日本福岛事件对核电厂氢气控制的几点启示

摘 要：本文通过对福岛事件进行综述，对现有的核电厂氢气控制法规规范要求、氢气控制系统设置、氢气控制设备等方面进行调研，在此基础上，得出了福岛事件对核电厂氢气控制的几点启示。

关键词：福岛事件；氢气控制

1. 引言

2011年3月11日下午，日本东北部太平洋海岸发生的大地震和引发的海啸袭击了福岛第一、第二核电站，随后爆发了规模和时间空前的核事故，称为福岛事件。福岛核电站四个机组的反应堆厂房相继发生氢气爆炸，使得放射性物质大量释放至环境，且引起公众极大的恐慌。因此，继三里岛事故后，如何控制严重事故后产生的氢气从而保证安全壳的完整性再一次引起核电行业的重点关注。

本文通过对福岛事件进行综述，对现有的核电厂氢气控制法规规范要求、氢气控制系统设置、氢气控制设备等方面进行调研，在此基础上，得出了福岛时间对核电厂氢气控制的几点启示。

2. 福岛事件简介

2011年3月11日下午，日本东北部太平洋海岸发生的大地震和引发的海啸袭击了东京电力公司(TEPCO)所属的福岛第一、第二核电站。由于大地震和海啸导致福岛核电站全厂断电，随后爆发了规模和时间空前的核事故，以下简称福岛事件。下面先简单介绍一下福岛事件的发展过程，福岛事件发展示意图见图1。

3月11日地震前，福岛第一核电站1~3号机组处于功率运行状态，4~6号机组处于停堆检修状态。其中4号机组正进行改造，压力容器内所有核燃料已卸载至乏燃料池。

地震后，福岛第一核电站1~3号机组自动停堆。福岛第一核电站6个机组的外部电源由于地震全部丧失，应急柴油发电机自动启动。但是随后的海啸淹没了所有应急柴油发电机（除6号机组的一台应急柴油发电机外），并且淹没了所有海水泵房。

对于福岛第一核电站1~3号机组，由于失去全部交流电源，堆芯冷却功能丧失，最终导致燃料裸露、堆芯熔化的严重事故。事故期间，锆水反应产生大量氢气，在压力容器卸压时，放射性物质和氢气被排放到安全壳。在湿井向安全壳排气后，从安全壳泄漏的氢气相继引起1 号、3号、2号机组反应堆厂房上部区域发生爆炸，反应堆厂房被损坏，导致大量放射性物质进入环境大气。福岛第一核电站1~3号机组爆炸示意图见图2。

对于福岛4号机组，在地震前已将所有堆芯燃料卸入乏燃料池。然而，由于3号机组排气管在到达排放烟囱前并入到4号机组的排气管，3号机组产生的氢气通过排气管泄漏至4号机组反应堆厂房，导致4号机组反应堆厂房也发生了爆炸。

对于福岛核电站，虽然设计有针对设计基准事故的安全壳惰化氢气控制系统，能够在设计基准事故中保持安全壳的完整性。但是福岛核电站没有设计针对严重事故的氢气控制系统，也没有在反应堆厂房设计氢气控制系统。所以，福岛核电站四个机组的反应堆厂房相继发生氢气爆炸，使得放射性物质大量释放至环境，且引起公众极大的恐慌。因此，继三里岛事故后，如何控制严重事故后产生的氢气从而保证安全壳的完整性再一次引起核电行业的重点关注。

3. 现有核电厂氢气控制调研

严重事故后，堆芯退化期间锆水反应、压力容器下封头失效后堆芯熔融物与安全壳底板混凝土的反应将产生大量的氢气，一旦安全壳内的氢气浓度积累到一定数值时，就可能引起爆燃或爆炸。当爆燃或爆炸产生的温度负载或压力负载超过安全壳的结构设计能力时，就可能造成安全壳失效，导致放射性物质大量释放至环境。从20世纪末，新建核电厂引入了针对严重事故的氢气控制系统。本节将从氢气控制的法规规范要求、氢气控制系统设置、氢气控制设备等方面进行调研和综述。

3.1 现有法规规范要求

HAF 102 -2004《核动力厂设计安全规定》第6章规定：1）必须考虑严重事故下保持安全壳完整性的措施，特别是必须考虑预计发生的各种可燃气体的燃烧效应；2）必要时，必须设置用以控制可能释放到反应堆安全壳内的裂变产物、氢、氧和气体物质的系统，借以控制设计基准事故下安全壳气体中的氢或氧和其他物质的浓度，以防止可能危及安全壳完整性的爆燃或爆炸；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。

