事故后安全壳内氢气控制方式对比

事故后安全壳内氢气控制方式对比

高建平

国核示范电站有限责任公司山东威海 264312

摘要：事故后安全壳内聚集的氢气会对安全壳完整性带来严重威胁，锆水反应是氢气的最主要来源。为控制这一风险，通过稀释或消除氢气的方法来降低其浓度。国内各类堆型采用的事故后消氢方法不尽相同，主要以移动式氢气复合装置、非能动氢气复合器和氢气点火器等消氢设备来实现这一功能。AP1000采用了非能动氢气复合器+点火器相组合的方式，可合理有效应对设计基准事故及超设计基准事故下的氢气威胁。

关键字：锆水反应；设计基准事故；非能动氢气复合器；点火器

1前言

2011年3月11日，日本东部海域发生9.0级地震并引发海啸，导致日本福岛核电站发生重大核安全事故。在此次核事故过程中，日本福岛核电站1、2、3号机组核岛厂房相继发生了氢气爆炸，导致核电站第三道安全屏障被破坏而使大量放射性物质释放到环境中，对民众和环境产生了严重的影响。《核动力厂设计安全规定（HAF102）》明确要求，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。本文主要说明压水反应堆事故后氢气的来源，介绍了国内不同压水堆堆型对事故后氢气的控制方法，并加以对比分析，指明各自优、劣势。

2事故后安全壳内氢气的来源

2.1氢气来源

压水堆事故后安全壳内氢气来源主要包括：燃料元件锆合金包壳与高温蒸汽发生的锆水反应、水的辐照分解、结构材料的腐蚀和冷却剂中溶解氢气的释放。其中，锆水反应是最主要的氢气来源，其反应式如下：

Zr+2H2O=ZrO2+2H2

当压水堆核电站发生失水事故和严重事故时，大量的氢气将被释放出来并聚集在安全壳内，当安全壳内氢气的体积浓度达到4%时，遇点火源即可发生燃烧，而若氢气体积浓度达到了10%，则会发生氢气爆炸，从而对安全壳的完整性和密封性构成严重威胁。

福岛核电站之所以会发生氢气爆炸，一个重要的原因就是在设计中没有考虑在严重事故情况下降低氢气浓度的安全措施。

2.2氢气控制方法

在严重事故下，安全壳内控制氢气的方式大致分为以下两种：

（1）稀释氢气浓度，控制安全壳内气体成分，降低氢气浓度至可燃浓度以下，如惰化、稀释、混合等措施；

（2）消除氢气，如催化复合、点火器等方式。

3国内不同堆型事故后氢气控制方式比较

3.1氢气消除技术

（1）移动式消氢装置

大亚湾核电站M310机组在安全壳大气监测系统（ETY）中设置了两套移动式消氢装置，该装置可以保证在运行2h之后，使安全壳内氢气浓度从3.5%降至0.1%以下。它还可以通过风机循环安全壳内的空气，使安全壳内氢气浓度尽量保持均匀一致，避免局部氢气浓度过高，同时有利于安全壳内气体浓度监测。但该装置设计上只考虑了设计基准事故下的消氢能力，而没有考虑应对超设计基准事故。

（2）非能动消氢装置

田湾核电站是国内首个运用非能动消氢装置的核电站。其安全壳消氢系统（JMT）中设置了44台安全级非能动氢气复合器。复合器以在钢板表面涂覆的Pt/Pd层为催化剂，在常温下即可把氢气催化复合成水。该系统的处理能力不仅考虑了设计基准事故，而且完全满足在严重事故下处理堆芯完全熔化所释放的氢气的要求。即使事故中有10%的氢复合器损坏的情况下，仍能保证安全壳内氢气浓度低于爆炸限值（10%）。

（3）组合式消氢

秦山三期目保留了原秦山二期ETY系统的移动式消氢装置，用于设计基准事故下消氢。同时设置了一个安全壳消氢系统（EHU），在安全壳内布置了24台非能动氢气复合器，用于严重事故下消氢。与此类似，红沿河CPR1000机组也是在M310机组ETY系统的基础上增设了EHU系统，其包含了33台非能动氢气复合器。

AP1000采用了另一种组合式消氢方式，即非能动氢气复合器+氢气点火器。安全壳内设置的安全级的非能动氢气复合器能够在设计基准事故下维持安全壳内氢气在较低的水平。而在严重事故下，氢气复合器消氢能力不足，而且不能避免局部氢气浓度的增加，所以在安全壳内不同区域设置了若干氢气点火器，当某一区域氢气浓度超过燃烧限制时，操纵员手动启动氢气点火器，使氢气在低浓度下燃烧，避免氢气浓度进一步增加而引起爆炸。在事故后长期阶段，连续运行的氢气复合器最终将氢气浓度降至非常低的水平。

表1给出不同堆型消氢方式的对比。

表 1 不同压水堆型消氢方式对比

3.2氢气消除技术优劣对比

移动式氢气复合装置需要在事故后由人工移动到事故机组，然后进行一系列的装配连接、管道密封性检查、管路切换，准备过程十分繁琐，人员受辐射照射的可能性增大。由于移动式氢气复合器安装在安全壳外的管线上，破坏了安全壳屏蔽完整性。且其消氢能力有限，不具备严重事故下降低氢气浓度的能力。

非能动氢气复合器无需外部电源支持，仅依靠安全壳内气体自然对流和金属的催化作用就实现了消氢功能，无需人员启动和干预，只需定期进行试验确保其复合能力即可。秦山三期和红沿河CPR1000在移动式氢气复合装置基础上增加了非能动氢气复合器，补充了严重事故后消氢的能力。

氢气点火器的突出优点就是它消氢速度快，通过亚音速火焰使氢气迅速燃烧，十分有利于降低局部高于可燃浓度的氢气，且其可靠性高，安装、检修方便。但点火器需要电源支持，因此点火器被分为相互冗余的两组，每组由不同系列电源带载，并有柴油发电机和非安全级蓄电池作为后备电源，以保证其严重事故下的可用性。

4结束语

早期的M310机组普遍使用了移动式消氢装置，该装置仅能应对设计基准事故，而无法应对威胁更大的严重事故。在使用过程中也有准备时间长、人员辐照剂量高、安全壳被旁通等劣势。正逐步被非能动氢气复合器所取代，后者具备了严重事故下消氢能力，同时操作简单，安全可靠。氢气点火器是AP1000所独有的能动消氢设计，它能将安全气内局部高浓度氢气点燃使其浓度迅速低，它的使用依赖可靠的测量手段和操纵员准确的判断。

参考文献

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[2]林诚格.非能动安全核电厂AP1000[M] . 原子能出版社,2008,213-215。

[3]顾军，缪亚民，蔡竹平，等.AP1000核电厂系统与设备[M].原子能出版社，2010，04.