（山东核电有限公司 山东烟台 265116）
摘要：本文介绍了事故后安全壳内氢气产生的原因，事故情况下AP1000核电站的氢气控制，并与传统的二代电站消氢系统进行比较，分析了AP1000在氢气控制方面的优越性。
关键词：安全壳；氢气控制；非能动氢气复合器；氢气点火器
引言
在核电站出现设计基准事故或严重事故时，会在安全壳内产生和释放大量氢气，可能产生氢气燃烧或爆炸的风险。2011年3月11日，日本福岛核电站核事故过程中，多台机组的核岛厂房相继发生了氢气爆炸，导致第三道安全屏障被破坏而使大量放射性物质释放到环境中，对公众和环境产生了严重的影响。AP1000核电站安全壳氢气控制系统(包含3台氢气浓度监测器、2台非能动氢气复合器和66个氢气点火器)凭借自身特有的设计，可以持续监测安全壳内氢气浓度，并通过非能动氢气复合器和氢气点火器，有效地降低安全壳内氢气浓度，避免第三道安全屏障破坏，使安全壳的完整性得以保障。
1.事故发生时安全壳内氢气来源
当安全壳内出现事故后，可能由于以下几种原因致使氢气产生：结构材料的腐蚀、水的辐照分解、锆水反应、冷却剂系统溶解氢气的释放和混凝土与堆芯熔融物的反应。
2.正常运行期间氢气的控制
正常运行期间， 3台位于安全壳穹顶的氢气浓度监测器连续监测安全壳内的氢气浓度，向电厂控制系统提供输入。测量的氢气浓度在主控室显示，操纵员可通过读数来判断氢气控制设备是否有效，是否存在威胁安全壳结构完整性的氢气累积。此外作为备用方式，可以通过一回路取样系统对安全壳大气进行取样，间断测量壳内氢气浓度。
3.设计基准事故期间氢气的控制
设计基准事故期间，假设1%的燃料包壳产生了锆水反应，非能动氢气复合器能够有效地控制安全壳内的氢气浓度[1]，维持安全壳内氢气浓度在4%的可燃限值以下。
1）非能动氢气复合器的空间布置
非能动氢气复合器位于操作平台之上，在标高121.031m和124.384m，安全壳壁面向内距离不小于3.962m，布置点均为安全壳内均匀混合区域 [2]，这些区域在自然循环范围之内。
2）非能动氢气复合器的结构特点
非能动氢气复合器由不锈钢外壳构成，这一不锈钢外壳不仅供给装置结构，还能支撑催化材料。外壳顶部以及外壳底部都设有开口，当其往上延伸时比催化剂高度还要高，借助烟囱效应，能够有效地使流通能力以及装置效率得以提高[3]。
3）非能动氢气复合器的工作原理
非能动氢气复合器极为简单，无能动部件，不需要电源，有反应物时自驱动。通常，氧和氢只能在超过593.3℃的温度范条件下，通过快速燃烧反应。但在有钯或铂等催化剂存在时，即使再低于0℃的温度条件下也能发生催化燃烧。
反应物在反应之前必须进入催化剂，当产物脱离催化剂之后，反应物的反应才会更多[5]。
4）非能动氢气复合器的工作效率
非能动氢气复合器有开放式流道，因此污垢难以对其造成影响，假如催化剂处于潮湿状态，那么PAR 启动就会有所延迟；假如催化剂处于干燥状态，只要存在氧气和氢气存在于其中，PAR就可即刻复合[6]。设计基准事故期间，PAR要对氢气积累速率时间进行控制，延迟时间很短。事故早期阶段，即形成可燃气体之前，只可在较高温度以及室温下进行复合过程。在较大环境温度、反应物浓度及惰性蒸汽(浓度＞50%)范围内都有效。在设计基准事故期间，只需一套PAR运行，就有足够的能力维持氢气浓度低于4%的可燃限值，同时能够在LOCA事故后防止氢气积累[7]。
事故后长期阶段，通过氢气复合器的非能动运行来降低安全壳内的氢气浓度。PAR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，可以通过安全壳净化系统对安全壳进行净化。
5）非能动氢气复合器的失效
可能导致非能动氢气复合器的失效原因有：入口或出口流道堵塞；氢气复合器表面污染；表面长期暴露在一氧化碳中，一氧化碳分子会覆盖在表面，使复合器丧失功能。
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4.严重事故期间氢气的控制