10CFR50.34、50.44、RG1.7-2007等规定：所有的安全壳要么被惰化；要么能限制安全壳内的氢气浓度，即在事故期间及以后，相当于100%燃料包壳-冷却剂反应产生的氢气均匀分布时的浓度小于10%，必须能维持安全壳结构的完整性。

3.2 现有核电厂氢气控制系统设置

从20世纪末，新建核电厂一般都设置了针对严重事故后的氢气控制系统；而大部分老的核电厂，没有设置针对严重事故的氢气控制系统。部分核电站氢气控制系统的设置见表1。

3.3 现有核电厂氢气控制设备

目前，国际上最常见的核电厂氢气控制设备（消氢设备）有氢复合器和氢点火器。

3.3.1 氢复合器

氢复合器主要有两种：安全壳内的非能动自催化氢复合器和安全壳外的集中能动式高温催化复合器。安全壳外的集中能动式高温催化复合器仅用于设计基准事故，很多在役核电站都设有这种类型的复合器，如秦山一期、秦山二期和大亚湾等核电站。现在新建的核电站一般使用安全壳内的非能动氢复合器，可以用于设计基准事故和严重事故。

如图3所示，非能动氢复合器由一个金属外壳以及许多平行竖立在底部的催化剂（活性组分主要为：铂和/或钯）组成。当释放入安全壳内的氢气经过复合器的催化活性表面时，氢气和氧气在催化剂的作用下，在较低温度及浓度时就发生反应生成水。反应产生的热量导致复合器下部的混合气体密度较低，这引起强大的浮力作用。由于浮力作用，热空气离开复合器时又会引起强大的对流作用（烟囱效应），增加周围气体混合物进入复合器，从而提高复合器的复合效率；同时也促进了安全壳内大气的混合。

●非能动氢复合器有如下优点：

●非能动，不需要电源供应或人员干预；

●在氢浓度达到燃烧限值前去除氢气；

●在高蒸汽浓度（即使蒸汽浓度＞55%，即蒸汽惰化）去除氢气；

●能增加安全壳内的对流和自然循环。

不过，非能动氢复合器也有以下缺点：

●催化剂可能中毒；

●不能快速缓解氢浓度峰值。

3.3.2 氢点火器

氢点火器主要有三种类型：电热塞型、螺旋线圈型、电击发型、催化反应式。各种类型氢点火器示意图见图4，它们各有优缺点，见表2。各类点火器利用不同的原理激活点火元件，使氢气混合物在较低浓度时持续可控地燃烧，以消除安全壳内的氢气。在安全壳内预置一些点火器能有效快速缓解局部地区所释放氢气峰值。不过点火器也存在如下缺点：

●蒸汽高浓度时（一般为50%）无效；

●持续使用寿命有限；

●多次燃烧后引起局部高温、燃烧延迟；

●如果布置的位置不对，则有可能成为引发氢气爆炸的点火源，对安全壳产生负面影响。

4. 福岛事件启示

综合福岛事件的发展过程以及现有核电厂氢气控制的调研，可以有以下几点启示：

●所有的核电站，包括已建和新建的核电站，都必须设置针对严重事故的氢气控制系统。若已建核电站没有设置针对严重事故的氢气控制系统，则必须进行改造。

●考虑可能会发生类似福岛的全厂断电事故，建议安全壳内布置一些不需要电源支持的非能动氢复合器和催化反应式的点火器。

●建议同时采用安全壳内非能动氢复合器和点火器，即采用多样化的氢气控制手段，提高氢气控制的可靠性。并且，消氢设备至少为抗震II类。

●考虑到福岛3号机组的氢气通过排气管泄漏至4号机组，导致4号机组反应堆厂房爆炸。因此，需关注各核电站通氢管道的布置和设计，包括正常通氢管道和事故后通氢管道，防止各管道间氢气相互泄漏或氢气泄漏至管道布置所在的房间，并且设置测氢仪表及时发现氢气泄漏。

●设置可靠的氢气监测仪表，测量事故后安全壳内的氢气浓度。

参考文献

[1]HAF102-2004核动力厂设计安全规定

[2]RG1.7-2007安全壳内可燃气体浓度的控制

作者简介：

宋春景(1979-)，女，硕士。2004年7月毕业于上海核工程研究设计院的核能科学与工程专业。现从事工艺系统设计工作。