核电厂氢气控制系统布置原则与现场踏勘问题探讨

丁 超，徐 朋，仇苏辰，李 扬，宋明强,*

（1.生态环境部核与辐射安全中心，北京 100082；2.生态环境部华东核与辐射安全监督站，上海200233；3.福建福清核电有限公司，福清 350318）

2016年新发布的《核动力厂设计安全规定》（HAF 102—2016）［1］要求：“设计必须做到实际消除可能导致早期放射性释放或大量放射性释放的核动力厂工况发生的可能性”“安全设计的基本目标是在技术上实现减轻放射性后果的场外防护行动是有限的甚至是可以取消的”。为实现HAF 102—2016提出的安全目标，国家核安全局发布了《“华龙一号”融合方案核电项目审评原则》（简称《审评原则》）［2］，其中，对严重事故下安全壳内可燃气体控制提出设计要求：“采取氢气复合器、氢气点火器等措施控制安全壳内可燃气体浓度时，应明确这些装置的布置原则，并辅以评价，表明布置原则的合理性”。《审评原则》在严重事故可燃气体安全分析中，着重强调可燃气体控制装置的布置原则。因此，全面地认识并提出适用于我国先进压水堆核电厂技术的氢气控制装置布置原则，对提高我国核电厂氢气安全水平具有重要意义。

1 氢气安全分析的构架

氢气安全分析是严重事故安全分析中的重要内容，其目的是验证氢气控制系统的有效性。氢气安全分析的主要内容包括：（1）质能释放分析，使用MAAP等一体化程序分析严重事故瞬态，计算质能释放源项；（2）整体消氢效果分析，使用集总参数法程序分析安全壳内平均氢气浓度，确定非能动复合器的总个数和总体布置原则，并验证消氢系统的有效性；（3）总体方案评估，对确定的氢气控制系统进行详细的计算和评估，包括氢气燃烧风险评估、安全壳内温度与压力的评估等。

典型结合集总参数法程序与三维CFD程序的氢气安全分析计算路线图［3］如图1所示。氢气安全分析中的定量化验收准则为：按照反应堆堆芯活性区全部的锆与水发生反应产生的氢气量评价安全壳内氢气控制措施，安全壳内平均氢气浓度小于10%［4］。在安全分析中仅以10%的验收准则分析消氢控制的有效性是不够的，但是国内缺少足够翔实的布置原则以及相应的设计与开发实践。

图1 核电厂氢气风险计算分析技术路线示意图Fig.1 Technical roadmap of hydrogen risk analysis calculation for NPP

2 国际上布置原则的调研

2.1 美国先进核电厂对布置原则的考虑

SYSTEM80+是美国ABB/CE公司设计的一座1 350 MW的先进核电厂，该核电厂遵照先进轻水堆用户要求文件（URD）和美国核管会关于先进核电厂严重事故的政策要求进行设计，并且按照核管会新的执照程序获得了FDA（Final Design Approval，最终设计批准）［5］。

2.1.1 氢气控制系统设计目标

（1）氢气点火器系统将安全壳整体氢气浓度控制在8%以下，局部氢气浓度控制在10%以下，确保安全壳内不会发生爆炸。安全壳的完整性通过等容绝热燃烧（AICC）峰值压力小于ASME Level C限值的分析来验证说明。

（2）对于局部子空间或小房间内氢气浓度高于10%的情况，需要保证氢气混合物不会爆炸（通过蒸汽惰化或氧气耗尽等办法实现），即使爆炸也不会威胁安全壳的完整性。

2.1.2 氢气控制系统布置原则制订的主要依据

SYSTEM80+氢气控制系统相关布置原则是基于比例台架的试验观测结果制订的，在其制订中，首先设置考虑因素的优先次序，并按照功能对布置准则进行了分类概述：

（1）可靠性及电源冗余性；

（2）布置位置的可维修性；

（3）技术性布置准则：

a.点火器布置的流道技术要求，首先应考虑主导流通通道，同时考虑二级流通通道，且应布置在氢气容易点着的位置。技术布置准则主要基于从试验观测结果中归纳的专家判断制订。

b.封闭空间是氢气容易聚集区域，同时也可能成为氢气释放的源项。为控制封闭区域在通风条件下的氢气风险，SYSTEM80+的所有封闭空间至少布置一台点火器。

c.点火器布置的间隔距离同样基于比例试验结果设置：点火器之间间隔50～75 in（1 in=0.304 8 m）；为了促进火焰向上燃烧，点火器距离房顶至少10 in。

