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摘要：本文分析了在核电厂发生严重事故时，氢气的产生来源，并给出了氢气的缓解措施，重点分析了非能动氢气复合器的工作原理，对比非能动氢气复合器和氢点火器的优缺点。最后得出安全壳内消氢措施的最优组合。
关键词：非能动氢符合器；氢点火器；安全壳；氢气
一、压水堆事故工况下安全壳内氢气的来源和危害
由于压水堆堆芯的燃料棒包壳是由锆铌合金制成的，锆铌合金的临界温度是400℃，如果水温上升到400℃，包壳就会发生严重腐蚀，使包壳的机械性能下降。如果包壳温度上升到900℃，就会发生锆水反应：Zr+2H2O=ZrO2+2H2↑+Q，释放大量热量，同时又有大量氢气产生。这是压力容器内产生氢气的最主要的途径。
如果在严重事故情况下，堆芯熔融物熔穿压力容器底部并与安全壳底板的混凝土接触，发生MCCI（Molten Corium Concrete Interaction-熔融物混凝土反应）。在MCCI反应中，堆芯熔融物中的金属与混凝土热分解释放出的水蒸汽、CO2发生剧烈的氧化反应，并产生大量氢气和CO等气体。这就是在压力容器外产生氢气的主要途径。
产生的氢气在安全壳内聚集，达到一定浓度后就会发生爆炸或者爆燃，会使安全壳内的设备遭到损坏同时对安全壳的完整性也造成威胁。2011年3月12日发生的福岛核事故就是由于反应堆厂房发生了氢气爆炸才使放射性物质大量释放到环境。
二、安全壳内消氢的原理
安全壳内氢气燃烧大体分为三类：
（1）当空气中的氢气浓度低于8%时，火焰速度慢，会发生慢燃；
（2）当氢浓度处于8%-14%，燃烧充分，会发生速燃；
（3）当氢浓度大于14%，火焰加速，会发生燃爆。
只要温度达到氢气的燃点，就会燃烧；当氢气浓度超过10%时，就可能发生爆炸。为了避免氢气燃烧或者爆炸，必须降低空气中的氢气浓度，一般有两种思路，一种是稀释氧气或者氢气浓度，一种是减小空气中氢气的含量。下面分别对由这两种思路制定消氢措施进行介绍。
1、钝化
对于那些需要绝对禁止氢气燃烧的安全壳，在核电厂投入正常运行之前，必须降低安全壳空气中的氧气浓度。为达到这个目的，通常向安全壳内注入氮气或者二氧化碳来降低氧气的浓度，使氢气浓度保持在可燃浓度水平之下。该方案适合小体积安全壳，比如Mark Ⅰ和Mark Ⅱ安全壳的沸水堆核电厂。
在事故发生后，操纵员也可以手动向安全壳内注入氮气或二氧化碳，但是这一措施除了需要相应的设备系统外，还需要一套可行的事故判断准则。理论研究表明，事故后钝化能够有效阻止氢气燃烧，但同时会增加安全壳内放射性物质向外泄露的风险。田湾核电厂在严重事故规程中明确说明了可以通过短时停运安全壳喷淋系统，用蒸汽来降低氢气浓度，避免发生氢爆。
2、氢点火器
在事故工况下，安全壳内不可避免的会存在随机的点火源，如电火花等，因此，可以设计点火器在氢“安全浓度”范围内主动点燃氢
图1 美国193-3443-4螺旋线圈点火器结构图
气，使之缓慢燃烧，从而消除氢气，避免安全壳内氢气发生爆炸，威胁安全壳的完整性。
氢点火器的工作原理是：在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。在没有水蒸汽时可以点火的最高氢气浓度是10%。由于点火器启动较早，避免氢气大量聚集，所以点火器点燃氢气后只会发生燃烧，而不会发生爆炸或爆燃。氢点火器的结构如图1所示。
3、非能动氢气复合器
非能动氢气复合器（Passive Auto-catalytic Recombiners, PARs）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2所示。
图2非能动氢气复合器工作原理图
设计基准事故（DBA）和超设计基准事故（BDBA）工况下，H2在催化剂的表面氧化变成水蒸气，反应释放的大量热量加热了催化板入口的空气，热空气因密度小而上升，热空气上升后留下的空间由氢复合器下部冷空气流入补充，形成气体自然扩散循环的“烟囱效应”，实现了氢复合器内外气体“非能动”对流循环，加速了氢气的催化反应。非能动氢气复合器催化反应的原理如图3所示。
图3 非能动氢气复合器催化反应原理图
1、大量的氢气和氧气从蒸汽中通过边界层进入催化剂表面；2、氢气和氧气进入内部毛孔结构的活性中心；3~5、在表面反应；6、水从内部毛孔扩散到催化剂表面；7大量的水从催化剂表面通过边界层进入蒸汽。
三、非能动氢气复合器和氢点火器对比
非能动氢气复合器有以下优点：自启动（非能动），不需要人员操作，不需要外部提供能源；催化剂持续工作能力强，耐辐照，能长期消除氢气；启动温度低，启动浓度低，启动速度快。但是它的缺点也比较明显，比如：对氢气快速大量释放，消氢能力有限；化学毒物和污垢影响消氢效率等。
氢点火器也具有比较突出的优点：响应快速，消氢能力大；能有效预防氢爆和爆燃。缺点就是：燃烧不确定性较大，燃烧区域可能会扩散，可能会损坏重要设备。因此氢点火器的布置位置需要慎重考虑，分析各种风险，避免加重事故后果。
四、总结
在核电站发生严重事故时，安全壳内产生的氢气会对安全壳的完整性造成威胁，因此必须制定有效的安全壳消氢措施，降低氢气爆燃或者爆炸造成安全壳失效的风险。通常来说只采取一种消氢装置并非最有效的消氢方案。在事故早期氢气释放量较大，PARs没有足够能力在短时间内消除这么多氢气，可以采用点火器使氢气在可燃极限附近燃烧，从而避免形成较高氢气浓度的混合物；在事故后期，PARs可以持续稳定地继续消除氢气。因此，“非能动氢气复合器+氢点火器”是一种比较有效的消氢方案。
参考文献
[1]田湾核电站LOT830A项目非能动氢复合器使用维护手册，2014.
[2]陈良，吴向东，饶仲群，压水堆核电站安全壳消氢系统技术分析，2010.
[3]周晓宁，AP1000严重事故下安全壳内消氢措施的研究，核安全，NO.4.2011:50-56.
论文作者:冯章俊
论文发表刊物:《电力设备》2017年第15期
论文发表时间:2017/10/19
标签：氢气论文; 点火器论文; 浓度论文; 事故论文; 发生论文; 催化剂论文; 核电厂论文; 《电力设备》2017年第15期论文;