AP1000事故情况下的氢气控制

许桃东

摘要：本文介绍了事故后安全壳内氢气产生的原因，以及氢气在安全壳内燃烧引起的危害。分析了AP1000安全壳氢气控制系统的设计特点，以及该系统如何在设计基准事故和严重事故下控制氢气浓度，分析了AP1000在氢气控制方面的优越性，可以做为国内新建电厂的设计借鉴。

关键词：AP1000安全壳氢气控制优越性

Abstract：Thispapergivesaintroductionofthereasonofhydrogenproducedincontainment,andtheharmofhydrogenburning,andanalysisthedesignfeatureofcontainmenthydrogencontrolsystemandthesystemhowtocontrolhydrogenconcentrationfollowingaDBAandasevereaccident,analysisthesuperiorityofAP1000containmenthydrogencontrolsystem,canbeanexampleofnewnuclearpowerplantdesign.

Keywords：AP1000,containment,hydrogencontrol,superiority

一事故时氢气的来源及危害

安全壳内发生事故后，可能由于以下原因产生氢气：燃料包壳的锆水反应、水的辐照分解、结构材料的腐蚀、冷却剂系统中溶解氢气的释放，堆芯熔融物与混凝土的反应。

氢气在安全壳的燃烧分为两个过程：前期和中后期。氢气燃烧的早期阶段，也即事故的早期阶段，由于事故产生的安全壳内的氢气有限，氢气整体浓度有限或者在局部狭小区域内产生高浓度氢气混合物，从而发生在产生氢气地方出现扩散火焰或者安全壳操作平台下狭小空间内产生局部爆炸。氢气燃烧的中期阶段，氢气与安全壳内空气混合，而且氢气浓度不断增加，可能会出现爆燃或者氢气分层引起的潜在爆炸。氢气发生扩散火焰时，由于扩散火焰是固定的，主要对附近的设备和构筑物施加热载荷。氢气发生爆燃时，由于火焰传播速度超过音速，便会产生动力载荷和冲击波，威胁安全壳的完整性。

二正常运行情况下的氢气控制

正常运行时，氢气浓度监测子系统监测安全壳内的氢气浓度，该系统由三个非1E级的氢气传感器组成，这些传感器安装在安全壳穹顶上部以监测总体氢气浓度，由非1E级电源和UPS系统供电。在主控室有连续的氢气浓度指示，并提供氢气浓度高报警，一个传感器失效并不影响对氢气浓度的监测，这三个仪表还支持事故后监测功能。

三设计基准事故时的氢气控制

设计基准事故下，假设1%的燃料包壳发生锆水反应，非能动氢气复合子系统中的两台非能动氢气复合器能适应预期的氢气产生率，将安全壳内的氢气浓度控制在小于4%的安全限制内。

1非能动氢气复合器的结构特点

PARs安装在安全壳内高于操作平台的区域。PAR由一个既提供装置结构又支撑催化材料的不锈钢外壳组成。外壳的底部和顶部有开口，并且向上延伸高于催化剂高度，从而通过烟囱效应提高装置的效率和流通能力。催化剂材料可装在一个网状金属筒内或附在金属板基底材料上，并由外壳支撑。网筒或板片之间的间隙为流通气体提供了通道。在运行期间，复合器内的气体由于复合过程而被加热，并通过自然对流上升。之后，随着加热气体上升，安全壳空气混合物由PAR的底部进入，然后由生成水蒸汽的放热反应加热，最终通过烟囱排出，在那里与安全壳大气混合。

2非能动氢气复合器的工作原理

PAR非常简单，并且是非能动的，它没有能动部件，也不依赖电源或者其他支持系统，当存在反应物（氢气和氧气）时自动启动。通常，氢气和氧气只有在比较高的温度时（高于593.33°C）才能通过燃烧而复合。但是，在有钯之类的催化金属存在时，即使在温度低于(0°C)时“催化燃烧”也能发生。反应物必须接触到催化剂后才能发生反应，然后产物必须离开催化剂才能有更多的反应物反应。

3非能动氢气复合器的工作效率

PAR是一个分子扩散过滤器，因此，开放式的流道不易受污垢影响。当催化剂保持干燥时，只要氢气、氧气存在，PAR就立即开始复合。如果催化剂材料是湿的，那么PAR的启动会有短暂延迟。相对于设计基准事故后，PAR必须控制氢气积累速率的时间（几天至几周），其延迟时间是很短的。在事故早期，可燃气体浓度形成之前，复合过程能在室温或升高的温度下发生。PARs在大范围的环境温度、反应物浓度和蒸气惰性时均有效。PARs总是可用的，因此不需操纵员来启动。在发生设计基准事故期间，只需一套PAR运行，就能提供足够的能力来维持氢气浓度低于4％限值。氢气复合器能有效减小LOCA事故后安全壳内产生的氢气,用来防止LOCA事故后氢气的积累。

