章正格

【摘 要】在核电厂发生事故情况下，锆包壳与水或水蒸气发生化学反应产生大量氢气，可能在安全壳内引起氢气爆燃或爆炸，形成较大的压力载荷，对安全壳的完整性构成极大威胁。AP1000具有专设的安全壳氢气控制系统可限制安全壳内大气中的氢气浓度。

【关键词】AP1000；安全壳氢气浓度；控制

Hydrogen Concentration Control of Ccontainment after an Accident in AP1000 Nuclear Power Plant

ZHANG Zheng-ge

（Sanmen Nuclear Power Co.，Ltd.， Sanmen Zhejiang 317112， China）

【Abstract】In the event of a nuclear power plant accident， the chemical reaction of water or water vapor and zircaloy cladding produces a large amount of hydrogen， hydrogen may cause deflagration or explosion in the containment. And the formation of greater pressure load will be a great threat on the integrity of containment. AP1000 has the engineered Containment Hydrogen Control System to limit the concentration of hydrogen in the atmosphere of containment.

【Key words】AP1000； Concentration of hydrogen in containment； Control

0 前言

在核电厂发生严重事故情况下，锆包壳与水或水蒸气发生化学反应产生大量氢气，可能在安全壳内引起氢气爆燃或爆炸，形成较大的压力载荷，对安全壳的完整性构成极大威胁。为避免大面积或局部氢气爆燃和爆炸，预防和降低氢气所引起的风险，目前在大型干式安全壳内通常安装非能动氢气复合器或氢气点火器来控制严重事故情况下的氢气浓度。AP1000具有专设的安全壳氢气控制系统可限制安全壳内大气中的氢气浓度。

1 概述

安全壳氢气控制系统分为三个子系统：氢气浓度监测子系统、氢气复合子系统和氢气点火子系统。氢气浓度监测子系统用于氢气浓度监测，包括三台氢气探测器、三台压力变送器和两台分析器，可以提供氢气分压和安全壳内总压力，计算出安全壳内氢气浓度。氢气复合子系统用于设计基准事故期间控制安全壳内氢气浓度不超过4%；氢气点火子系统用于严重事故期间，氢气复合器不足以抑制氢气浓度快速上升时，点燃氢气达到控制氢气浓度的目的。

在导致堆芯温度升高的假想事故发生后，燃料包壳错合金和蒸汽反应产生的氢气有可能释放到安全壳内。安全壳氢气控制系统包括3个氢气浓度监测器，2个非能动自动催化复合器，以及布置在安全壳容器内的66个氢气点火器，这些设备用于限制安全壳内大气中的氢气浓度。

2 氢气缓解措施

2.1 混合

为了确保氢气浓度低于可燃极限，将氢气与安全壳内空气混合，是短期内氢气缓解的一种方法。通常，大型干式安全壳可以稀释数百千克的氢气，保证氢气浓度低于可燃浓度。尽管混合是一种有效的氢气缓解方式， 但如果氢气的释放质量超过安全壳空间的稀释和混合的能力，则需要采取其他措施来避免安全壳内可燃气体的形成。

2.2 事故预惰化

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氧气的浓度。为了达到这个目的，通常向安全壳内注入氮气来降低氧气的浓度，使其保持在氢气的可燃浓度水平以下。事故预惰化适用于小体积安全壳，同时要保证核电厂在正常运行时，不需要对任何设备进行操作。

2.3 催化复合

催化复合器是利用催化剂使氢气和氧气在浓度低于可燃极限的时候发生化合反应消耗掉，从而降低安全壳内氢气浓度。最新的这种复合器是自动启动，并且能依靠自身产生的热量使气流流动，不需要外部的电源和操作，称为非能动催化复合器。催化复合器的应用强化了气流在安全壳隔间内的对流，同时也加强了各气体组分的混合。但是催化复合器的氢气移除能力是有限的，它受到氢气产生速率的限制，例如在氢气源附近，复合器可能就没有足够的能力来移除氢气。

