核电厂严重事故下安全壳内消氢技术研究

王超　要巍

【摘 要】福岛事故中氢气爆炸对全球核电厂安全提出了严峻挑战。因此，明确事故工况下的氢气来源，并及时采取合适的措施降低安全壳内氢气浓度对于核电厂安全至关重要。本文介绍了压水堆核电厂严重事故工况下氢气产生的机理，对目前采用的几种消氢装置如移动式氢复合器、点火器及非能动式氢复合器做了具体分析对比，阐明各自的运行特点，特别强调了非能动式氢气复合器的优点及运行注意事项，对核电厂的技术改造具有借鉴意义。

【关键词】安全壳；氢气来源；消氢装置；氢气复合器

0 引言

随着我国电力需求的不断增长，以及为满足国家对能源结构不断优化的要求，核电作为一种清洁环保的能源将越来越受到青睐。因此，随之而来的安全问题也越来越受到人们的重视。2011年3月11日，日本9级地震引发海啸造成日本福岛核电厂发生核泄漏。此次福岛核电厂事故发生后，引起各方面的关注。福岛核电厂发生的爆炸属于化学爆炸。福岛第一核电厂1～3号机组在地震后都已成功自动停堆，但是由于地震及海啸的影响导致厂外电源和应急柴油发电机不可用，丧失了堆芯冷却功能，导致安全壳内压力不断升高，操作员采用泄压安全阀释放压力容器内的蒸汽，燃料包壳锆合金与水蒸气反应会产生氢气，当氢气相对空气的浓度达到了爆炸极限，在遇到高温甚至明火后便发生了爆炸。据资料显示，福岛核电厂是有氢气控制系统的，福岛核电厂是MARK-1型沸水堆，控制氢气的措施一般是往安全壳干井里注人惰性气体（如CO2、N2、卤代烃气体），使得安全壳“惰化”，即破坏聚集在安全壳内的氢气的燃烧带，也就是说，使氢气只有达到很高的浓度才能爆炸。比如说，正常情况下，安全壳内空气中的氢气浓度达到10%，就会引起燃烧爆炸。而充入惰性气体后，氢气浓度要达到60%（充CO2）、75%（充N2）才能引起爆炸，沸水堆的另一种抑氢措施是氢气点火装置，也就是把氢气通过氢气燃烧器烧掉，防止其聚集，但由于地震及海啸的影响导致厂外电源和应急柴油发电机不可用，丧失了电源，致使无法消除安全壳内的氢气，最终导致爆炸。

从福岛核电厂爆炸可以看出核电厂严重事故下，氢气在安全壳内可能发生快速的燃烧或者爆炸，产生较大的温度和压力载荷，破坏安全壳的完整性。为监测和消除安全壳内的爆炸风险，有必要采用一套安全壳内的氢气控制系统。该系统在安全壳内堆芯分解或熔化的情形下，能够采取措施限制安全壳内的氢气浓度，从而避免安全壳整体发生危险。氢气点火器与氢气复合器是两种现行的消除安全壳内氢气的设备，同时考虑到丧失电源情况下的可行性，必须采用非能动氢气复合器来降低氢气浓度。

1 氢气源项分析

在轻水堆核电厂严重事故进程中，锆合金包壳与水或水蒸汽产生大量的氢气，并通过反应堆冷却剂系统压力边界或压力容器破口释放到安全壳中。如果压力容器下封头被熔穿，堆芯熔融物又会与安全壳堆腔内水或混凝土接触反应，释放出大量氢气和少量其他易燃易爆气体。释放的氢气在安全壳内扩散流动，与水蒸气、空气混合，形成可燃混合气体。当氢气的浓度超过可燃浓度限值4%时，则可能发生燃烧，甚至爆炸。这将会引起安全壳超压和温度升高，从而对安全壳的完整性构成威胁，放射性裂变产物因此可能释放到环境中，造成严重后果。

针对严重事故下安全壳内的可燃气体控制，我国最新颁布的《核动力厂设计安全规定》（HAF102）明确要求：“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”。另外，参考美国联邦法规10CFR规定：必须提供氢气控制系统以安全地容纳相当于100%燃料包壳金属-水反应产生的氢气；在事故期间及以后，相当于100%燃料包壳金属-水反应产生的氢气均匀分布时的浓度小于10%。因此，对核电厂进行严重事故下安全壳内氢气浓度分布的计算分析，根据计算结果确定有效的氢气控制措施，对于满足我国核安全法规要求，具有现实的工程意义。

在失水事故工况下，安全壳内产生氢气的源项主要有：冷却剂在堆芯区和地坑区的辐照分解；锆燃料包壳在事故期间被冷却剂或蒸汽腐蚀产生的锆水反应；安全壳内的铝和锌金属被安全壳喷淋液腐蚀；冷却剂中溶解氢的析出；芯熔融物与混凝土反应（MCCI）。不同源项具体分析如下：

（1）反应堆冷却剂的辐照分解：失水事故后，堆芯将重新由安全注入系统淹没，堆芯内的冷却剂因受到由燃料棒内裂变产物释放出的缓发γ的辐照而分解。同时安全壳地坑水也会由γ和β引起辐照分解。辐照分解反应方程式为：

