百万千瓦级压水堆严重事故下局部隔间氢气风险分析

李汉辰，石雪垚，陈巧艳，王贺南

(中国核电工程有限公司，北京100840)

百万千瓦级压水堆严重事故下局部隔间氢气风险分析

李汉辰，石雪垚，陈巧艳，王贺南

(中国核电工程有限公司，北京100840)

核安全法规要求控制严重事故下核电厂安全壳内的氢气浓度。除安全壳整体外，局部隔间的氢气浓度同样是关注的重点。本文采用一体化严重事故分析程序对百万千瓦级压水堆核电厂安全壳局部隔间进行建模，分析了不同事故下的氢气风险。结果表明，严重事故下部分隔间短时间内可能存在燃烧风险。本文对降低燃烧风险的方法进行分析计算和筛选，得出的结论可以为安全壳隔间的设计优化提供参考依据。

氢气风险；严重事故；局部隔间

核电厂发生严重事故时会因堆内构件的氧化而产生大量氢气。短时间内的氢气快速释放会造成安全壳内部氢气积聚，可能发生氢气燃烧或爆炸等现象，严重威胁安全壳的完整性以及设备的可用性。

国家核安全局颁布的HAF102《核动力厂设计安全规定》以及《福岛核事故后核电厂改进行动通用技术要求》中明确指出须应对核电厂安全壳内氢气风险设计相关缓解措施，并要求避免安全壳完整性因局部区域氢气积聚后可能产生的燃烧或爆炸而破坏。[1-3]

根据美国联邦法规10CFR50.34(f) (2) (ix)的要求，核电厂氢气控制系统需能够应对相当于100%锆水反应所产生的氢气，并确保安全壳大空间内均匀分布的氢气体积浓度不超过10%。[4]除安全壳大空间外，氢气风险分析同样关注局部隔间内的大气状态。本文以百万千瓦级压水堆核电厂为研究对象，采用一体化严重事故分析程序，对严重事故下稳压器、波动管以及卸压箱等所在隔间进行氢气风险分析。[5]

1 模型建立

压水堆核电厂安全壳内，稳压器隔间、波动管隔间以及卸压箱隔间分布在第三至第五层，具体位置与连通情况如下：

• 稳压器隔间水平方向上与相邻设备间间相连，垂直方向向上连接安全壳穹顶空间，向下连接波动管隔间，中间被楼板隔断，楼板上有流道；

• 波动管隔间在水平方向上通过流道与主泵隔间相连，在底板上与卸压箱隔间相连，上部与稳压器隔间相连；

• 卸压箱隔间水平方向上与环廊以及蒸汽发生器隔间相连；竖直方向与波动管隔间相连；

本文采用基于集总参数法的一体化严重事故分析程序MAAP4对福清5号核电机组进行建模。建模范围包括反应堆堆芯、一回路系统、二回路系统以及安全壳等。图1给出了安全壳模型节点划分示意图，如图所示，将安全壳模型划分为25个控制体。根据本文的分析目的，将重点关注的稳压器、波动管、卸压箱所在隔间分别划分为单独的控制体。表1给出了各个控制体的编号与名称。

图1 安全壳控制体划分Fig.1 Compartments control volume nodalization

No名称No名称No名称1堆坑10卸压箱隔间19大空间1-22环路1主泵隔间11下部设备间20大空间1-33环路1SG隔间12IRWST21大空间2-14环路2主泵隔间13上部环廊22大空间2-25环路2SG隔间14下部环廊23大空间2-36环路3主泵隔间15CIS水箱24穹顶空间7环路3SG隔间16设备间25PCS空间8稳压器隔间17换料水池9波动管隔间18大空间1-1

2 事故序列选取与假设

卸压箱隔间存在的氢气风险主要来源于核电厂发生的全厂断电事故、丧失给水事故等高压事故序列。由于堆芯余热未能成功导出，造成反应堆冷却剂系统压力处于较高水平。稳压器安全阀不断反复开启与关闭，最终卸压箱爆破膜失效，堆内构件与冷却剂反应产生的氢气由此进入安全壳。对于波动管隔间，其自由容积较小且对外流通条件较差，除上述几种事故产生的氢气从卸压箱隔间流入外，发生波动管断裂事故造成的氢气释放也是波动管隔间的主要风险之一。丧失给水事故与全厂断电事故相比，停堆时间较晚，堆芯衰变热较大，堆芯熔化时刻较早。在安全壳喷淋作用下，氢气浓度更高。因此，根据本文研究目的选取丧失给水事故和波动管断裂事故进行对比分析。各事故序列假设如表2所示。

