氢气点火器表面温度测量替代方案可行性研究

山东核电有限公司 谢谨 郭艳辉 和富凯 刘立凯

1 引言

压水堆核电站发生堆芯失水事故时，燃料棒包壳锆合金与水反应产生氢气，大量氢气被释放到安全壳中，存在爆炸风险，威胁安全壳结构完整性[1]。氢气点火器是第三代核电厂氢气控制系统的重要设备，可以可控地引燃安全壳内局部聚集氢气，从而缓解爆炸风险[2]。国产氢气点火器基于线圈加热原理设计而成，其加热元件的核心部件为镍铬合金加热丝，加热丝预埋在高纯氧化镁中起到绝缘防护作用，在氧化镁外侧为镍金属防护层。正常工作时，点火器加热元件表面温度可达927℃以上，能够快速引燃周围氢气。本研究旨在确认通过远程监测氢气点火器输入电源参数、测量氢气点火器一般电气性能，从而得出氢气点火器性能可靠结论的可行性，最终替代当下氢气点火器直接表面测温的方法，使工作人员无须到达氢气点火器所在位置，即可判断氢气点火器是否满足要求[3]。

2 试验方法

依据压水堆核电站安全分析报告，氢气点火器在正常运行工况下需要考核环境温度、湿度、辐照、气溶胶、多次检修启停等因素针对其性能的影响。因此，设计以下试验验证远程测量方法可行性。

表面温度性能试验是建立氢气点火器输入电压、电流与点火元件表面温度响应关系，分析远端电源输入与点火器温度性能是否具有较强关联性，试验过程中控制点火器两端电压分别为201V、204V、207V、210V、213V、216V、219V、222.2V。

环境温度影响试验是通过调制不同的环境温度，控制点火器输入电压为207V，确定环境温度针对点火器响应性能的影响。辐照影响试验是氢气点火器累计辐照剂量4.3X104Gy，辐照剂量率为1X103Gy/h，测量氢气点火器在不同电压下的响应性能，分析辐照对氢气点火器性能的影响。热老化试验是考察点火器经历180℃，时长296h热老化测试后性能的变化，并测量氢气点火器在不同电压下的响应性能，分析热老化对氢气点火器性能的影响。通断电试验是通过控制氢气点火器间断启停，共计360 次，并测量氢气点火器在不同电压下的响应性能，分析反复启停对氢气点火器性能的影响。

湿度影响试验是控制氢气点火器环境湿度在10%～95%RH 之间，选择五个湿度试验点，并测量氢气点火器在不同电压下的响应性能，分析湿度对氢气点火器性能的影响。气溶胶试验是采用超细硫酸钡与空气预混形成1g/m3气溶胶，氢气点火器在试验箱内与气溶胶接触12h 以上，测量氢气点火器在不同电压下的响应性能，分析气溶胶对氢气点火器性能的影响。

试验过程中，点火器与测量及控制设备连接，输入交流电源经过交流稳压器处理，排除不同供电周期电源的不稳定性因素。采用交流调压器调制不同输入电压，通过一台智能电量测量仪监测氢气点火器两端电压及输入电流。采用两台ZHI-I 型氢气点火器作为试验对象，试验编号分别为ZHI-I-01及ZHI-I-02，采用一台红外测温仪测量氢气点火器点火元件表面温度。

3 试验结果与讨论

两台氢气点火器在室温情况下，表面温度性能试验结果如图1所示。图1A 显示，随着输入电压逐渐升高，点火器的达到927℃时间逐渐减小，且输入电压与点火器温度达标时间具有较高的线性关系。显然，随着点火器输入电压升高，点火器的加热功率逐渐增加，发热功率提高，导致响应时间变短。图1B 显示，随着输入电压逐渐升高，点火器的输入电流逐渐增加。图1C 显示，随着输入电压逐渐升高，点火器的表面稳定温度逐渐增加，点火器表面温度与输入电压呈线性关系。以上结果表明，点火器的响应性能与输入电压具有较高的线性关联。

图1 表面温度性能试验结果

控制两台氢气点火器的输入电压为207V，通过电热板加热或冰块降温的方法调整试验箱内环境温度在25～57.2℃，并测量不同温度点氢气点火器的响应性能。环境温度影响试验结果如图2所示。图2A显示，随着环境温度变化，两台氢气点火器的温度达标时间波动约为2～3s，未出现明显变化。图2B显示，在环境温度变化时，点火器的输入电流未出现改变。图2C显示，两台点火器稳定温度随着环境温度变化，波动不超过20℃，且都在927℃以上并有较大的裕度，说明点火器稳定温度不受环境温度影响。综上所述，环境温度在25～57.2℃范围内变化时，不足以引起氢气点火器表面温度散热性能的明显变化，不会导致氢气点火器表面稳定温度偏离。