严重事故期间，假设10%以上的燃料包壳发生了锆水反应，产生了大量氢气，氢气生成速度可能超过PAR的处理能力，根据严重事故管理导则SAMG，操纵员决定触发氢气点火器的时机，限值安全壳内氢气浓度低于10%限值。
1)氢气点火器的分布
在安全壳内氢气容易释放、可能流动或者可能聚集的地方，布置有66个氢气点火器。为了避免氢气燃烧时影响到安全壳，要确保重要释放氢气的途径都同安全壳保持一定距离。至少要将两个点火器安装到任意一个封闭的区域，这样能够有效避免点火器功能失效的情况发生。
2)氢气点火器结构及工作原理
从外形结构来看，氢气点火器有一防水挡板，保护点火器不受安全壳表面、设备和构筑物周围蒸汽凝结为水滴的影响。氢气点火器是一种线圈型的点火器，达到一定的可燃浓度，就会致使点火塞发热，从而将点火塞附近的氢气点燃。
3）氢气点火器的供电方式
氢气点火器分为两组，每组33个，每一个耗能145W。正常情况下，由正常交流电源供电；当失去正常交流电源时，由非IE级的柴油发电机供电；当电站BLACK OUT时，由EDS供电，通过蓄电池能维持4小时的点火能力。
5.AP1000安全壳的混合作用
严重事故期间的氢气控制还要求通过自然循环混合安全壳大气。PAR复合氢氧反应生成的热与其他的物理机理(如安全壳系统中的非能动安全壳自然循环混合)共同作用可提升气体的对流，加强安全壳大气的混合，避免局部空间内积累氢气以及安全壳内产生气体分层。
6.对比与分析
1)检测氢气浓度的方式
AP1000的氢气浓度监测器布置在安全壳穹顶区域，在正常运行、设计基准事故和严重事故期间都能连续测量安全壳内的氢气浓度。在主控室显示氢气浓度，通过仪表的指示，能够掌握堆芯运行的情况。而传统的二代电站的测氢仪不仅不能实时地对氢气浓度进行检测，也不能监测堆芯的情况。
2)消除氢气浓度的速度
严重事故期间，AP1000通过将66个氢气点火器点燃，降低安全壳内氢气浓度，而传统的二代电站的消氢系统无法在严重事故期间即刻使氢气浓度降低。
3)消除氢气的方式
设计基准事故期间，AP1000可以通过非能动氢气复合器的运行来消氢。而传统的二代电站，在事故后只有通过安全壳喷淋系统，给安全壳大气降压和降温后，才可将消氢系统投入使用。另外，这种方式需要操纵员手动投入，对操纵员提出了非常高的操作要求。而且也增加了设备成本和定期试验、维护维修的工作量。
4)高浓度氢气死区的控制
AP1000的安全壳内设计较为独特，能加强混合并消除隔间死角。运行平台下的隔间为大的互相连接的开放空间，有助于气体的混合。另外，所有隔间通过顶部开口，来消除可能聚集氢气的死角。
结束语
AP1000的安全壳氢气控制系统,相比于传统的二代核电站，能够在正常运行状态下，对安全壳内的氢气浓度进行监测。在设计基准事故期间，借助非能动氢气复合器能够有效地使氢气浓度得以降低，由于非能动氢气复合器非能动运行无需投入较多的维护费用，因此得以广泛应用。在严重事故期间，能够借助氢气点火器点燃氢气，避免氢气爆炸风险。另外，AP1000的安全壳结构极为独特，能够促使气体在安全壳内的循环，避免氢气聚集于局部地区，而发生爆炸。
参考文献：
[1]安全壳空气控制系统说明书HYG-VLS-M3-001[S].
[2]张圣君,沈峰.环保型氟利昂介质在核电厂严重事故条件下的氢气惰化机理研究[J].原子能科学技术,2014,48(Z1):421-426.
[3]李汉辰,石雪垚,陈巧艳等.百万千瓦级压水堆严重事故下局部隔间氢气风险分析[J].核科学与工程,2016,36(6):827-835.
[4]邹杰,佟立丽,曹学武等.百万千瓦级压水堆严重事故下氢气源项及氢气空制有效性分析[J].核动力工程,2013,34(z1):47-50.
论文作者:张锐
论文发表刊物:《电力设备》2017年第21期
论文发表时间:2017/11/16
标签：氢气论文; 浓度论文; 点火器论文; 事故论文; 基准论文; 操纵员论文; 反应物论文; 《电力设备》2017年第21期论文;