AP1000核电厂氢气控制措施

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【摘 要】福岛核事故之后，各国核电监管部门对于核电厂严重事故的预防和缓解措施都提出了更为严格的要求，确保在发生概率极低的严重事故的情况下，也能限制放射性物质向环境的释放。本文以ap1000针对严重事故的氢气控制措施为研究方向，介绍了严重事故情况下氢气的产生位置、反应机理、对安全壳的威胁、氢气点火器和非能动氢气复合器的布置。通过对上述设计和管理措施的介绍，结合其他研究成果，说明了AP1000核电厂对于严重事故情况下的氢气控制是有效的，能够满足国家核安全局的要求，可以确保安全壳的完整性。

【关键词】压水堆；核电厂；氢气；严重事故

The Control Measures of Hydrogen in AP1000 Nuclear Power Plant

DU Fu-wei

（CNNC Liaoning Nuclear Power Company，Xingcheng Liaoning 125100， China）

【Abstract】After the Fukushima nuclear power plant accident， the supervision departments of the government all over the world have put forward more strict requirements of the prevention and mitigation measurements for severe accidents in nuclear power plants. These requirements are to limit the radwaste release from the containment if the severe accidents happened， although the probability is very low. The control measures of hydrogen for severe accidents in AP1000 nuclear power plant are analyzed， including the location of hydrogen production， reaction mechanism， challenge to the containment， arrangement of the igniters and passive hydrogen recombiners. According to these introductions of design and management measures，combined with other research findings， we can say the control of hydrogen during severe accidents in AP1000 nuclear power plant is effective. It can meet the requirements of NNSA and ensure the integrity of the containment.

【Key words】Pressurized water reactor；Nuclear power plant；Hydrogen；Severe accident

0 前言

压水堆核电厂发生严重事故时，燃料包壳和堆芯内其它的金属会发生氧化反应，产生大量氢气，氢气在安全壳内扩散，同时不断与空气和水蒸气混合，形成可燃混合气体，一旦发生燃烧和爆炸，将对安全壳的完整性产生威胁。氢气产生方式包括：燃料包壳锆-水反应、水的辐照分解、结构材料的腐蚀和冷却剂系统中溶解氢气的释放，其中起主要作用的是锆-水反应。

目前国内已运行的压水堆预防和缓解氢气燃爆的措施包括：提前预混惰性气体（主要是氮气）、事故后混合惰性气体（无应用实例）和采用非能动氢气复合器。当前应用最为广泛的氢气控制措施是非能动的氢气复合器，在严重事故情况下，局部区域氢气浓度快速升高，需要辅以蒸汽惰化措施来防止可能产生的氢气燃爆。

AP1000核电厂氢气主要从自动泄压系统第4级阀门和反应堆冷却剂系统破口处向反应堆厂房释放。如果发生堆芯熔融物熔穿压力容器的严重事故，堆芯熔融物与混凝土反应也会产生大量氢气。AP1000安全壳事件树分析中假设如果反应堆压力容器失效，则安全壳将失效，因此，氢气燃烧对安全壳完整性影响的评价只考虑反应堆内的产氢。AP1000设计上有防止熔融物熔穿压力容器的措施，本文不作描述。

1 AP1000核电厂氢气控制要求

AP1000核电厂氢气控制满足“先进轻水堆用户要求文件（URD）”的要求：1）设计满足10CFR50.34的要求，即假定100%活性区燃料包壳金属-水反应产生的氢气在安全壳内均匀分布时的浓度低于10%；2）若安全壳不是依赖于惰化来控制氢气，那么安全壳应有足够的自由容积以保证相当于75%活性区燃料包壳氧化所产生的氢气均匀分布，且在安全壳大气干燥条件下的浓度不超过13%；3）安全裕度基准要求设计的安全壳能承受LOCA加75%活性区燃料包壳金属-水反应产生的氢气全部燃烧的联合载荷。

