非能动氢复合器在核电厂的应用

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摘 要：非能动式氢复合器是秦山第二核电厂（简称秦二厂）核岛系统中的重要设备，为日本福岛核电事故后，新增的安全壳内专设安全措施，主要在超设计基准事故工况下去除安全壳内氢气，当安全壳内大气中的氢气含量达到一定浓度时，非能动式氢复合器自动启动复合氢气，以消减安全壳内的氢气含量。该文详细介绍了秦山第二核电厂非能动式氢复合器结构、试验原理、试验方法以及失效分析，同时对非能动氢复合器长期监督提出合理建议。

关键词：氢复合器 催化板 失效 核电厂

中图分类号：TL 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）09（a）-0066-01

在核电厂发生设计基准事故或严重事故时，安全壳内将释放大量氢气。氢气浓度积累到一定限值时发生爆炸，就会破坏第三道屏蔽――安全壳的完整性，导致大量放射性裂变产物向环境释放。为了排除危及安全壳完整性的氢爆炸，必须采取可靠措施控制安全壳内的氢气含量，使其浓度低于爆炸限值。秦二厂非能动消氢复合器的功能是：消除或降低事故工况下安全壳内的氢气浓度，保证核电厂的安全。

1 非能动氢复合器的机构及原理

非能动式氢复合器结构简单，它的主要组成部分是壳体和催化板，其它还包括钢支撑、紧固件、与混凝土或钢平台的连接件等辅件。

每一台非能动式氢复合器都有一个金属壳体，其主要作用有以下几方面。

（1）容纳催化板片。催化板安装在壳体内部下方，根据氢复合器型号不同，分别安装了不同数量的催化板（75片或150片）。

（2）促进空气的自然对流。含氢空气从壳体下方流入（从而流经催化板），消氢后的热空气从壳体上部流出。

（3）壳体上部顶盖可以保护催化板免受喷淋液腐蚀和空气中浮尘的沾染。

氢气和空气的混合气体从壳体下部进入敞口的氢复合器后，在催化板片表面发生氢氧复合反应生成水蒸汽，放出的热量造成氢复合器内空气温度的上升和密度的减小，使空气上升并最终排出氢复合器，同时新的含氢混合气体又被从下部吸入，如此实现循环自然流动。

决定复合器实现消氢功能的关键部件是催化板片。催化板片实际上是在很薄的耐高温的不锈钢载体上（尺寸290 mm×140 mm）涂了几层媒介。其中以氧化铝（Al2O3）作为中间涂层，其上又分别涂了一层钯（Pd）和一层铂（Pt），钯和铂的比例约为1∶35。钯和铂作为催化剂具有不同的催化性能。钯有较强的催化能力，可以在较低温度下引起催化反应，但是在高温下容易被氧化。钯涂于催化板的下部边缘，是一个宽约1～2 cm的窄条涂层，用于在低温下快速启动催化反应。铂则在较高温度下发挥出最佳催化作用，它是作为主要的催化剂被涂于催化板的大部分面积上。

催化板壳体的下部有一个抽屉，拉出抽屉可以装卸催化板，催化板安装之后把抽屉重新推入壳体。安装催化板时钯启动带朝向下方，并按编码顺序从左到右紧密排列。根据PAR型号的不同，每一台PAR抽屉可以安装75片（FR1-75T型）或150片（FR1-1500T型）催化板。含氢混合空气从抽屉下方进入，首先接触强催化作用的钯层而发生复合反应并放出热量。混合气体继续上升至催化板的铂层，由于此前空气已被加热，铂层的催化作用被激发，引起更深的复合反应，放出更多热量，从而使铂层的催化作用得到全面激发。催化板在抽屉内是紧密排列的，相邻的两片催化板之间的间距小于1 cm，所以个别催化板的放热反应即可引起周边其它板片的连锁催化反应，最后所有催化板的催化作用都被激发。这种由局部“点燃”全面的催化反应过程被形象地称为“多米诺催化效应”。放热反应过程产生自然循环对流，“冷”混合气体从壳体下部不断被吸入，消氢后的热空气从壳体上部的排风口排出。非能动式氢复合器自启动自催化反应的基本过程就是这样形成的。

2 非能动氢复合器效率试验方法

为了确保氢复合器的性能，必须对其进行定期对检查和试验。在机组每次换料大修期间，选取25%数量的氢复合器进行试验（约5～6台）。每台参加试验的氢复合器随机抽出相邻的3片催化板，利用TIRE（试验设备）进行消氢效率试验。如试验结果不合格，应通过TIRE对该复合器所有的催化板进行再生处理，经再次试验合格后可重新投入使用。

消氢效率试验通过检查催化板的自启动性能和消氢能力来验证其催化活性。试验是在标准条件下执行的，即在一定的温度、一定的氢气入口体积浓度和流量下进行。将试验催化板置于TIRE的加热柜内加热到50 ℃，通以500l/h流量的试验气体（空气中含3%体积浓度的氢气），通过测量一定时间内出口氢气体积浓度的变化来验证催化性能。

非能动式氢复合器消氢效率验证试验利用TIRE完成，该设备具有检查（Inspection）和再生（Regeneration）两种工作模式，以实现不同的功能。

TIRE的基本组成如下。

一个可移动小推车，TIRE的其它部分都安置在小车上，可实现整个装置的自由移动。

两个具有气密性的加热柜，即试验柜和再生柜。

试验柜用于消氢效率试验，由带密封垫圈的前门、催化板支架、加热器、温度传感器、测氢仪、气体管路以及控制回路等组成。

再生柜用于对失效催化板的再生处理，由带密封垫圈的前门、催化板支架、加热器、温度传感器、再生热交换器、气体管路以及排气口组成。

3 非能动氢复合器的失效模式

催化剂图层脱落：催化板片在运输和现场安装过程，催化剂图层存在刮擦。目视检查每一块板片的催化剂涂层未覆盖区域总面积不超过5 cm2，单个催化剂涂层未覆盖区域面积不超过1 cm2。板片最左或最右边的催化剂涂层未覆盖区域不会影响催化功能。板片上的个别划痕是抗磨损性试验的结果，是可接受的。如果出现较大面积的催化剂图层脱落将影响消氢性能。

外界环境影响：催化剂板片的正常颜色应为深灰色，由于制造工艺原因，黑色/灰色/褐色都是可接受的。否则应检查颜色变化原因，如因受污或灰尘所致，可用压缩空气吹扫。机组正常运行后，催化板片布置在核岛厂房，经过多年运行，催化板片存在油污，会导致消氢性能下降。

4 结语

非能动氢复合器是核电厂重要的核安全设备。作为福岛事故后，新增的专设安全设施，各电厂对于非能动氢复合器应用经验还比较匮乏。各电厂性能试验之间应有效沟通和资源共享，这样既有利于后续工作的开展也便于非能动氢复合器效率试验的持续改进。

参考文献

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