核电厂氢气点火器运行分析

核电厂氢气点火器运行分析

郭磊

三门核电有限公司浙江台州317112

摘要：本文介绍了核电厂氢气点火器在严重事故期间的运行，并比较了AP1000机组与WWER机组在安全壳氢气控制方面的区别，最后对AP1000核电厂氢气点火器运行提出了相关建议。

关键词：AP1000；严重事故；氢气点火器；安全壳

1.引言

核电站中配置有三道安全屏障：燃料元件包壳、一回路压力边界、安全壳。其中安全壳是最后一道安全屏障，若安全壳完整性受到破坏，放射性物质将直接进入环境，对环境和公众产生巨大危害。日本福岛第一核电站事故提醒我们必须重视严重事故期间安全壳内氢气控制，保证严重事故期间安全壳的完整性，防止放射性物质进入环境。

严重事故期间假设100%燃料元件包壳与水反应产生大量氢气，具有产生氢气量大、氢气产生迅速的特点。应对于设计基准事故的非能动氢气复合器已无法满足安全壳内消氢需求，安全壳内氢气浓度将迅速升高危及安全壳完整性。严重事故时AP1000设置有64个氢气点火器用于限制安全壳内氢气浓度低于10%，防止高浓度下氢气爆燃对安全壳完整性产生冲击。

2.氢气点火器介绍

2.1.严重事故时氢气产生来源

严重事故发生后堆芯熔化，安全壳内可能由于以下原因产生氢气：燃料元件锆包壳与水反应，水辐照分解，结构材料的腐蚀，反应堆冷却剂系统内溶解的氢气。在严重事故时，假设100%的燃料包壳与水反应，尽管水辐照分解和腐蚀反应也会产生氢气，但在严重事故下氢气主要由燃料元件锆包壳与水反应产生。

2.2.氢气点火器作用

氢气燃烧限值在4%-75%之间，由于锆-水蒸汽反应产生氢气的速度足够快，以致于不太可能采取措施来防止安全壳内的氢气浓度超过最低可燃浓度限值4%。严重事故下氢气点火器作用是在安全壳内氢气浓度达到最低可燃浓度4%后点燃氢气，使氢气在较低浓度下可控燃烧，防止氢气在高氢浓度下（>10%）产生爆燃，保证氢气点火器消氢期间不对安全壳的完整性和安全壳内重要设备运行产生冲击。

2.3.氢气点火器工作原理。

AP1000氢气点火器为Tayco线圈式点火器，依靠点火头产生的高温点燃局部氢气，使氢气在低浓度下可控燃烧。图表1为线圈式氢气点火器的结构简图。正常启动情况下，外部电源通过连接电缆给氢气点火器自身携带的螺旋线圈持续供电，螺旋线圈始终保持在高温状态。当严重事故发生时，安全壳内高浓度氢气与螺旋线圈接触，将其点燃使其快速消除。低静态时可以点燃氢气浓度5.5%的混合气体，气体搅混时可以点燃氢气浓度为4.5%的混合气体。

由于严重事故期间，安全壳内冷凝水或者喷淋水会对氢气点火器运行产生不利影响，因此配置喷淋保护屏防止安全壳内冷凝水或者喷淋水进入氢气点火器，影响其点火头组件的正常工作。

3.氢气点火器布置

AP1000核电站氢气点火器在安全壳内的布置位置直接关系到氢气点火器的消氢效果，使氢气在远离安全壳壳体情况下低浓度持续燃烧，有效降低安全壳内整体氢气浓度。为了充分发挥氢气点火器的消氢作用，氢气点火器在布置上考虑了以下几个方面：

3.1.冗余布置

为了防止氢气点火器单一故障从而导致局部区域丧失消氢能力，至少2个氢气点火器需要布置在氢气潜在释放区域或间隔内，安全壳封闭区域内至少布置2台氢气点火器，在狭长的间隔或走廊内需要布置足够数量的氢气点火器。冗余的氢气点火器布置可以保证氢气点火器单一故障时所在区域的氢气安全。

3.2.消氢效果

为了使氢气点火器在严重事故期间达到更好的消氢效果，需要在氢气的主要流道（包括主要自然循环流道）布置足够数量的氢气点火器。自然循环能够保证充分的氧气供应从而保证氢气点火器持续消氢的能力。氢气点火器还需要布置在每个间隔内最有可能释放氢气位置的附近或者上方。这样在氢气点火器更接近氢气释放点，可以达到更好的消氢效果。

3.3.减小对安全壳冲击

为了使氢气点火器点燃时减小对安全壳壳体的冲击，氢气点火器需要布置在远离安全壳壳体的位置。可以采用混凝土墙作为实体上的隔离，使氢气燃烧产生的扩散火焰不会传播到安全壳壳体，从而不会对安全壳完整性产生冲击。两个氢气点火器之间的位置间隔可以用于防止一个氢气点火器引起的扩散火焰在熄灭之前前不会被另一氢气点火器的相似火焰峰加速到足够大，这样可以防止扩散火焰加速对安全壳壳体的冲击。

