田立国（三门核电有限公司，浙江三门 317112）

AP1000事故情况下的氢气控制

田立国
（三门核电有限公司，浙江三门 317112）

压水堆核电站在事故情况下，氢气往往成为威胁安全壳完整性的主要因素。AP1000主要采用了非能动自动催化氢气复合器（PAR）加氢气点火器的控制方法，并辅以安全壳空间稀释、安全壳排气和蒸汽惰化来防止可能产生的氢气爆炸，从而达到在设计基准事故和严重事故下控制氢气的目的。

AP1000 安全壳 氢气控制 设计基准事故 严重事故压水堆核电站在事故情况下，氢气往往成为威胁安全壳完整性的主要因素。2011年日本福岛事故中即是因为反应堆失去冷却，燃料烧毁，大量氢气释放到反应堆厂房内，氢气浓度超过限值，4台机组接连发生反应堆外厂房爆炸，导致放射性物质释放到环境中。

AP1000作为第三代核电技术，设置了专门的安全壳氢气控制系统，并在具体的应急运行规程和严重事故管理导则中给出了设计基准事故和严重事故条件下，各种控制安全壳内的氢气浓度方法，以便在事故情况下保障安全壳的完整性。

1　事故情况下安全壳内的氢气来源

发生事故后，安全壳内氢气来源及产生方式主要有：

（1）燃料包壳的锆水反应。LOCA或者严重事故期间，堆芯丧失冷却，燃料元件的温度升高甚至熔化，燃料包壳与周围的冷却剂或者水蒸气发生锆水反应，产生H2。燃料包壳的锆水反应方程式如下：

Zr+2H2O→ZrO2+H2+热量

（2）堆芯-混凝土反应。在发生严重事故情况下，堆芯熔化，熔化的堆芯可能会向下熔穿压力容器底部，造成压力容器失效，堆芯熔融物与安全壳内的混凝土发生反应也将产生大量的H2，产生的氢气量与安全壳内混凝土底板的成分密切相关。

（3）水的辐照分解。水的辐照分解产生氢气的速率取决于冷却剂吸收能量的速率，总的辐照分解反应方程式如下：

（4）结构材料的腐蚀。事故后，安全壳内可能由于铝、锌等金属与冷却剂作用，腐蚀产生氢气。腐蚀反应方程式如下：

（5）反应堆冷却剂系统中溶解氢的释放。在电厂正常运行期间，核电站向一回路冷却剂中添加高压氢气以抑制水的辐照分解，事故后溶解于反应堆冷却剂中的氢气也会向安全壳大气释放。

在发生严重事故后，假设100%的燃料包壳与水或水蒸气发生反应，在这种情况下，尽管也会由于辐照分解和腐蚀产生氢气，但锆水反应是安全壳内氢气的主要贡献者，产生的氢气主要从第四级自动泄压系统和反应堆冷却剂系统破口处向安全壳释放。就AP1000而言，100%活性区锆包壳与水反应产生的氢气量约为788kg。当堆芯滞留系统失效导致发生堆芯熔融物与混凝土发生反应时，也将产生大量的氢气，导致产生的氢气总量将超过100%燃料锆水反应的产氢量。

2　安全壳内氢气控制

在发生事故后，产生的氢气与安全壳内的空气混合，根据H2浓度的不同，会产生两种不同的反应。一种为燃烧，当H2浓度达到4%的燃烧下限时，H2与O2发生燃烧，燃烧时火焰前沿的传播速度为亚音速；另一种为爆炸，爆炸是传播速度超过声速的燃烧，当高浓度的H2和O2充分混合后遇到点火源就会发生爆炸。爆燃爆炸转变（DDT）认为是AP1000安全壳内唯一可能造成爆炸的机理。在Sandia的FLAME试验装置已经测得发生DDT的最低氢气浓度为15%，而且美国联邦法规10CFR50.44要求限制氢气浓度小于10%，因此如果氢气浓度小于10%，对安全壳整体来说，发生DDT的可能性为零。此外，氢气燃烧浓度与空气中的水蒸气的浓度有关，水蒸气的浓度越大，燃烧或者爆燃的所需要的H2浓度就越大，水蒸气相当于H2燃烧的惰化剂。

根据氢气的燃烧特性，AP1000主要采用了非能动自动催化氢气复合器（PAR）加氢气点火器的控制方法，并辅以安全壳空间稀释、安全壳排气风和蒸汽惰化等方法来防止可能产生的氢气爆炸。

2.1安全壳的稀释作用

AP1000安全壳的自由容积为58331m3，相比反应堆功率相同的压水堆核电厂明显增大。自由容积的增大为氢气的稀释和安全壳内的降压提供了有利条件。另外AP1000反应堆厂房在设计时考虑了设备及间隔的布置，防止局部区域氢气浓度聚集。

2.2非能动自动催化氢气复合器

针对设计基准事故，系统设置了两台安全级的非能动自动催化氢气复合器（PAR）。PAR的结构非常简单，并且没有能动部件，也不依赖电源或者其他支持系统，当存在反应物（氢气和氧气）时自动启动。在有钯之类的催化金属存在时，即使在温度低于（0℃）时“催化燃烧”也能发生并且不受惰化环境的影响。

