安全壳氢气控制方法研究

余小权

（中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都610213）

0 引言

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，在发生燃料包壳破损的严重事故下，锆—水反应会产生大量的氢气，最终由于氢气燃烧造成了约0.2 MPa的峰值压力，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。

在严重事故下，氢气燃烧爆炸是造成核电厂安全壳失效的主要原因之一。当安全壳内的氢气浓度达到一定比例时，在外界条件（例如，温度、压力、氧气浓度等）适合的情况下，可能会发生氢气迅速燃烧或爆炸，从而造成与安全有关的设备和系统的局部损坏，甚至损坏安全壳的结构，造成大量的放射性物质进入环境。因此，在核电站的设计中设置完善的安全壳消氢系统、特别是严重事故情况下的消氢措施，是保证反应堆安全的一个重要方面。

本文调研了核电厂常用的除氢方法，并对除氢方法的特点进行分析，从而为核电厂除氢系统的设计提供参考。

1 核电行业除氢主要工艺

核电站内有关氢气缓解措施的目标主要是防止安全壳结构的失效从而防止不可控的放射性物质释放。在严重事故进程中或者事故后长期阶段里，氢气燃烧可能会威胁安全壳的完整性和封闭性，除非特定的设计可以防止基础设备不会受到氢气燃烧的影响。

氢气控制系统的第一个作用是防止可燃混合气体的形成。不同的措施都可以实现这个要求，这里最有效的方式就是通过惰化限制氧气浓度，建立惰化的安全壳气氛。利用安全壳内的空气通过自然对流混合和稀释氢气在许多安全壳内也十分有效。催化复合器提供了消除氢气的方式，有助于维持安全壳内不可燃的环境，而且长远考虑，水辐照分解产生的H2/O2还需要催化复合器来消除[1-3]。氢气控制系统的另一个作用是在达到可燃极限时，可以防止出现更危险的氢气浓度，这时点火器是一种可以快速响应的方式来较快的消除氢气。此外在氢气释放源附近进行局部注射惰性气体也可以降低可燃气体爆炸的可能性。

目前氢气控制措施如图1所示。主要的氢气控制措施可以分为如下两种基本情况：

图1 应对氢气风险的不同策略和措施

（1）通过安全壳惰化防止可燃混合气体的形成；

（2）通过限制局部氢气浓度缓解燃烧带来的后果。

2 氧气浓度控制

对于氢风险而言，首要考虑的是安全壳内氢气的燃烧会产生巨大的压力，从而威胁到安全壳的完整性。因此对小体积安全壳，创造一个贫氧的气氛来防止可燃气体燃烧爆炸是很有必要的。

2.1 事故预惰化

现有设计的核电站中，早期的沸水堆MARK I和MARK II型安全壳以及最新的ESBWR安全壳都具有体积小的特点。为防止氢气燃烧造成安全壳超压失效，这些安全壳都要求在核电站正常运行期间保持惰化。美国联邦法规CFR 50.44规定所有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。

安全壳惰化可以通过惰性气体（如N2和CO2）替换封闭安全壳内的空气来实现，这样安全壳内的氧气浓度可以低于燃烧极限。惰化措施重要的方面是O2和N2浓度的比例，因此由于水蒸气凝结导致的混合气体组分的变化不会带来问题[8]。但是惰化措施需要设计完备的取样、测量等系统来监控O2浓度，而且值得注意的是在监测O2浓度时要为抽样所需要的时间延迟留出一定的安全裕度。惰化一般在核电站正常运行之前进行。由于CO2的腐蚀性，事故预惰化的惰化气体多选用氮气。核电站正常运行期间的预惰化措施作为一种非能动的方式，已经成为小体积安全壳抵抗氢风险的必要手段。大部分惰化相关的系统都不需要在事故期间主动启动，因此这些系统设备仅仅需要通过普通的防火和安全认证即可。事故预惰化措施可以在事故进程中很好地保护安全壳预防氢气燃烧或者爆炸的风险，但是在长期上，惰化的方式不再能够确保氢气燃烧不会发生，因为裂变产物的积累加强了抑压水池或者干井地坑里面水的辐照分解。重要的是水辐照分解会积累较多的氧气，所以安全壳内有可能会形成可燃性混合气体。因此，小型安全壳除去惰化的措施外还需要设计其他的措施来长期持续的缓解氢气风险。

惰化措施带来的主要问题是，正常运行中安全壳内的O2浓度不足以支持人的呼吸。因此预惰化安全壳内设备的检查、维护和修理都有一定的困难。比如为了维护检修而在停堆前排出惰性气体或者减少设备维护的频率都会带来很低的安全裕度，而且惰化措施需要较大的经济成本，特别是停堆后或者进入安全壳内时需要排出惰性气体。但是对于正常运行期间大部分设备不需要经常使用或者检修的小型堆安全壳而言，惰化相比其他替代措施仍然是一种很好的抵抗氢风险措施。