表2 事故序列假设

3 计算结果与分析

事件序列计算结果见表3。

表3 事件序列

3.1 丧失给水事故

计算结果见图2至图4。

图2 堆内产氢质量Fig.2 H2 generation in core

图3 氢气体积份额Fig.3 H2 fraction in compartments

整个事故过程中，压力容器内共产生553.9kg氢气，氢气在卸压箱爆破膜破裂后进入卸压箱隔间，造成卸压箱隔间出现若干氢气浓度峰值，其中氢气浓度峰值为35.8%，波动管隔间的最高氢气浓度达到了35.4%，稳压器隔间的最高氢气浓度为11.4%，安全壳大空间区域氢气浓度混合较均匀，最高的氢气浓度为4.4%。

从图4可以看出，虽然短时间内卸压箱隔间、波动管隔间氢气浓度明显升高，但由于大量水蒸气从卸压箱中喷放进入隔间，隔间大气状态仅短时间进入快燃区，上述隔间以及稳压器隔间内不存在氢气燃爆风险。

3.2 波动管断裂事故

波动管双端剪切断裂事故与上述其他事故相比较为特殊。由于破口面积较大，一回路冷却剂在较短时间内排空，堆芯产氢总量相对较低。但由于一回路破口发生在自由空间较小的波动管隔间内，因而该隔间内氢气浓度较高。计算结果见图5至图7。

图4 丧失给水事故安全壳隔间大气状态Fig.4 Shapiro of compartments during LOFW

图5 堆内产氢质量Fig.5 H2 generation in core

图6 氢气体积份额Fig.6 H2 fraction in compartments

图7 稳压器波动管断裂事故安全壳隔间大气状态Fig.7 Shapiro of compartments during pressurizer surge line break accident

从图6和图7可以看出，波动管隔间有近1000s时间保持高氢气浓度。水蒸气浓度无法使空间大气惰化，波动管隔间存在较大的快燃风险。

4 敏感性分析

卸压箱、稳压器波动管所在隔间的体积较小，对外流通较差，事故后由于卸压箱爆破膜的失效或波动管断裂后的质能释放，会不可避免的在其中形成较高的氢气浓度。随着安全壳内大气的流通，氢气浓度会很快下降。通过上述计算结果可以看出，丧失给水事故由于氢气产量大，释放速度快，造成卸压箱隔间的氢气浓度较高；波动管断裂事故质能喷放剧烈且发生在狭小空间内，大气状态维持在快燃区内的时间较长。

为了研究安全壳局部隔间之间的流道以及隔间自由容积对氢气浓度峰值的影响，本节通过敏感性分析为后续安全壳隔间的设计提供参考。

4.1 卸压箱隔间敏感性分析

4.1.1 隔间容积假设

卸压箱隔间位于波动管隔间正下方，由于卸压箱本身体积所限，该房间自由容积仅有约250m3。与卸压箱隔间相邻小隔间内仅布置了少量管道，因此在对卸压箱隔间容积做敏感性分析时考虑将其与卸压箱隔间合并。新隔间容积为400m3。

4.1.2 流通面积假设

如前文所述，卸压箱隔间竖直方向上与波动管隔间相连，水平方向上与环路1蒸汽发生器隔间以及环廊相连。由于各隔间之间的流通面积尺寸涉及结构、热工、屏蔽等诸多因素限制，因而对该尺寸敏感性分析的取值过大并无实际意义。结合工程经验及现实因素，卸压箱隔间通向上述三个空间的流通面积改动前后如表4所示。

表4 隔间流通面积数据

4.1.3 卸压箱隔间敏感性分析

将增大卸压箱隔间容积(流通面积不变)、增大隔间流通面积(隔间容积不变)计算结果与原设计方案相对比，结果如图8至图10所示。

图8 稳压器隔间氢气浓度Fig.8 H2 fraction in pressurizer compartment

图9 波动管隔间氢气浓度Fig.9 H2 fraction in surge line compartment

由图8至图10可以看出，增大卸压箱隔间容积对降低隔间内氢气浓度的效果并不明显；增大卸压箱隔间向安全壳其他空间的流通面积可有效降低稳压器、波动管以及卸压箱隔间内的氢气浓度；增大卸压箱隔间至环路1 SG隔间、卸压箱隔间至上部环廊的流通后，会使上述隔间的氢气浓度有所上升，由图11可知，此时氢气浓度仍保持在可接受水平。

图10 卸压箱隔间氢气浓度Fig.10 H2 fraction in relief tank compartment

图11 蒸汽发生器隔间及上部环廊氢气浓度对比Fig.11 Comparison of H2 fraction in SG compartment and upper annular