2H2O=2H2+O2

（2）高温下堆芯内的锆水反应：在失水事故工况下，当燃料棒包壳温度超过一定高温时，包壳中的锆金属与冷却剂发生放热反应而产生大量的氢气，锆水反应方程式为：

Zr+2H2O=ZrO2+2H2

（3）喷淋水对安全壳内金属铝的腐蚀产氢。金属铝-水反应方程式为：

2Al+3H2O=Al2O3+3H2

由此可知，1kg铝腐蚀的氢气产生量为1.2444m3。金属铝的腐蚀速率，取决于安全壳温度及喷淋液的pH值。

（4）锌水反应产氢。金属锌水反应方程式为：

Zn+H2O=ZnO+H2

锌在水中的腐蚀速率约为0.18g/（m2·d），比金属铝的腐蚀速率小的多，故可忽略不计。

（5）冷却剂中溶解氢气的析出：正常运行时冷却剂中氢气含量一般规定为20～50cm3/kg，保守取为50cm3/kg，反应堆冷却剂热态总质量约为168t，则反应堆冷却剂中溶解氢气的析出总量约为8.4m3。

（6）堆芯熔融物与混凝土反应（MCCI）：严重事故下，丧失正常及应急冷却系统将会导致堆芯熔化并可能坍塌，如不进行干预，压力容器的完整性将被破坏，进而堆芯熔融物落到堆腔底板与混凝土相互作用，即发生堆芯熔融物与混凝土相互作用（MCCI）。在高温熔融物作用下，混凝土地基可能被熔穿，此外，大量不可凝气体和氢气等易爆燃气体可能引起安全壳超压失效。

2 安全壳内消氢技术分析

氢气燃烧是造成核电厂安全壳失效的主要原因之一。当安全壳内的氢气浓度达到一定比例时，在外界条件（例如温度、压力、氧气浓度等）适合的情况下，可能会发生氢气迅速燃烧或爆燃，从而造成与安全有关的设备和系统的局部损坏，甚至损坏安全壳的结构，造成大量的放射性物质进入环境。在国家核安全局颁布的《关于新建核电厂若干安全问题的技术政策》中明确指出：严重事故下，必须消除威胁安全壳完整性的大规模的氢气爆燃和爆炸。针对这一政策，中国在今后新建核电厂时，必须考虑严重事故下氢气在安全壳内的行为及其缓解措施。

2.1 移动式氢复合器

移动式氢复器是20世纪90年代为压水堆核电站ETY系统所设计，用于消除安全壳设计基准事故后可燃氢气的安全设施。该装置由全屏蔽消氢风机、冷却冷凝器、汽液分离器、催化反应器、冷却器和电气控制柜等组成，见图1。除电气控制柜外的所有设备安放在一个可以移动的小车上。

当安全壳内氢气浓度升高时， 用该装置将安全壳内含有氢气的空气抽出并经加热， 使其中氢气催化复合成水， 剩余空气返回安全壳， 经多次循环后， 可以降低安全壳内氢含量， 达到消氢目的。

以大亚湾核电站为代表的M310机组（包括秦山二期和CPR100机组）都在其安全壳大气监测系统（ETY）中设有两套移动式的消氢装置，每台消氢装置的流量为85～119m3/h，可保证该装置在经过2h运行后，能使安全壳内氢气的浓度从最大3.5%降低到0.1%以下。该装置还有另外一个重要的功能即通过风机循环使安全壳内空气混合均匀， 以便于其他分系统对安全壳内气体进行监测。但该装置只用于在设计基准事故下的消氢，没有考虑在超基准事故下的消氢。当发生超基准事故时，安全壳被隔离，该装置停止工作。当安全壳内大气压力升高到一定限值时，氢气和其他不凝性气体只能通过安全壳过滤系统（EUF）排入环境。

图1 移动式氢复合器

2.2 氢气点火器

核电站用氢点火器的工作机理是当核电站发生失水事故或严重事故时，氢点火器迅速启动，点火器上的加热原件加热升温，当安装点火器处氢气浓度达到可燃浓度后，氢气燃烧并降低到可燃浓度以下（无水蒸气的时候，可以点火的最高允许氢气浓度为10%）。由于点火器启动时间早，避免氢气的大量聚集，所以点火器点燃氢气后，只会形成燃烧而不会产生爆燃或爆炸。在失水事故或严重事故中水蒸气是和氢气一起释放的，水蒸气对氢气燃烧时能量的传递有惰化影响，从而降低氢气燃烧的范围。混合气体中的水蒸气浓度越高，点火引起的燃烧过程越温和，压力负荷越低。当水蒸气冷凝后，被水蒸气惰化的混合气体在适当的压力下可以继续可靠的点燃，从而达到消除安全壳内氢气的目的。