从长期来看，事故后安全壳内氢气浓度由PARs的运行来降低。PARs的运行将使氢气浓度减少到约0.3%。如果需要进一步降低氢气浓度，则利用安全壳净化系统来对安全壳进行净化。

氢气复合器的催化剂可能会发生中毒，从而丧失其催化作用。在设计中，考虑25％的催化剂失效情况下，氢气复合器仍然能有效的控制安全壳内H2浓度。

四严重事故下氢气的控制

设计基准事故只是假设1%的包壳发生锆水反应，可以通过PAR使其浓度降低到安全值以下。而对于严重事故，假设10%以上燃料包壳发生锆水反应时，对于可能发生的氢气产生率超过复合器能力且快速生成大量氢气的事件，需应用氢气点火子系统。

1氢气点火器的布置

氢气点火器共64个，布置在安全壳内各处可能的氢气释放区域，流通区域或可能积累的区域，几个比较典型的位置是反应堆腔室、回路隔间、稳压器隔间、换料室、安注箱室、化容控制系统设备间、IRWST喷淋阀处及IRWST通风孔口处等。为了限制氢气燃烧时对安全壳造成影响，氢气的主要释放途径都远离安全壳。而且在每个封闭区域至少安装有两个点火器，减少了安全壳或单独隔间内点火器可能出现的功能失效。

2氢气点火器的供电方式

点火器分成由不同电源供应的两组，每组32个，每个耗能145W。正常情况下，每组电源都由厂外电源供应；当丧失厂外电时，每组电源由厂内非IE级的柴油机中的一台供应；当柴油机也不可用时，由非1E级的蓄电池为每组提供大约4小时的点火运行支持。

3氢气点火器的驱动方式

点火器的运行，通过操纵员的手动操作，当事故情况下，当堆芯出口热电偶温度达到649℃时，操纵员通过PLS软操手动启动，分两组点火，每组32个，还可以通过主控室DAS盘上手动启动，DAS上是64个同时点火。

五对比与分析

1AP1000的氢气浓度监测仪是连续运行的，安装在安全壳穹顶上部，主控室有仪表显示，并提供氢气浓度高报警，提醒操纵员注意安全壳内的氢气浓度，该仪表的指示可以作为操纵员对堆芯运行情况的一项监测指标，而传统二代核电厂的测氢仪在电站启动，正常运行和停堆时均不运行，只有在发生失水事故后才运行，测氢仪位于进风管和回风管，这就不能适时监测安全壳内大气的氢气浓度，运行人员少了一项堆芯监测的手段。

2AP1000在发生设计基准事故时，采用非能动的氢气复合器消氢，传统二代核电厂采用在事故发生后，经安全壳喷淋系统对安全壳大气降温降压后才投入消氢系统运行，由操纵员手动投入，对事故后操纵人员的操作要求较高。而且整个安全壳消氢系统为安全相关系统，系统内的相关设备均为安全相关设备，提高了设备的安全等级，且需要安全相关的柴油机做备用电源，增加了核电厂的设备投资，也增加了设备的维护和监督试验要求。

3如果发生严重事故，AP1000可以通过点燃64个氢气点火器降低氢气浓度，而传统二代核电厂的消氢系统不能在严重事故时迅速的降低氢气浓度。对于已安全运行多年的老电厂来说，不可能像我厂的设计一样采用非能动的消氢及氢气点火器消氢，这样的设计会带来很大的改造难度，因此建议增加非能动的氢气复合器用于应对严重事故时安全壳内高的氢气浓度，防止事故后发生氢爆。

六结论

AP1000的安全壳氢气控制系统，相比传统二代核电厂的消氢系统，可以在正常运行时监测安全壳内的氢气浓度，在发生设计基准事故时，通过非能动氢气复合器能有效的减少氢气浓度，防止氢气浓度达到燃烧限值，不需要操纵员的干预，非能动消氢，设备维护和投资少，而且当发生严重事故情况时，可以通过点燃氢气点火器在氢气浓度达到爆炸极限之前就使氢气燃烧，从而防止了氢气爆炸。但是该系统的非能动氢气复合器如何在日常运行及维修过程中保持其可用性，以及氢气点火器的电源供电问题，需要操纵员后续关注，开发相应的规程，保证发生事故情况下的系统可用性。

参考文献：

1CPP-VLS-M3-001R2安全壳氢气控制系统设计规范书

2CPP-MY80-Z0R-001R1非能动氢气复合器设备规范书

3三门核电运行值班员VLS岗位指南

4秦山二期1&2机组安全壳消氢系统