2.2 欧洲先进核电厂对布置原则的考虑

欧洲压水堆核电厂（EPR）机组由Framatome-ANP联合EDF以及德国用户开发，以法国N4和德国KONVOI机组为基础，采用先进核电技术演变而来。机组的设计考虑了法、德安全专家提出的“下一代压水堆设计和建造的技术要求”［6］。

2.2.1 氢气控制系统的设计安全要求

法国对于压水堆氢气控制系统有以下3方面的设计安全要求：

（1）AICC压力应小于安全壳的设计压力；

（2）为避免安全壳内的整体燃烧，要求安全壳内平均氢气浓度小于8%；

（3）为降低发生火焰加速的可能性，降低动态压力载荷，要求安全壳局部氢气浓度小于10%。

2.2.2 氢气控制系统布置原则制订的主要依据

非能动氢气复合器布置原则是：保持复合器周围良好的通风条件，实现复合器有较大的进气和出气流量，以增强复合器的工作效果。

非能动氢气复合器与安全相关设备之间应留有合适的距离。例如，复合器的布置应与安全相关电缆托架之间留出合适的距离，以避免复合器的出口高温对电缆造成损坏而失效。相应的定量化设计准则与布置原则［7］如下：

（1）在距离非能动复合器入口、出口半径0.5 m的范围内，不应有障碍物。本条原则同样适用于复合器入口与地面的最小距离，以及出口与房顶的最小距离；

（2）在距离复合器0.2 m的范围内，不应有易燃设备和物品；

（3）在距离复合器5 m的范围内，不应有用于严重事故管理的安全相关设备（布置在复合器表面的热电偶氢表测量系统除外）。

3 核电厂现场踏勘中发现的问题

氢气控制系统布置原则的制订离不开对现场情况的考虑。笔者以现场踏勘的方式，实际走访了正在建设安装阶段的反应堆厂房（安全壳内），发现了一些重要问题，举例如下：

（1）安全壳主要隔间的结构复杂，而三维氢气安全分析计算均以简化的方式进行处理，存在不确定性。

以蒸汽发生器隔间与稳压器隔间为例，如图2～图5所示。隔间内的布置非常复杂、紧密，而在氢气三维计算的实际建模中采用的系统设备与隔间的尺寸都来自二维的设计图纸，对于流道上的障碍物，如格栅楼板、楼梯等均以模型简化的方式处理，存在不确定性。同时，笔者在现场踏勘中发现蒸汽发生器、稳压器等主设备在加装保温层后，体积增加了很多，隔间中相应的流通截面随之减小。

（2）以挂墙的方式安装非能动氢气复合器受较大的空间限制。

氢气本身的密度较空气要小很多，从一回路中释放的氢气在事故中将主要向上流动和扩散。相应地，非能动氢气复合器也需要在隔间的上部区域布置。但是从稳压器与蒸汽发生器隔间的现场踏勘情况来看，如图2～图5所示，隔间内部竖直方向上的空间较狭窄，而氢气复合器的体积又比较大，在隔间内部墙面上布置存在空间限制。

图2 蒸汽发生器隔间现场图（一）Fig.2 Scene of steam generator compartment(1)

图3 蒸汽发生器隔间现场图（二）Fig.3 Scene of steam generator compartment(2)

图4 稳压器隔间现场图（一）Fig.4 Scene of pressurizer compartment(1)

图5 稳压器隔间现场图（二）Fig.5 Scene of pressurizer compartment(2)

（3）主泵隔间顶部的盖板在事故期间是否能够保持敞开需要重点关注

现场踏勘发现，主泵隔间上方的盖板在建造安装阶段关闭，如图6、图7所示。主泵隔间上方的开口是主泵隔间重要的气体流通通道，决定可燃气体是否会在主泵隔间发生聚集。因此，必须确定主泵隔间的盖板在核电厂运行及事故情况下的打开情况。

图6 主泵隔间现场图（一）Fig.6 Scene of primary pump compartment(1)

图7 主泵隔间现场图（二）Fig.7 Scene of primary pump compartment(2)

（4）卸压箱隔间上部的流通通道的管线布置情况

卸压箱隔间中，尽管在卸压箱的斜上方有较大的开口，增加了隔间的流通性，但隔间流通通道上布置了很多管线，例如，稳压器排放管线、仪控线缆桥架、金属套管线缆等，如图8、图9所示。一方面，由于卸压箱隔间上方的流通通道是氢气流通扩散的重要流道，所以，该流道上发生氢气燃烧的可能性较大；另一方面，流通通道上的障碍物也会增大发生湍流的可能性，进而增大火焰加速与燃爆转变的风险。因此，氢气主要流道上的管线布置需要通过布置原则的制订和执行来进一步优化和改进。