福岛核事故后，国家核安全局提出的《福岛核事故后核电厂改进行动通用技术要求》中对核电厂氢气监测与控制系统提出了技术要求，内容包括：1）对氢气源项、氢气行为进行全面分析；2）开展相应的安全壳完整性分析，分析时应考虑燃料活性区包壳金属100%与冷却剂反应产生的氢气量；3）开展对氢气缓解措施有效性的分析评估；4）严重事故下，应能全程监测安全壳内氢气浓度并设置相应的报警，以便确定核电厂状态和为事故管理期间决策提供尽可能实际的信息；5）燃料活性区包壳金属100%与冷却剂反应产生的氢气在安全壳内均匀分布时，氢气浓度应小于10%。

2 AP1000严重事故中的氢气控制措施

2.1 氢气对AP1000安全壳完整性的威胁

针对AP600的现象学评价表明，对于AP1000，由直接产生的爆炸波造成安全壳失效认为是不可信事件，在AP1000安全壳内，没有足够能量的点火源来直接触发爆炸。爆燃爆炸转变（DDT）认为是AP1000安全壳内唯一可能造成爆炸的机理。在Sandia的FLAME试验装置已经测得发生DDT的最低氢气浓度为15%[1]，而且美国联邦法规10CFR50.44要求限制氢气浓度小于10%，因此如果氢气浓度小于10%，对安全壳整体来说，发生DDT的可能性为零。只需要在安全壳内的某些区域内考虑DDT，包括与两个蒸汽发生器隔间相连接的通道、堆芯补水箱和设备室、安全壳内置换料水箱的气空间、蒸汽发生器隔间以及蒸汽发生器操作平台。此外，还应防止扩散火焰对安全壳完整性构成威胁。

2.2 AP1000氢气控制措施

2.2.1 安全壳的稀释作用

AP1000核电厂安全壳的自由容积为58331m3，相比反应堆功率相同的压水堆核电厂明显增大。自由容积的增大为氢气的稀释和安全壳内的降压提供了有利条件。另外AP1000反应堆厂房在设计时考虑了设备及间隔的不知，防止局部区域氢气浓度聚集。

2.2.2 浓度传感器+复合器+点火器的设计

为了防止事故情况下氢气在安全壳内局部区域浓度过高，安全壳内配置有三个氢气浓度传感器，2个氢气复合器和66个氢气点火器用于安全壳内氢气浓度的监测和事故情况下氢气的消除。

2.2.3 纵深防御设计

AP1000核电厂在设计上采用纵深防御思想应对扩散火焰的问题。第一道防御是反应堆冷却剂系统的自动卸压系统第4级阀门管线，它防止大量氢气释放至内置换料水箱。第二道防御是环路隔间与安全壳壳体间混凝土墙隔离。第三道防御是通过安全壳内自然循环提供稳定的氧气源。第四道防御是换料水箱、PXS隔间及CVS隔间的排气口设置在远离安全壳及贯穿件的区域，以缓解氢气扩散火焰的威胁。

2.3 AP1000非能动氢气复合器（PARs）

2.3.1 非能动氢气复合器的工作原理

PAR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。在钯或铂等催化金属作用下，即使在温度低于（0°C）时，“催化燃烧”也能发生并且不受惰化气氛的影响。催化金属涂在金属板上，板间空隙为气体提供了流道，混合气体从下部开口进入，氢氧复合放热，反应后的气体混合物通过烟囱效应从上部排出。

2.3.2 非能动氢气复合器的布置

两个非能动氢气复合器安装在安全壳内高于操作平台的区域，标高分别为162英尺（49.38 m）和166英尺（50.6 m），距离安全壳壁大约4米。布置点位于安全壳内均匀混合区域且远离了可能的蒸汽快速向上流动区域，如环路隔间上方气团上升区域。

2.4 AP1000氢气点火器

2.4.1 点火器工作原理

AP1000氢气点火器为线圈式点火器，点火器启动后，线圈得电并保持高温。静态时可点燃氢气浓度5.5%的混合气体，气体搅混时可点燃氢气浓度为4.5%的混合气体。点火器分成由不同电源供应的两组，每组33个，每个功率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。点火器通过操纵员的手动驱动，事故情况下，当堆芯出口热电偶温度达到649°C时，操纵员通过PLS软操手动启动，分两组点火，每组33个；还可以通过主控室多样化驱动（DAS）盘上手动启动，DAS上是66个同时点火。