3.4.考虑安全壳水淹工况

为了在安全壳水淹工况下能够继续发挥消氢能力，氢气点火器需要尽量布置在安全壳淹没水位以上。对于那些布置在安全壳淹没水位以下的氢气点火器配置了冗余的熔断器，保证水淹时熔断器的可靠断开，防止同组的其他氢气点火器因水淹故障而导致丧失电源，从而保证了安全壳水淹情况下氢气点火器的可用性。

4.氢气点火器控制

AP1000氢气点火器分2组，每组33个。由PLS电站过程控制系统和DAS多样化控制系统控制氢气点火器。DAS的控制回路完全独立于PLS，提供了后备的多样化触发方式，用于PLS失效时触发氢气点火器。严重事故时操纵员根据堆芯出口温度CET手动触发氢气点火器。当堆芯出口温度CET>649℃，说明堆芯失去冷却，大量氢气即将释放到安全壳内。此时操纵员需要在技术支持中心的指导下，根据严重事故规程通过PLS或者DAS手动触发氢气点火器。

4.1.PLS控制

PLS电站过程控制系统分两组控制氢气点火器，每组33个氢气点火器。严重事故时操纵员打开PLS软操画面选择一组氢气点火器触发，也可以用于监督试验期间分组验证氢气点火器可用性。

4.2.DAS控制

如图所示DAS提供多样化控制，用于PLS失效时控制66个氢气点火器。操纵员通过主控室的DAS控制盘手动控制氢气点火器。主控室DAS控制盘上有氢气点火器两个控制开关DAS-HS213和DAS-HS214。同时DAS控制盘上配置由有4个通道的堆芯出口温度CET显示CET-CH1、CET-CH2、CET-CH3、CET-CH4，可以在PMS共模故障时用于多样化显示堆芯出口温度CET，作为操纵员手动触发氢气点火器的依据。

氢气点火器的DAS触发方式考虑了人因故障，有效防止操纵员误触发氢气点火器。手动触发氢气点火器，首先要触发位于一次侧安全盘PDSP上的DAS允许开关向DAS控制盘供电。PDSP控制盘和DAS控制盘位置间隔可以有效防止操纵员误触发氢气点火器。同时DAS-HS213和DAS-HS214两控制开关串联连接，需要将两个控制开关都置于ON位才能触发氢气点火器，仅误触发一个控制开关不会导致触发氢气点火器。

5.氢气点火器的运行

5.1.安全壳压力、氢气浓度对氢气点火器运行影响

在氢气点火器运行期间，安全压力直接影响触发氢气点火器时扩散火焰对安全壳冲击的大小。安全壳压力越高，扩散火焰冲击越大。因此在触发氢气点火器前，操纵员应设法通过安全壳排气来降低安全壳压力，从而降低氢气点火器运行时对安全壳完整性产生的冲击。

操纵员在触发氢气点火器之前，还需要确认安全壳内氢气浓度低于10%。如果在大于10%高氢气浓度情况下触发氢气点火器，可能会引起安全壳内氢气爆燃，严重影响安全壳完整性。操纵可以通过3个氢气浓度传感器或者一回路取样系统PSS来确认安全壳内氢气浓度大小。

5.2.全厂失电对氢气点火器运行的影响

对于堆芯熔化且伴随全厂失电严重事故时，作为操纵员还需关注堆芯出口温度CET、氢气浓度传感器、氢气点火器以及控制系统的可用性。

a)堆芯出口温度CET的可用性

作为操纵员触发氢气点火器的依据，堆芯出口温度CET可用性十分重要，用于判断堆芯的冷却情况。如图所示，堆内仪表系统IIS提供42个堆芯出口热电偶温度信号，分别提供给DAS和PMS。DAS的CET温度信号作为PMS的备用显示，体现了多样性，可以防止PMS共模故障时失去CET温度显示。DAS由非1E级EDS供电，PMS由1E级IDS供电。在全厂断电且堆芯熔化的严重事故工况下，PMS的38个堆芯出口温度CET显示依然有效，但DAS的4个堆芯出口温度CET显示在EDS蓄电池供电2小时后将失效，此时操纵员依然能够通过38个PMS的堆芯出口温度CET显示来确定堆芯冷却状况，以提供氢气点火器的点火依据。

b)氢气浓度传感器的可用性

安全壳内配置有三个氢气浓度传感器，由非1E级EDS供电。在全厂断电工况下，氢气浓度传感器由EDS蓄电池供电2小时，2小时后氢气浓度传感器将失去供电。由于此时安全壳内氢气浓度对于触发氢气点火器也十分重要，氢气点火器不能在>10%的高氢气浓度下触发，否则会严重冲击安全壳的完整性。在全厂失电且EDS蓄电池供电2小时后，操纵员只能够通过PSS取样来确定安全壳内氢气浓度，作为触发氢气点火器的条件。

c)氢气点火器可用性

64个氢气点火器由EDS3、EDS4供电，在全厂失电情况下要求EDS蓄电池向氢气点火器供电4小时，但EDS蓄电池容量仅能在额定负载情况下维持2小时供电，因此需要操纵员手动切除EDS3、EDS4的其他不必要负载，从而确保氢气点火器的供电容量。在这种情况下需要制定一份详细的负载切除规程来规范操纵员的行为。规程中需要确定负载切除规程的进入条件，确定EDS3、EDS4需要切除的负载清单和切除顺序，确定操纵员需要断开的断路器，并规定切除负载的完成时间。这些对于保证氢气点火器的供电容量十分重要。

