张秉卓

摘 要：氢气控制系统是在严重事故工况下保证安全壳完整性的重要措施之一。该文以AP1000安全壳氢气控制系统为研究方向，介绍AP1000氢气控制系统，说明AP1000在严重事故下氢气控制有效可靠，满足第三代核电技术安全标准。

关键词：氢气控制 AP1000 安全

中图分类号：TL48 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）06（a）-0070-02

Abstract：Hydrogen control system is an important measure to protect the integrality of containment vessel during severe accident. This paper is to study and introduce AP1000 Hydrogen control system in containment vessel， and its aim is to explain AP1000 technique about Hydrogen control is available and credible during severe accident which satisfies third generation nuclear power safety standard.

Key Words：Hydrogen control；AP1000；Safety

2011年3月11日，日本发生9级地震引发海啸，福岛核电站进水导致失去全部电源，安全壳内氢气无法正常消除，氢气燃烧发生爆炸，导致安全壳破裂大量放射性物质外泄。事实再次证明安全壳氢气控制在严重事故下的重要作用。针对严重事故下安全壳内氢气风险控制，国家核安全局颁布的《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。该文简要介绍氢气产生方式，常规氢气控制方法，氢气点火器、非能动氢气复合器特点，重点分析AP1000氢气控制系统，说明AP1000在严重事故下，可以有效控制安全壳内的氢气浓度，防止氢气燃烧发生爆炸，为安全壳的完整性提供保证。

1 氢气产生方式及控制常规方法

1.1 氢气产生方式

氢气产生方式包括：燃料包壳锆-水反应、水的辐照分解、结构材料的腐蚀和冷却剂系统中溶解氢气的释放，其中起主要作用的是锆-水反应和结构材料的腐蚀。因AP1000中有专设措施，防止熔融物熔穿压力容器与结构材料腐蚀产生氢气，所以只考虑反应堆内的产氢，因此产生氢气主要来源是燃料包壳锆合金和水反应生成氢气。化学方程式：Zr+2H2O→ZrO2+2H2+△H △H是每摩尔锆氧化反应产生的热量每1磅（0.454 kg）锆反应生成8.5标准立方英尺（0.241标准立方米）的氢气。

1.2 氢气控制常规方法

在严重事故情况下的氢气控制大致可以分为2种。

（1）稀释氢气浓度，控制安全壳内混合气体成分，避免氢气可燃。如惰化、稀释、混合等措施。

（2）减小安全壳可燃气体成分。如燃烧器、催化复合等。

2 氢气点火器、非能动氢气复合器功能及特点

2.1 氢气点火器功能及特点

核电站发生失水事故或严重事故时， 氢点火器迅速启动，点火器上的加热元件加热升温（可达900 ℃以上），当安装点火器处氢气浓度达到可燃浓度4%后，氢气被点燃。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[1]。由于氢气点火器有可靠性高、安装简单、检修便捷、经济性高等特点被广泛应用。氢气点火器目前主要有火花塞型、电击发型、螺旋线圈型、催化反应型。

2.2 催化复合器功能及特点

催化复合器是利用催化剂使氢气和氧气在浓度低于可燃阈值的时候发生化合反应，反应所产生的热量用于在催化剂表面产生自然对流，从而使反应能够持续。控制安全壳内整体和局部空间中氢气体积浓度小于4%。在超设计基准事故下，控制100%燃料包壳与冷却剂反应产生的氢气在安全壳内均匀分布的体积浓度不超过10%。催化复合器有自动启动，不需电源和操作、低温运行，能有效清除惰化后氢气等特点。

3 AP1000氢气控制系统概述及安全性分析

3.1 系统组成

安全壳氢气控制系统（VLS）包括三个子系统：氢气浓度监测子系统、氢气复合子系统和氢气点火子系统，这些系统用于监测、控制安全壳内大气中的氢气浓度。

3.2 系统描述

3.2.1 氢气浓度监测子系统

氢气浓度监测子系统提供联系的安全壳空气中氢气浓度监测和显示。氢气浓度监测为事故后监测和事故后缓解操作的运行评估提供输入信号。包括3个氢气浓度探测器，探测器及其相关仪表分布在安全壳穹顶处监测整体氢气浓度，监测氢气浓度范围为0%～20%。氢气浓度监测器由非1E级电源盒UPS系统供电。主控室可连续显示氢气浓度，并提供高氢浓度报警。该传感器在10 s内就能探测到氢气浓度变化量的90%。