当催化剂保持干燥时，只要氢气、氧气存在，PAR就立即开始复合。如果催化剂材料是湿的，那么PAR的启动会有短暂延迟。相对于设计基准事故后，PAR必须控制氢气积累的时间（几天至几周），其延迟时间是很短的。在事故早期，可燃气体浓度形成之前，复合过程能在室温或升高的温度下发生。PAR在大范围的环境温度、反应物浓度和蒸气惰性（蒸气浓度大于50%）时均有效。PAR安装在安全壳内高于操作平台的区域，布置点位于安全壳内均匀混合区域并且远离了可能的蒸汽快速向上流动区域，如环路间隔上方气团上升区域。在发生设计基准事故期间，只需一套PAR运行，就能提供足够的能力来维持氢气浓度低于4%限值。事故后长期恢复阶段，可继续通过PAR的运行将使氢气浓度减少到约0.3%。

2.3氢气点火器

设计基准事故假设只有1%的包壳发生锆水反应，可以通过PAR将氢气浓度降低到安全值以下。当发生严重事故时，氢气的产生率可能大大超过氢气复合器能力，从而导致安全壳内氢气浓度快速上升并可能超过可燃浓度限值。此时复合器已不能满足要求，对此AP1000设置了氢气点火器。

AP1000核电厂共设置了66个氢气点火器，布置在安全壳内可能的氢气释放区域、流通区域或可能积累的区域。为了防止氢气点火器单一故障导致局部区域丧失消氢能力，在需要布置点火器的氢气潜在释放区域或间隔，以及安全壳封闭区域内都至少布置了2个氢气点火器。氢气点火器布置在远离安全壳壳体的位置，采用混凝土墙作为实体上的隔离，防止扩散火焰加速对安全壳壳体的冲击。氢气点火器的布置充分考虑了安全壳内的构筑物结构、氢气的燃烧特性以及氢气燃烧对周围构筑物和设备的影响。

氢点火器分成两组，每组33个，由不同电源序列供电。由于点火器专门应用于严重事故，因此为非安全级设备。正常情况下，每组电源都由发电机或厂外电源供应；当发电机和厂外电源丧失时，每组电源分别由厂内非IE级的备用柴油发电机中的一台供电；当备用柴油发电机也不可用时，由非1E级的蓄电池组为每组点火器提供大约4小时的点火运行支持。

点火器无自动驱动设置，需要操纵员根据电站状态手动投入。点火器可通过反应堆控制系统（PLS）、多样化驱动系统（DAS）以及就地的氢气点火器控制盘上手动驱动，三种不同的驱动方式，最大程度上保证了成功触发氢气点火器。

根据计算分析，如果按照应急运行规程（EOP）和严重事故管理导则（SAMG）的指导，氢气点火器能够成功动作，可以在严重事故时将安全壳内的氢气浓度限制在低于10%的氢气浓度，防止氢气浓度达到爆燃爆炸转变（DDT）点。

2.4安全壳惰化和排气

在实际事故进程中，可能由于点火器失效或其他原因，导致在事故初期点火系统未能启动，而在事故发生后某个时刻才恢复运。在这期间，如果发生堆芯熔化和堆芯混凝土反应，安全壳内的氢气浓度可能会超过10%甚至是15%。在这种条件下，如果在安全壳内有点火源出现而导致氢气爆炸，将严重威胁安全壳的完整性，进而可能导致大量的放射性物质释放，造成严重后果。

根据经验数据，当安全壳内蒸汽浓度超过53%时空气将被惰化，安全壳氢气将不会燃烧。因此当安全壳氢气浓度进入安全壳严重威胁区域时可通过蒸汽惰化来防止氢气爆炸。安全壳惰化需要停止或减低安全壳冷却系统及喷淋系统的运行，以提高蒸汽浓度，同时应停止氢气点火器、安全壳内冷却风机及安全壳内所有电动阀门的运行以防止氢气爆炸。

此时，为了降低安全壳内的氢气总量，AP1000提供了安全壳排气功能。通过排出安全壳内的部分含氢气体，退出严重威胁区域，从根本上缓解对安全壳的严重威胁。共有2条排气通道可供选择，在可用的前提下，其按优先级排序如下：

（1）正常余热排出系统通过乏燃料水池吸入管线排气

（2）安全壳通风排气管线

决策制定者可根据事故时电厂的状态，进行充分评估后选择一条排气通道。此外，非能动自动催化氢气复合器在持续运行，也可通过长期的非能动催化复合过程降低氢气浓度。

3　结语

AP1000的氢气控制系统能够实现对安全壳内的氢气控制。在发生设计基准事故时，通过非能动氢气复合器能有效的减少氢气浓度，防止氢气浓度达到燃烧限值；当发生严重事故情况时，可以通过氢气点火器在氢气浓度达到爆炸极限之前就使氢气燃烧，从而防止氢气爆炸；在发生严重事故同时点火器失效的情况下，通过蒸汽惰化和安全壳排气，亦能确保安全壳的完整性。

［1］林千，周全福.AP1000核电厂氢气点火器功能分析［J］.原子能科学技术，2012，01，46（01）.

［2］肖建军，周志伟，经荣清.基于火焰加速和燃爆转变准则的氢气点火安全性研究［J］.原子能科学技术，2006，09，40（05）.