近年来，核电发达国家如美、德、俄、日、法等国已经相继开发研制了多种氢点火器，见图2，并且有些已在新建的核电站中使用，以限制安全壳内的局部氢浓度，防止氢气发生爆燃。世界第三代核电机组AP1000中明确提出要在核电站安全壳内每个机组安装64台氢点火器，以应对在严重事故和堆芯熔化事故期间及事故后期状况，氢的快速释放，中国秦山三期工程中的消氢系统也采用了加拿大AECL公司生产的44台氢点火器。

图2 火花塞型（左）与螺旋线圈型（右）点火器结构图

点火器组件是一个电热塞。在安全壳环境中，点火器组件的设计可在严重事故（包括LOCA事故）期间，维持其电热塞表面温度在871℃～927℃之间。电热塞容易在氢气浓度接近易燃浓度时点燃氢气。氢气点火器位置及其电源已设计成使整个安全壳及局部的单独隔间点火器保护丧失的可能性最小化。氢气点火器电源分成两组，正常情况下每组电源由厂外供电，但是当厂外电源不可用时，每个电源组由非重要的柴油机供电。最后，如果柴油机供电失败，则氢气点火器可依靠每组上的非IE级蓄电池运行大约4h。

2.3 非能动氢气复合器

由于核电系统安全性的要求不断增加，2004年国家核安全局重新修订《核动力厂设计安全规定》（HAF102）和《核动力厂运行安全规定》（HAF103），将严重事故列入核电站设计考虑范畴，要求在设计中必须考虑超设计基准事故，同时要加装事故状态下非能动安全保护系统。当事故发生时，该系统无须能源供应且不需人为干预而自动启动并投入运行，减少了人为因素的影响，增加了安全性。非能动氢气复合装置就属于这种安全设施之一。

非能动式氢气复合器的核心部件是催化板，催化板由不锈钢制成，外面包裹一层氧化铝作为催化剂载体，氧化铝上面粘着催化剂（铂/钯）。催化剂的主要成分为铂，钯主要是加快低温下催化反应的初始速度，如图3所示。

图3 非能动式氢气复合器

其消除氢气是采用催化消氢的原理。氢气的消除是指氢气和空气中的氧气化合生成水。一般条件下，该反应需较高温度或明火。采用催化剂可降低该反应的反应温度，使氢气和氧气在较低温度甚至常温下可在催化剂表面反应，化合生成水。含氢空气在催化剂表面反应时会放出热量，加热局部空气，使热空气密度减小而上升，冷的含氢空气不断补充，在催化剂表面不断反应、放出热量，如此往复，形成气体自然对流循环，不断消除氢气，使安全壳内氢气浓度降至远低于其爆炸限的水平。为了增加循环的动力，通常将催化剂安装在一个较高的筒状壳体的下部，利用正烟囱效应，加大推动力。

3 几种消氢装置比较

移动式氢复合器在早期机组中普遍应用，限于当时的技术水平和设计理念，该装置只针对设计基准事故情况下消氢，没有考虑超基准事故情况下的消氢，而后者对安全壳的威胁远大于前者；该装置投入运行前，需要一系列的准备活动，操作复杂，操作人员将不可避免地受到辐照，而且该装置运行时旁通了安全壳，这是不安全的。

氢气点火器在设计上用来应付低概率的严重事故，其特点是响应快速、消氢能力大、能有效地预防剧烈的氢气燃烧和爆燃。但燃烧不确定性较大，可能扩散至周围区域，导致局部载荷过高并损坏重要设备。同时水蒸气的惰化效果对其可靠性有很大影响。点火器布置需要详细的热工水力验证计算，对电力有所依赖，需要连接电线、构件贯穿安全壳。另外点火器需要在氢气浓度达到可燃水平才能投入运行，所以它只能用于超基准事故情况下的消氢它的投运不仅需要仪表能够准确测量，还需要操纵员有准确的判断力。

非能动的氢复合器布置在安全壳内，由于Pt/Pd在低温下也可使氢气催化氧化成水，氢的氧化会放出热量，使气体和催化板的表面温度升高，反过来又加速了氢的复合速度。所以这种消氢是完全自动的，无需人为启动和干预，也无需专门的仪表在线测量氢的浓度。但对于氢气快速大量释放，消氢能力受限；化学毒物和污垢影响消氢效率，为了确保复合器的性能，每年需要抽取一定比例的催化板进行效能试验；复合效应使隔间的温度快速升高，在其设计中，应谨慎考虑复合的温度效应，避免氢气复合器成为点火源。

4 结束语

严重事故情况下，如果不采取有效的消氢缓解措施，可导致安全壳早期超压失效或由于氢气产生燃爆，造成压力冲击而失效。如何有效的缓解氢气燃爆带来的危害一直是各国核安全领域的课题。目前存在的几种安全壳内消氢措施各自有其优缺点，对于电厂而言，具体采取何种措施还需结合各方面因素综合考虑，进一步研究。

【参考文献】

[1]郭丁情，邓坚，曹学武.SB-LOCA始发严重事故下压力容器内氢气源项分析[J].核动力工程，2008，29（2）：88-91.

[2]胡建军，压水堆核电厂失水事故后安全壳内产氢量计算研究[J].核动力工程，2013，34（增1）：95-92.

[责任编辑：汤静]