2.4.2 点火器的布置

AP1000核电厂共设置66个氢气点火器。为了防止氢气点火器单一故障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个氢气点火器，在狭长的间隔或走廊内以及氢气的主要流道需要布置足够数量的氢气点火器。这样的布置可以有效防止局部区域的氢气聚集，从而发生爆炸。

氢气点火器布置在远离安全壳壳体的位置，采用混凝土墙作为实体上的隔离。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。

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，防止同组的其他点火器因水淹故障而丧失电源。

在电厂模式1、模式2、模式5且RCS压力边界敞开、模式6且上部堆内构件未移出堆芯或者堆腔液位没有全满时，氢气点火器有短期可用性控制要求（STAC）。若一个或多个要求的氢气点火器不可用，则需在72小时内通知电站主管人员或应急待命人员且在14天内恢复氢气点火器可用性。

3 AP1000氢气控制措施动作序列

在电厂正常运行期间，氢气控制系统处于备用状态，通过氢气浓度探测器连续监测安全壳内氢气浓度。在设计基准事故期间，只需一套PARs运行就足以维持氢气浓度低于4%的可燃限值。对于严重事故，氢气生成速度可能超过PARs的处理能力，根据严重事故操纵导则，操纵员决定触发氢气点火器的时机，限制安全壳总体氢气浓度低于10%限值。事故后长期阶段，通过自动催化复合器的非能动运行来降低安全壳的氢气浓度。PARs使氢气浓度最终接近0.3%，如果还有其它降低氢气浓度的要求，可通过安全壳净化系统对安全壳进行净化。

4 氢气控制效果

快速产氢和100%包壳反应情况下的点火器燃烧分析表明，氢气点火器系统能够维持安全壳内的整体平均氢气浓度等于或者低于较低的可燃极限，且LOCA叠加100%活性区包壳反应产生氢气燃烧的峰值压力低于安全壳的压力限值。

对于氢气点火安全性分析的研究[6]表明：氢气从源项释放后，在较早的时机点火，氢气被有效控制在可燃浓度范围内，而不会发生火焰加速和转向爆炸。同时，点火器与催化复合器结合的布置方式对于氢气的控制明显优于只有复合器或只有点火器的方式，能在事故早期就有效地控制氢气浓度，并有助于长期的氢气消除。

在对AP1000核电厂点火器的功能分析[5]中，以一个能在短时间内产生大量氢气的事故序列，即发生在蒸汽发生器隔间内的冷管段双端断裂大破口事故，并叠加安注箱全部失效，仅1列CMT和IRWST注水有效为例进行了数值计算。该事故序列经计算可以作为包络工况来验证氢气点火器的功能。研究表明，通过启动点火器，可以有效控制蒸汽发生器隔间和IRWST隔间氢气浓度低于可燃限值。

5 结论

通过以上描述，说明AP1000设置的氢气监测及氢气控制措施能够实现对安全壳内氢气浓度进行监测，在正常运行和事故工况下能够将氢气浓度控制在安全限值以内，AP1000氢气控制措施是有效的，可以确保安全壳的完整性。

【参考文献】

[1]Sherman，M. P.， et al.，“FLAME Facility ，”NUREG/CR-5275，SAND85-1264，Sandia National Laboratories，1989.

[2]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.

[3]贺禹，濮继龙，高立刚，等.900MW压水堆核电站系统与设备[M].原子能出版社，2005，03.

[4]林诚格，郁祖盛.非能动安全先进核电厂AP1000[M].原子能出版社，2008，08.

[5]林千，周全福.AP1000核电厂氢气点火器功能分析[J].原子能科学技术，2012， 01，46（01）.

[6]肖建军，周志伟，经荣清.基于火焰加速和燃爆转变准则的氢气点火安全性研究[J].原子能科学技术，2006，09，40（05）.