图8 卸压箱隔间现场图（一）Fig.8 Scene of relief tank compartment(1)

图9 卸压箱隔间现场图（二）Fig.9 Scene of relief tank compartment(2)

4 我国布置原则的初步探讨

根据对美国和欧洲氢气控制系统布置原则的调研可知：系统全面的布置原则首先应包括安全目标；其次至少应包括：技术类布置原则、可维修性以及对其他设备的影响等方面；再次，布置原则需要有定量化的技术要求，不可过于宽泛，不利于现场执行；最后，根据现场踏勘问题总结：氢气控制系统的布置应结合氢气流通扩散的主要流道进行，并需要安全分析软件的模拟计算验证。

4.1 布置原则中优先级考虑

以非能动氢气复合器为例，安全壳内布置原则主要考虑以下3个方面的优先级次序：

（1）保证非能动氢复合器的消氢效果，具体细则应包括：

a.在氢气积聚的隔间安装；

b.应考虑氢气产生的可能位置（管道、设备高度等因素）、须考虑破口蒸汽冲击及飞射物冲击对氢复合器结构完整性的影响；

c.应考虑主要非能动氢气复合器引起的氢气流动，布置位置能够促进安全壳整体大空间和局部氢气流动和分布；

d.避免布置在喷淋系统可直接喷淋到的区域；

e.避免喷淋可直接喷射进入氢复合器壳体的开口部分；

f.防止热冲击；

g.尽量就高布置，地装氢气复合器的吸入口与地面保持一定距离，以保证氢复合器良好的流通条件。

（2）保证维修和定期试验，具体细则应包括：a.保证维修和定期试验的可达性；b.与高放射性设备保持足够距离。（3）避免影响其他安全设备和活动，具体包括：

a.与安全相关设备保持足够距离，尽量避免氢气复合器布置在存有严重事故相关设备、仪表的隔间内；

b.保证不阻碍人员通道；

c.保证不影响附近其他设备（阀门、管道等）的维修。

4.2 布置原则中的关键难点问题

4.2.1 氢气主要流通路径与自然循环流动的相互影响

在严重事故中，氢气释放后一般首先进入蒸汽发生器隔间、主泵隔间或卸压箱隔间（包含波动管隔间与卸压箱隔间）。为了防止氢气在释放隔间内积聚，应尽快让氢气从安全壳下部位置向上部大空间扩散。

对于安全壳内的大气自然循环，首先应在安全壳设计与结构布置上考虑足够的流道，例如，EPR在安全壳下部位置设计的混合风门（Mixing Damper，HMD），可以促进安全壳内大气的自然循环［6］，如图10所示。一方面氢气复合器的运行对安全壳内大气自然循环有促进作用；另一方面，氢气复合器应合理布置在自然循环流道上，可以提高复合器进气量和消氢效率。

4.2.2 严重事故设备可用性的影响

非能动氢气复合器的布置应考虑对严重事故设备可用性的影响，尽量避免与这些设备布置在同一隔间内或与其距离尽可能远。

4.2.3 氢气复合器之间的相互影响

隔间内如设有两台及以上氢气复合器，布置时氢气复合器之间距离应尽量远，或安装于不同区域。这样有利于不同区域的消氢，同时减少氢气复合器之间的相互影响。

图10 EPR核电站安全壳内主要流道及氢气复合器布置Fig.10 Main flow channel and placement of PARs in containment of EPR NPP

4.2.4 布置原则中定量化准则的试验验证问题

美国先进核电厂在制订点火器定量化布置原则时，进行了大量的试验验证，如SNL FITS（Fully Instrumented Test Facility）试验、VGES（Variable Geometry Experimental System）试验、NTS（Nevada Test Site）试验、LLNL试验（NRC主导）等。非能动氢气复合器的定量化布置原则，也应有充分的试验数据支撑。

5 结论

福岛核事故后，我国的核安全法规要求在设计上实际消除早期或大量放射性释放的可能性。这对氢气安全分析的论证手段提出了新的挑战。

优化与完善氢气控制系统布置原则，是满足“实际消除”设计要求的具体探索与良好实践。

布置原则中应明确安全目标、设置原则的优先级，并尽量提出定量的布置原则要求，布置原则的设置应基于试验数据分析。

氢气控制系统的布置应充分利用和促进安全壳内的自然循环，安全壳内的大气流通与消氢效果需要经过计算分析验证。

我国自主设计的先进反应堆，在安全壳内隔间设置与系统布置上都进行了改进与优化。本文通过对国内外的氢气控制系统布置原则的比较研究，为优化相关设备布置及安全壳隔间结构设计提供技术参考。