（上海核工程研究设计院有限公司 上海 200233）
摘要：核电厂发生严重事故后，由于燃料包壳的锆水反应，氢气被大量释放，安全壳内各个隔间都有可能会集聚氢气，并最终汇入安全壳大气，高浓度的氢气将成为威胁安全壳完整性的关键因素。非能动氢复合器作为主流的消氢设备，利用氢氧催化复合的原理，能够快速并安全的消除氢气，保证核电厂的安全。本文采用软件数值模拟的方法，分析局部空间内非能动氢复合器的消氢效果，用于指导实际的核电厂安全壳氢气控制系统设计和非能动氢复合器的布置。
关键词：核电厂；严重事故；非能动氢复合器
Abstract: Huge amounts of hydrogen will be released due to the reaction of fuel cladding with water after a severe accident in nuclear power plant, aggregate in compartments of the containment and finally enter the containment atmosphere. High concentration of the hydrogen is the key factor which threatening the integrity of the containment. Passive recombiner is the main hydrogen elimination equipment, using the principle of hydrogen and oxygen recombination by catalytic, can eliminate hydrogen quickly and safely, ensure the safety of the nuclear power plant. This paper study the elimination effect of the passive recombiner in limited space by numerical simulation. can guide the design in containment hydrogen control system and the passive recombiner layout.
Key words: reactor; severe accident; passive recombiner
引言
在发生反应堆冷却剂系统破口的事故中[1]，可能会造成堆芯不能得到足够的冷却，堆芯余热不能及时排出，导致核燃料过热，发生锆水反应产生氢气。当核电厂发生严重事故时，氢气的产生量将非常庞大，快速释放进入安全壳后，可能形成氢气聚集，如不能及时消除，高浓度的氢气易发生爆燃或爆炸，威胁安全壳的完整性。非能动氢氧复合被认为是最安全的消氢方式，主要产品为非能动氢复合器，不依靠任何动力源，在有氢气的气氛环境下自启动，消氢稳定，成为控制安全壳氢气风险的主要选择，广泛应用于核电厂。
目前对安全壳内氢气分布流动及消除进行数值模拟的软件主要有两类，集总参数法（LP）和计算流体动力学（CFD）软件。LP程序主要有HEPCAL、COCSYS和MAAP等，CFD软件有GASFLOW、CFX和FLUENT等[2]。在CFD软件应用方面，清华大学肖建军、周志伟等人使用FLUENT和GASFLOW，比对了各类型的 K-ε湍流模型，总结其分析的结果如下：FLUENT中的标准 K-ε模型在氢气的各种物理量上的模拟结果比较符合实际情况；GASFLOW中模拟结果和实际情况不吻合[3]。本文采用CFD分析的方法对非能动氢复合器的消氢效果进行研究。
1 数理模型
氢气和氧气在常温下复合速率极慢，在催化剂的作用下可以大幅提高复合速率。非能动氢复合器是一个内部装有催化剂、且上下贯通的壳体，当氢气流经催化板后，在催化剂的作用下发生复合反应并放出热量，周围气体被加热后体积膨胀不断上升，更多的气体从底部进入。通过合理设计，利用烟囱效应可以提高氢氧复合的效率和气体流动能力。
图1 非能动氢复合器
1.1 控制方程（标准K-ε模型）
雷诺应力的涡粘性模型为
其中
为涡粘性（eddy viscosity），
为平均速度应变率张量（mean-velocity strain-rate tensor），ρ为流体密度，k为湍动能，
为克罗内克算子（Kronecker delta）。
涡粘性定义为湍动能k和湍流耗散率ε的函数。
湍流输运方程可表示成湍流能量输运方程3-3和能量耗散输运方程34。
其中右端项分别表示生成项、耗散项和壁面项。
模式中各常数的定义如下：
近壁衰减函数
壁面项
其中
为平行于壁面的流动速度。
积分到壁面的无滑移边界条件为：
，
1.2 物理模型及参数条件
为模拟非能动氢复合器在局部空间内的消氢现象，本文建立了一个5m*5m*5m的典型空间，研究复合器在该空间内的消氢效果，模型图2所示。
图2 局部空间物理模型
表1 初始参数设置
2 计算及分析
本文模拟了非能动氢复合器在典型空间内的消氢，保守考虑空间内已积聚大量氢气，平均氢浓度为10%，此时非能动氢复合器开始消氢，观察房间内的氢浓度、温度等参数变化情况，评价消氢效果，提出布置的建议。
从图3可以看出：消氢初期，在复合器的内部发生氢氧反应后，氢气浓度迅速降低；在2小时内氢气浓度峰值降至5.3%，在此之后，氢氧反应速率明显降低。在3.25小时内降至法规要求的4%以下；在12小时内氢气浓度最高值降至1%。从图4复合器内温度变化曲线上也可以看出，初期的温度上升比较剧烈，后期逐渐减缓。
图5速度变化曲线显示了明显的烟囱效应：15分钟时，加热后的气体从复合器上部出口以1.8m/s的速度流出，2小时达到最高流速2.7m/s，在此之后，随着氢氧反应速率明显降低，速度也慢慢降低。
图3 空间内氢浓度变化曲线
图4 复合器内部温度变化曲线
图5 复合器出口气体流速变化曲线
900s
7200s
图6 典型时刻氢气浓度分布图
图6显示了消氢时的氢气分布，从图上可知，在复合器消氢时，形成的烟囱效应能够很好的搅混整个空间内的气体流动，从而实现整个空间内的有效消氢。
3 结论及建议
本文通过模拟局部空间内非能动氢复合器的消氢，得到了一般的消氢规律和消氢效果，得出以下结论：（1）非能动氢复合器能够有效的消除局部空间内的氢气，即使布置位置比较偏，能够很好的搅混空间的气体流动；（2）由于消氢时进出口流速较快，布置需要考虑保证其进出口的流通顺畅；（3）消氢时会产生大约655K（370℃）的高温气体，需要注意在非能动氢复合器出口的物项保护。
参考文献
[1]樊继龙, 压水堆核电厂安全与事故对策, 1995
[2]邓坚, 大型干式安全壳严重事故条件下氢气控制研究: [D].上海:上海交通大学, 2008
[3]肖建军, 严重事故下安全壳内氢气浓度场分布影响因素的初步研究[J].核动力工程, 2007
论文作者:潘如东,李霄玺,宋春景
论文发表刊物:《电力设备》2017年第34期
论文发表时间:2018/5/10
标签：氢气论文; 核电厂论文; 空间论文; 浓度论文; 气体论文; 模型论文; 湍流论文; 《电力设备》2017年第34期论文;