2.4 主动点火

主动点火的理论依据和假设是严重事故下安全壳内不可避免地存在随机的点火源（如电火花，电缆等），与其如此，不如在氢气“安全浓度”的范围内利用点火器主动点燃氢气，使之缓慢燃烧，从而消除氢气避免更严重的氢气爆炸发生，威胁安全壳完整性。

3 安全壳氢气控制系统设备

3.1 氢气监测器

安全壳氢气浓度监测器用于监测安全壳内的氢气浓度，量程0-20%。三个非安全相关的氢气浓度检测器安装在安全壳穹顶上，通过两个变送器将信号送至主控室，并可在主控室连续显示安全壳内氢气浓度。当浓度达到3.6%时，发出氢气浓度高报警。

3.2 氢气复合器

氢气复合子系统包括了两个安全相关的非能动氢气复合器，安装在安全壳操作平台上方，高度分别为162英尺和166英尺，距离安全壳壳壁大约4m。安装位置位于安全壳的均匀混合区，处于向上自然对流占主导的区域内。复合器采用不锈钢外壳，包壳顶部和底部设有开口，内部放置铑钒铂合金催化剂。此复合器能在比较宽泛的环境温度和反应物浓度范围，以及由蒸汽钝化作用（蒸汽浓度大于50%）存在的情况下工作。

3.3 氢气点火器

当发生堆芯传热恶化或者堆芯融化事故时，安全壳内氢气浓度急剧上升，根据规程要求，操纵员通过主控室的PDSP启动氢气点火器，点火器保持871-927℃的表面温度，在氢气浓度较低的情况下点燃氢气，防止氢气浓度超过10%。氢气点火器等分为两组，安全壳封闭区域内至少安装两个点火器，点火器之间实体隔离。每个点火器最大功率为145W，由220V交流电源供电，失去厂外电源时可由备用柴油发电机供电，若备用柴油发电机无法带载，可由EDS蓄电池持续供电约4个小时。PLS可对两组点火器分别控制，DAS则将66个点火器作为一组进行控制，触发DAS控制盘上两个按钮即可启动点火器。点火器为密封组件，不需要维修，加热元件脏污时，用铁制软刷清扫即可。每个月需要对点火器通电5分钟，点火器电流达不到预定值时予以更换。

4 事故下安全壳氢气浓度控制

4.1 设计基准事故

失水事故后的氢气产生来源包括锆（燃料包壳）与水发生反应（<1%的燃料包壳），水的辐照分解，安全壳材料腐蚀和一回路内溶解氢气的释放。采用合理的安全壳结构布局，通过自然循环加速混合：操作平台下方的隔间是互相连通的大型开放区域；操作平台下方隔间的顶部处于敞开状态，以消除氢气死点；如果在事故后的恢复过程中采用安全壳强迫空气循环，则通过非安全相关冷却风机循环安全壳空气。

非能动催化复合器在催化器表面复合氢气和氧气。反应产生的热量可通过自然循环加速与安全壳内空气的混合；反应可在极低的氢气浓度（低于1%）和极高的蒸汽浓度下发生；非能动催化复合器可加速安全壳内气体混合和降低氢气浓度。

4.2 严重事故

严重事故可导致大量氢气快速生成，氢气产生速（下转第38页）（上接第27页）度超过非能动催化复合器的处理能力，通过点火器燃烧氢气，可有效防止氢气爆炸导致安全壳损坏，氢气监测子系统可监测小于等于20%的氢气浓度。氢气点火子系统采用受控方式燃烧氢气：可防止超声速火焰传播的爆燃现象；爆燃可导致安全壳内压力升高；当堆芯出口温度超过649℃时手动启动，当氢气体积浓度接近10%时，点火器点燃氢气；点火器可防止安全壳氢气浓度超过10%。假设100%的堆芯燃料包壳锆金属与水蒸汽发生反应。

【参考文献】

[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，2012，46（1）.

[2]顾军.AP1000 核电厂系统与设备[M].北京：原子能出版社，2010.

[3]周晓宁.AP1000严重事故下安全壳内消氢措施的研究[J].核安全，2011，1.

[责任编辑：汤静]