为了防止操纵员人因失误，在严重事故处理期间未能及时切除EDS3、EDS4的负载，因此有必要增加EDS蓄电池剩余放电时间的提醒，用以提醒操纵员EDS蓄电池剩余容量，从而保证EDS蓄电池向氢气点火器的供电4小时的要求。

d)氢气点火器控制系统可用性

电站过程控制系统PLS由EDS1、EDS2供电，EDS蓄电池仅能在全厂失电情况下保证PLS工作2小时，2小时后氢气点火器将丧失PLS控制方式。DAS提供了氢气点火器的多样化控制手段，DAS也由EDS1、EDS2供电。此时DAS供电的可用性也直接关系着氢气点火器的运行。EDS蓄电池仅能在全厂失电时保证DAS工作2小时，2小时后氢气点火器同样将丧失DAS的多样化控制手段。

因此在全厂失电情况下，EDS蓄电池供电2小时后，主控室将失去对氢气点火器的控制能力，此时操纵员需要能够就地触发氢气点火器的手段。

5.3.地震对氢气点火器运行的影响

AP1000氢气点火器、控制系统PLS和DAS以及供电系统EDS均不是抗震设计，不能保证氢气点火器在地震工况下的可用性。在堆芯熔化100%锆包壳与水反应的严重事故下，由于地震导致氢气点火器失效，安全壳内氢气浓度只能由非能动氢气复合器控制。但非能动氢气复合器只能应对小于1%锆包壳与水反应的设计基准事故，不能够应对100%锆包壳与水反应的严重事故，安全壳内氢气将大量聚集。

非能动氢气复合器的氢氧复合反应产生高温，将成为安全壳内一个潜在的点火源。由于安全壳内仅布置两个非能动氢气复合器，位于安全壳操作平台上方，将可能产生整体性的氢气燃烧，对安全壳完整性产生严重冲击。为了防止氢气在高浓度下被点燃，操纵员可以手动停止或者降低非能动安全壳冷却系统PCS流量，使安全壳处于蒸汽工况。通过蒸汽钝化作用来降低安全壳内氢气浓度，防止氢气在高浓度下整体性燃烧对安全壳完整性产生的冲击。

地震工况下失去氢气点火器这种消氢手段，对AP1000安全壳而言存在潜在风险。蒸汽钝化作为一种缓解措施，虽然可以有效避免安全壳内整体性氢气燃烧可能性，但同时存在安全壳超温超压风险，操纵员要特别关注安全壳内温度压力的变化。因此可以考虑将氢气点火器及其供电电源改为抗震设计，在地震工况下操纵员能够在就地触发氢气点火器。

6.总结与运行中存在问题分析

6.1氢气点火器优越性总结

1）AP1000氢气点火器首次运用在国内核电站，严重事故时操纵员具备了可以快速消氢的手段。氢气点火器与氢气复合器的联合运行满足了各种工况下安全壳内控制氢气浓度的需求。

2）安全壳内氢气点火器布置特性能够保证在严重事故下操纵员可靠触发氢气点火器，有效降低安全壳内氢气浓度，减小对安全壳壳体的冲击。

3）氢气点火器控制手段的多样化保证了严重事故期间运行人员能够可靠触发氢气点火器。

4）ADS第4级阀门的设置减小了安全壳内其他区域氢气浓度，氢气点火器能够在环路隔间内低浓度下快速持续燃烧氢气。

5）AP1000氢气点火器引入了短期可用性控制STAC的概念，在运行角度充分保证了氢气点火器设备的可用性。

6.2面临的问题及建议

1）全厂失电且伴随堆芯熔化的严重事故时，缺乏相应的EDS负载切除规程，缺乏提醒操纵员EDS蓄电池剩余放电时间的设置，容易造成严重事故处理期间操纵员忘记切除EDS不必要负荷，造成氢气点火器供电容量不足，无法满足严重事故时氢气点火器供电容量要求。因此建议需要制定一份EDS3、EDS4详细的负载切除规程，以此来规范操纵员行为，需要增加EDS蓄电池剩余放电时间的设置。

2）在全厂失电且EDS带载2小时后，操纵员将失去主控室触发氢气点火器的能力，因此建议需要保证氢气点火器具备就地触发能力。

参考文献：

1.CPP-VLS-M3-001Rev6氢气控制系统系统规范书第6版

2.CPP-VLS-GJP-801Rev2氢气点火器监督试验规程第2版