3.2.2 氢气复合子系统

氢气复合子系统适用于失水事故（LOCA）时较慢的氢气产生速率，即少于1%的燃料锆包壳与水反应产生氢气。该系统由两台安全相关的PAR组成。PARs安装在安全壳内高于操作平台区域，标高分别为162英尺（118.898 m）和166英尺（120.117 m），距离安全壳均为13英尺（3.962 m），布置点位于安全壳均匀混合区域。PAR非常简单，并且是非能动的，它没有运动部件，也不需要电源或者其他支持系统，当存在反应物（氢气）时自动启动。PARs可使氢气与氧气复合。复合过程发生在事故早期阶段氢气积累前。PARs可以在很大范围内的环境温度、气体浓度和蒸汽压力下正常工作。PARs在发生设计基准事故后，能维持安全壳内较低的氢气浓度。对于严重事故，PARs消除氢气功能能，为氢气点火器提供纵深防御能力。endprint

3.2.3 氢气点火子系统

氢气点火子系统由布置在安全壳内各处的66个氢气点火器组成，点火器用于低概率严重事故，即100%燃料包壳与水反应产生氢气。点火子系统为非1E级。点火器的覆盖范围、分布和电源供给均使得整个安全壳内和单个隔间内丧失点火器保护的可能性最小。点火器分成由不同电源供应的两组。点火器的布置原则是在每个隔间或覆盖区域内每组电源至少有一个点火器。氢气点火子系统在较低氢气浓度燃烧（爆燃）氢气，控制在发生严重事故和堆芯融化时氢气的快速释放，防止氢气浓度达到可能发生爆炸的限值。氢气点火子系统用来应对快速产生大量氢气的超基准事故，此时氢气浓度超过氢气复合器的工作能力。氢气点火子系统没有自动启动功能，电厂控制系统（PLS）和多样化驱动系统（DAS）对氢气点火器进行控制和启动，点火器点燃氢气保证安全壳浓度低于10%限制。

3.3 安全性分析

AP1000安全壳结构平台间隔都是大开放空间，并且相互之间的通道相对较大，可以促进平台以下区域内气体混合。平台下所有隔间的顶部都有开口，同时安全壳大气通过非能动安全壳冷却引起安全壳内空气再循环流动，从而消除出现高浓度氢气区域，使氢气充分混合，降低浓度，避免因局部氢气浓度过高发生的爆炸。氢气控制系统的设计符合10CFR氢气控制和风险分析规定，具体内容如下。

（1）假定100%活性区燃料包壳金属-水反应产生的氢气在安全壳内均匀分布时的浓度低于10%。

（2）若安全壳不是依赖于惰化来控制氢气，那么安全壳应有足够的自由容积以保证相当于75%活性区燃料包壳氧化所产生的氢气均匀分布，且在安全壳大气干燥条件下的浓度不超过13%。

（3）安全裕度基准要求。设计的安全壳能承受失水事故（LOCA）加75%活性区燃料包壳金属-水反应产生的氢气全部燃烧的联合载荷。

设计基准事故，非能动氢气复合器可以防止安全壳平均体积浓度超过4%。该限制消除了可燃状态的可能性。严重事故氢气控制通过分散式氢气点火子系统的运行，限制安全壳内氢气浓度[2]。点火促使氢气浓度在可燃限值和10%体积浓度之间的爆燃，从而防止发生氢气爆炸。非能动氢气复合器加氢气点火器设计是目前最优的氢气控制方式，可以在设计基准事故或严重事故情况下有效控制氢气，点火器在严重事故下氢气快速释放达到可燃阈值时，让氢气充分燃烧，降低氢气浓度。氢气复合器在设计基准时将氢气浓度保证在4%以下，低于可燃阈值。在严重事故中后期，采取氢气复合器可以在低于氢气可燃浓度，或者氢气浓度被水蒸汽惰化的情况下持续有效地消除氢气。

4 结论

AP1000氢气控制系统对安全壳内氢气浓度能够有效监测。氢气复合子系统在正常运行、设计基准事故工况下能够有效控制安全壳氢气浓度。氢气点火子系统在严重事故工况下快速清除达到可燃阈值的氢气，同时氢气复合子系统持续运行，有效控制氢气浓度。综上，AP1000氢气控制系统具有非常高的安全性和可靠性，可以有效控制事故情况下安全壳内大气的氢气浓度，防止发生氢气燃烧爆炸，为安全壳的完整性提供保证。

参考文献

[1] 肖建军，周志伟，经荥清.严重事故氢气燃爆缓解措施的初步研究[J].核动力工程，2006，27（2）：64-67.

[2] 山东海阳核电一期工程1&2号机组最终安全分析报告：第6章.endprint