体或者燃烧抑制气体，例如氮气和二氧化碳。能否在形成可燃混合气体之前迅速地注入气体，取决于操纵员的干预，因此这个措施除了需要相应的设备系统外，还需要一套切实可行的事故判断准则。目前，事故后惰化系统尚未应用于核电厂，但是理论研究表明事故后惰化能够有效阻止氢气的燃烧，但同时会导致安全壳压力升高，因此放射性向外界泄漏的概率也相应增加。

2.4 事故后稀释（Post-accident dilution）

事故后稀释是通过按照一定方式向安全壳内注射少量的不可燃气体来达到与完全惰化相同的效果。完全惰化会导致安全壳升压，带来安全性影响。而且事故后惰化的操作规程和系统启动准则等尚有许多不确定性。为了避免氢气局部爆炸，在氢气释放源附近注射少量惰化气体，可以明显地降低该区域混合气体爆炸的可能性。目前，事故后稀释已经得到了分析论证，但是还没有投入到实际应用中的例子。

2.5 催化复合器（Catalytic recombination）

催化复合器利用催化剂使氢气和氧气在可燃浓度范围以外发生氧化反应产生水。最新的氢气复合器是非能动的，利用氧化反应产生的热量使气体流动，形成自然循环。非能动氢气复合器（PAR）不需要外界能量或者操作者干预，只需要将复合器安装在安全壳内合适的位置。催化复合器的应用强化了气流在安全壳隔间内的对流，同时也加强了各气体组分的混合。但是催化复合器的氢气移除能力是有限的，它容易受到传质限制，而且不能够应对较高的氢气释放速率，例如在氢气源附近，复合器可能就没有足够的能力来移除氢气。非能动氢复合器在任何反应堆设计中都可以很好地被接受，目前经济简化型沸水堆ESBWR 的安全壳设计也采用PAR 来控制氧气浓度。

图2 ESBWR 安全壳可燃性气体控制系统

图2 为ESBWR 安全壳可燃性气体控制系统（Flammability Control System，FCS）缓解氢气风险示意图。事故后，当安全壳内氧气浓度较高时，FCS 通过氢气复合器（PAR）来消除氢气，降低氢气浓度，缓解氢风险。FCS 不需要辅助电力、辅助系统和任何操作，是完全非能动的系统。ESBWR 安全壳湿井内均匀分布了三个氢气复合器，它们安装在湿井较高的位置，从而可以避免池膨胀冲击载荷。干井内有两个完整能力单元的PAR，它们以四分之一能力单元的形式分布在干井容易出现冷凝的区域，其中的六个四分之一的单元分布在干井顶部，其余两个四分之一单元分布在干井下部。

2.6 直接点火（Deliberate ignition）

主动点火的理论依据和假设是严重事故下安全壳内不可避免地存在随机的点火源（如电火花、电缆等），与其如此，不如在氢气"安全浓度"的范围内利用点火器主动点燃氢气，使之缓慢燃烧，不让氢气累积，从而消除氢气避免更严重的氢气爆炸发生，威胁安全壳完整性。目前较为成熟的点火器有火花塞式点火器（Glow-plug igniter）、电击发式点火器（Spark igniter）、催化式点火器（Catalytic igniter）三种。

Mark III 安全壳体积较大，惰化措施不再适用于此类安全壳。Mark III 安全壳通常采用混合，氢气复合器或直接点火的方式控制氢气。

图3 Mark III 安全壳可燃气体控制系统

如图3 所示，安全壳可燃气体控制系统（Containment Combustible Gas Control System，CCGC）可以防止主安全壳内氢气浓度超过可燃极限4%。在LOCA 事故后，CCGC 系统能够混合干井内和安全壳内的气体。当干井内氢气浓度开始增加的时候，干井混合压缩机会由操作人员人工启动。安全壳内的空气由泵抽取到干井内，使干井内压力上升。干井压力的升高会抑制环形喷水阀，从而使干井内的气体与安全壳内的气体混合。LOCA 事故后，尽管干井内的气体混合持续进行，但是氢气一直在产生，最终安全壳内氢气浓度会达到4%可燃极限。这时要求氢气复合器和氢气点火系统人工启动来消除氢气。干井压力通过排气和后备清洗管线排放到环形屏蔽建筑内。如果LOCA 事故时氢气复合器不能正常运行，干井内的排气阀门会打开用以后备清洗。这条流通路径允许大约0.047 m3/s 的空气从干井流向环形屏蔽建筑，然后气体在环形建筑内消除或者由备用气体处理系统处理。