图2 环境温度影响试验结果

两台氢气点火器在接受规定剂量辐照前后，辐照性能试验结果如图3所示。图3A显示，在辐照之后，点火器ZHI-I-01的响应时间变化不超过2s，点火器ZHI-I-02的响应时间变化不超过5s，可以认为在测试误差范围以内。图3B显示，辐照后，氢气点火器的响应电流几乎与辐照前一致，从测试的直流电阻可以看出，辐照前后并未发生变化。图3C显示，辐照前后，两台点火器在不同电压下的稳定温度对比均不超过10℃，辐照试验并未对其表面温度性能造成影响。所以在规定的辐照强度条件下，点火器性能不受辐照因素的影响。

图3 辐照性能试验结果

两台氢气点火器整机在经历热老化测试前后热老化性能试验结果如图4所示。图4A显示在热老化后点火器ZHI-I-01 的响应时间变化不超过2s，点火器ZHI-I-02 的响应时间变化不超过5s，在测试误差范围内。图4B显示热老化后，点火器的响应电流几乎与热老化前一致。图4C显示热老化前后，两台点火器在不同电压下的稳定温度对比均不超过10℃，在规定电压范围内点火器表面温度均达标。老化试验未对其表面温度性能造成影响。在规定的老化温度范围内，点火器性能不受老化因素影响。两台点火器整机ZHI-I-01、ZHI-I-02经过通断电试验考核前后，通断电试验结果如图5所示。图5A显示点火器ZHI-I-01 的响应时间变化不超过2s，点火器ZHI-I-02 响应时间变化不超过5s，在测试误差范围以内。图5B 显示，点火器的响应电流几乎通断电循环前后一致，从测试的电阻看出通断电前后未发生变化。图5C 显示通断电试验前后，两台点火器在不同电压下的稳定温度对比均不超过10℃，在规定电压范围内点火器表面温度均达标。360 次通断电循环未对其表面温度性能造成影响。

图4 热老化性能试验结果

图5 通断电试验结果

两台氢气点火器ZHI-I-01 （上）、ZHI-I-02（下）调制温湿度情况下，湿度影响试验结果。图6A和6D显示，在不同湿度条件下，点火器ZHI-I-01 的响应时间变化不超过3s，点火器ZHI-I-02 的响应时间变化不超过3s，可以认为在测试误差范围以内。图6B 和6E 则显示，在不同湿度条件下，氢气点火器的响应电流几乎一致。图6C 和6F 显示，不同湿度条件下，两台点火器在不同电压下的稳定温度波动约为15℃，且并未随湿度改变出现规律性变化。所以湿度并未对其表面温度性能造成影响。

图6 湿度影响试验结果

两台氢气点火器ZHI-I-01、ZHI-I-02 在抗气溶胶试验前后，抗气溶胶性能试验结果如图7所示。

图7 抗气溶胶性能试验结果

图7A 显示，在抗气溶胶试验之后，点火器ZHI-I-01的响应时间未变化，点火器ZHI-I-02的响应时间变化不超过2s，可以认为在测试误差范围以内。图7B则显示，在抗气溶胶试验之后，氢气点火器的响应电流几乎与试验前一致。图7C显示，在抗气溶胶试验之后，两台氢气点火器在不同电压下的稳定温度对比均不超过10℃，显然，抗气溶胶试验并未对其表面温度性能造成影响。

根据测试结果，计算得出两台氢气点火器全新状态与经历过所有试验。老化前与老化后氢气点火器功率与温度趋势如图8所示。从图8 中可以看出ZHI-I-01（上）、ZHI-I-02（下）试验件经过老化后，温度性能没有出现明显的恶化，视在功率与稳定温度具有极强的正相关性。

图8 老化前与老化后氢气点火器功率与温度趋势

氢气点火器的表面温度性能与其视在功率具有较强的关联性，该关联性不受环境温度、辐照、热老化、多次通断电试验、环境湿度、气溶胶等影响。通过测量点火器的输入电压及电流得到视在功率的方法，判断点火器表面温度是否达标。

4 结语

通过考核两台氢气点火器对调制试验条件的耐受性，可以得出结论,随着电压升高，温度达标时间逐渐降低、表面稳定温度逐渐提高，且氢气点火器的表面温度不受环境温度、辐照、热老化、多次通断电试验、环境湿度、气溶胶等因素影响。在核电站大修期间，可以通过远方监测氢气点火器的视在功率来判定氢气点火器合格与否。