2.2 真空

NuScale小型模块化反应堆设计了一个抽成真空的安全壳。正常运行期间，NuScale的每个模块都浸泡在水中，而且安全壳内保持着隔热的真空条件，这显著减少了反应堆压力容器的热量散失。深层的真空在任何条件下都可以促进水蒸气的凝结。真空条件降低了空气湿度，从而减少了对金属的腐蚀，有利于保证安全壳内系统设备的功能长期有效的发挥。通过排出空气，安全壳内的O2浓度几乎为0，从而即使是在严重事故工况下，也可以消除氢气燃烧的可能性。此外，NuScale的设计者认为这种真空的安全壳还可以消除对氢气催化复合器的要求。相对惰化，抽真空的措施有系统简单等优点，但是这种方式对安全壳等结构的密封性以及承压性能要求较高而且为维持安全壳内的真空条件，还需要能动的设备进行支持。此外这种方式仍然缺少运行经验，相关设计的安全功能能否在事故条件下发挥作用仍有待考验。

3 长期氢气消除

事故发生后由于水辐照分解等反应，氧气会在安全壳内逐渐积累。尽管伴随着其他不可冷凝气体（如H2、CO2等）的产生，氧气浓度可能不升反降，但是仍然需要采取一定措施来应对长期的氧气产生，即便是在惰化后的安全壳内。这些系统甚至可以是能动的系统，因为它们可以在事故发生后的数日内手动启动。

事故发生后，可以在设计压力范围内或是泄压系统允许范围向安全壳内继续注入更多的氮气，以防止氢气燃烧。但是这种方式无法解决通风管道内氢气燃烧或者爆炸的风险。这种事故发生后向安全壳内充入氮气的措施会增加安全壳内的压力，因此小型安全壳一般多设计了卸压系统，保护安全壳防止超压。氧气和氢气的消除主要可以通过氢气复合器和点火器两种手段实现。

3.1 氢气复合器

早期的沸水堆安全壳设计中除去采取惰化手段外，还设计了在安全壳外工作的热复合器（outsidecontainment thermal recombiner），这是一种能动的催化复合器。

目前采用的氢气复合器多为非能动的，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。ESBWR中采用了PAR设计，它可以在事故发生后完全自动的不需要任何干预的持续运行72小时。而且发生LOCA的100天内，所有的PAR组件都可以在事故后的恶劣环境下保持完全有效。虽然氢气复合器有着非能动的优势，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。

3.2 点火器

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，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。直接点火相比复合器的主要优点是可以应对较快速率释放的氢气，但是点火器是一种能动的方式，需要外部电源或者人为的干预。点火器还会造成局部的高温高压负荷。此外由于事故的多样性带来的氢气分布不确定性，对于点火器的安装位置和分布都需要做详细的计算和分析。

4 通风管道上的氢气复合组件

通风系统的管线上设有排气风扇以及安全相关的过滤器和辐射探测器等重要设备，通风管道上面局部区域氢气积累引起燃烧可能会导致严重的放射性泄漏事故。由于通风管道体积较小，无法安装一般的氢气复合器，因此设计了用于管道上的氢气复合组件。这种组件实质是氢气复合器中表面包覆一层催化剂的平行金属板。氢气复合器中的平行金属板在氢氧复合过程中起主要作用，其余部件主要起到支持和提供气体流道的作用。通风管道本身就提供了气体流通的通道，因此可以将氢气复合器简化，直接将其中的催化金属板安装在通风管道的入口，用来消除排气中残留的氢气或者氧气，保护安全相关的放射性过滤和探测设备。

5 压水堆一回路系统除氢

在压水堆核电站一回路中添加氢的目的是与水辐照分解形成的氧基结合，从而限制水的辐照分解的后果和氧化剂的产生。在功率运行状态下一回路内始终保持氢覆盖，并保证有一个充分的还原环境。然则机组在进行正常的氧化冷停堆过程中，因反应堆需要开口，为避免氢氧混合发生爆炸，需要首先除去氢气，将主回路的溶解氢含量降到规范值以下。

宁德核电N2号机组于2014年2月26日开始整治性小修时，RCV002BA（容控箱）氮覆盖时主回路溶解氢约35mL/kg，如此高含量溶解氢，导致机组降温降压时溶解氢下降缓慢。若通过PZR汽腔吹扫和RCV002BA氮吹扫，每小时仅能降低主回路溶解氢0.1 mL/kg，根据测算需要60余小时机组才能满足机组下行参数要求。为此，经讨论该电厂决定试用H2O2除氢法以提高除氢效率。

最终的实践结果表时，H2O2除氢法能够应用在压水堆核电机组下行阶段，能够优化机组下行操作模式，且风险可控。

6 结论

前文主要调研总结了目前核电行业所采取的除氢工艺。针对安全壳较小的反应堆，容易超压，因此应尽可能避免可燃气体燃烧。通常采取惰化或者抽真空的方式控制安全壳内氧气浓度低于燃烧极限。惰化措施在任何事故发生时都能很好地降低甚至消除氢气燃烧的可能性。目前事故预惰化方式已经广泛地应用在了商运的沸水堆安全壳中，有着成熟的运行经验。抽真空方式相比惰化有着强化水蒸气凝结，减少反应堆压力容器热损失等优点。但该种方式对安全壳耐压性能等有较高的要求，而且正在运行的核电站中尚未有采取这种措施，缺少运行经验。对于长期的氢气消除，氢气复合器作为一种非能动的方式可以很好地缓解事故后水辐照分解长期产生的氢气和氧气。总之，结合沸水堆的相关技术设计，事故预惰化结合非能动氢气复合器是小型安全壳对抗氢风险一种很好的方式。