增大卸压箱容积方案中，尽管隔间内氢气浓度在短时间内较高，但稳压器、波动管、卸压箱隔间的大气状态仅会短暂维持在慢燃区内；增大流通面积方案中，各隔间内的大气状态均保持在可燃区以外。

4.2 波动管隔间敏感性分析

由3.2节分析可以看出，发生波动管断裂事故时，尽管波动管隔间大气状态点尚未进入燃爆区，但在快燃区内滞留时间长达1000s左右，应引起重点关注。因此，基于上一节得出的结论，考虑在现有基础上加大该隔间对周围隔间的流通面积，特别是加强通向其上部稳压器隔间的流通。

本节考虑了稳压器隔间与波动管隔间之间三种流通面积不同的设计方案，将分别对方案A(原设计1.3m2)、方案B(2.5m2)和方案C(5m2)进行对比，得出较为理想可行的计算结果。

图12至图14分别为上述三种方案的稳压器隔间、波动管隔间以及卸压箱隔间氢气浓度计算结果。方案A计算结果见图7，方案B与方案C对应的隔间大气状态见图15与图16。

图12 稳压器隔间氢气浓度Fig.12 H2 fraction in surge line compartment

图13 波动管隔间氢气浓度Fig.13 H2 fraction in surge line compartment

图14 卸压箱隔间氢气浓度Fig.14 H2 fraction in relief tank compartment

由图12至图14可以看出，在增大稳压器隔间至波动管隔间之间的流通面积后，稳压器隔间氢气浓度并无显著升高现象，而波动管隔间氢气浓度明显降低。从图7、图15及图16的对比可以看出，增大波动管向上流通的方法可以使隔间状态偏离快燃区。

5 结论

针对严重事故下安全壳局部隔间氢气风险分析需求，本文选取了丧失给水事故和波动管断裂事故等严重事故序列进行计算分析。

从计算结果可以看出，上述部分事故序列有氢气浓度较高的情况出现，但同时伴随着水蒸气浓度较高或氢气浓度高、持续时间短等因素，经过分析可以排除隔间内发生氢气燃爆的可能。丧失给水事故中，稳压器隔间、波动管隔间、卸压箱隔间较短时间内存在慢燃风险；波动管断裂事故中，波动管隔间存在快燃风险，稳压器隔间、卸压箱隔间存在慢燃风险。

经敏感性分析可以得出以下结论：

1) 增大隔间容积对降低局部隔间氢气浓度缓解效果不明显；

图15 方案B隔间大气状态Fig.15 Shapiro of Scheme B

图16 方案C隔间大气状态Fig.16 Shapiro of Scheme C

2) 适当增大卸压箱隔间与其他隔间的流通面积可以一定程度上降低卸压箱隔间氢气浓度，且由此带来其他隔间氢气浓度的上升结果可以接受；

3) 增大稳压器隔间与波动管隔间之间的流通面积可以有效降低波动管隔间氢气浓度，并缩短可能发生快燃的时间。结合核电厂实际情况，波动管隔间与稳压器隔间之间的流通面积应保持在5m2左右。

后续工作将基于现有结论，采用计算流体力学程序建立更详细的三维模型，对局部隔间氢气风险进行综合分析。

[1] 国家核安全局.福岛核事故后核电厂改进行动通用技术要求[S]. 国家核安全局,2012.

[2] 国家核安全局.HAF102 核动力厂设计安全规定[S]. 国家核安全局,2004.

[3] 国家能源局.NB/T 20031—2010. 压水堆核电厂事故后安全壳内氢气浓度的控制[S]. 国家能源局, 2010.

[4] Hydrogen control and risk analysis standard of 10 CFR, 50 [S]. US: NRC, 1977.

[5] 濮继龙.压水堆核电厂安全与事故对策[M].北京：原子能出版社,1995.

Local Compartments Hydrogen Risk Analysis during Severe Accident of 1000MWe PWR

LI Han-chen，SHI Xue-yao，Chen Qiao-yan，Wang He-nan

(China Nuclear Power Engineering Co., Ltd., Beijing 100840, China)

The hydrogen concentration control of NPP containment during severe accident is required by nuclear safety laws and regulations. However, except for the whole space of containment, some local compartments are also concerned equally. This paper is based on the hydrogen risk calculation of 1000MW PWR containment model during several severe accident sequences, which is developed by the integration severe accident analyses code. The result shows that the hydrogen risk may last a short period in some compartment. The way of risks reduce is analyzed and compared. Result of this paper also could be reference for containment compartment improvement design.

Hydrogen risk；Severe accident；Local compartment

2016-02-26

李汉辰(1988—)，男，北京人，助理工程师，硕士，现主要从事核电厂严重事故分析工作

TL364

A

0258-0918(2016)06-0827-09