尚元元　刘杨

【摘 要】本文介绍了事故后安全壳内氢气产生的原因，以及氢气在安全壳内燃烧引起的危害。分析了AP1000安全壳氢气控制系统的设计特点，以及该系统如何在设计基准事故和严重事故下控制氢气浓度，并与传统二代核电厂的安全壳消氢系统进行对比，分析了AP1000在氢气控制方面的优越性，并对该系统设备的运行提出了建议，可以做为国内新建电厂的设计借鉴。

【关键词】AP1000；安全壳；氢气控制；对比；建议

Control of Hydrogen Inside of Containment With Accident Based On AP1000 Plant

SHANG Yuan-yuan LIU Yang

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

【Abstract】This paper gives a introduction of the reason of hydrogen produced in containment， and the harm of hydrogen burning， and analysis the design feature of containment hydrogen control system and the system how to control hydrogen concentration following a DBA and a severe accident， compares it to traditional second generation nuclear power plant ，analysis the superiority of AP1000 containment hydrogen control system，gives some advice of the operation of equipments ，can be an example of new nuclear power plant design.

【Key words】AP1000 unit； Containment； Hydrogen control； Compare； Advice

0 引言

2011年3月11日，日本发生强烈地震，并引发海啸，位于福岛县的福岛第一核电站反应堆停堆后，在丧失厂外电源的同时柴油机被水淹，导致丧失所有交流电源。反应堆失去冷却，堆芯过热，燃料烧毁，大量氢气释放到反应堆厂房内，氢气浓度超过安全限值，4台机组接连发生反应堆外厂房爆炸，第三道安全屏障被破坏，导致放射性物质释放到环境中。AP1000反应堆由美国西屋公司设计，其设计不仅满足美国联邦法规10CFR50.44和10 CFR 50.34（f）中对氢气监测和控制的要求，同时也满足我国国家核安全局在2004年颁布的修订后的《核动力厂设计安全规定》（HAF102），和《核动力厂运行安全规定》（HAF103）中针对严重事故下可能会发生氢爆的设计考虑。AP1000安全壳氢气控制系统，依靠其特有的设计，在发生设计基准事故和严重事故时，即使出现丧失全部交流电源，也不会导致反应堆第三道安全屏障损坏，保障安全壳的完整性。

1 事故时氢气的来源及危害

安全壳内发生事故后，可能由于以下原因产生氢气：燃料包壳的锆水反应、水的辐照分解、结构材料的腐蚀、冷却剂系统中溶解氢气的释放，堆芯熔融物与混凝土的反应。

在发生LOCA或者严重事故后，安全壳巨大空间内的H2与O2，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；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充分混合后就会发生爆炸。但是氢气燃烧浓度与水蒸气的浓度有关，水蒸气相当于H2燃烧的惰化剂，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。

在AP1000安全壳内，发生LOCA后的水蒸气环境下，氢气的燃烧模式取决于混合气体的浓度，初始条件和边界条件。在氢气产生的地方，氢气没有与氧气混合，此时氢气燃烧发生扩散火焰；在氢气源的下游，氢气浓度增加同时与氧气混合，此时就可能发生爆燃。

2 正常运行情况下的氢气控制

正常运行时，氢气浓度监测子系统监测安全壳内的氢气浓度，该系统由3个氢气传感器，3个压力传感器，2个PLC机柜组成。3个氢气传感器安装在安全壳穹顶上部，对安全壳总体氢气浓度取得有代表性的读数。3个压力传感器为氢气传感器提供压力补偿。氢气传感器和压力传感器连接到位于辅助厂房内的PLC机柜上。这些传感器由非1E级的电源供电。在主控室有连续的氢气浓度指示，并提供氢气浓度高报警，高报值为3.6%。严重事故下，这些传感器仍然可谓操纵员提供安全壳内氢气浓度的指示信息，但是通常此时通过执行EOP规程，根据堆芯出口热电偶温度达到648.9℃来触发2组氢气点火器，来降低安全壳内的氢气浓度。

3 设计基准事故时的氢气控制

设计基准事故下，假设1%的燃料包壳发生锆水反应，非能动氢气复合子系统中的两台非能动氢气复合器能适应预期的氢气产生率，将安全壳内的氢气浓度控制在小于4%的安全限制内。

3.1 非能动氢气复合器的布置位置

PARs安装在安全壳内高于操作平台的区域，标高分别为51.8m和55.2m，距安全壳壳体均为4.0m。布置点位于安全壳内均匀混合区域。此外，PARs的布置远离了可能的蒸汽快速向上流动区域，如环路隔间上方气团上升区域。

3.2 非能动氢气复合器的结构特点

PAR由一个既提供装置结构又支撑催化材料的不锈钢外壳组成。外壳的底部和顶部有开口，并且向上延伸高于催化剂高度，从而通过烟囱效应提高装置的效率和流通能力。催化剂材料可装在一个网状金属筒内或附在金属板基底材料上，并由外壳支撑。网筒或板片之间的间隙为流通气体提供了通道。在运行期间，复合器内的气体由于复合过程而被加热，并通过自然对流上升。之后，随着加热气体上升，安全壳空气混合物由PAR的底部进入，然后由生成水蒸汽的放热反应加热，最终通过烟囱排出，在那里与安全壳大气混合。

3.3 非能动氢气复合器的工作原理

PAR非常简单，并且是非能动的，它没有能动部件，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。通常，氢气和氧气只有在比较高的温度时（高于593.3℃）才能通过燃烧而复合。但是，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。

反应物必须接触到催化剂后才能发生反应，然后产物必须离开催化剂才能有更多的反应物反应。

3.4 非能动氢气复合器的工作效率

PAR是一个分子扩散过滤器，因此，开放式的流道不易受污垢影响。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必须控制氢气积累速率的时间（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。PARs在大范围的环境温度、反应物浓度（高和低，氧气/氢气浓度小于1%）和蒸气惰性（蒸气浓度大于50%）时均有效。PARs总是可用的，因此不需操纵员来启动。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。氢气复合器能有效减小LOCA事故后安全壳内产生的氢气，用来防止LOCA事故后氢气的积累。

从长期来看，事故后安全壳内氢气浓度由PARs的运行来降低。PARs的运行将使氢气浓度减少到约0.3%。如果需要进一步降低氢气浓度，则利用安全壳净化系统来对安全壳进行净化。

4 严重事故下氢气的控制

设计基准事故只是假设1%的包壳发生锆水反应，可以通过PAR使其浓度降低到安全值以下。而对于严重事故，假设10%以上燃料包壳发生锆水反应时，对于可能发生的氢气产生率超过复合器能力且快速生成大量氢气的事件，需应用氢气点火子系统。

4.1 氢气点火器的布置

氢气点火器共66个，布置在安全壳内各处可能的氢气释放区域，流通区域或可能积累的区域，几个比较典型的位置是反应堆腔室、回路隔间、稳压器隔间、换料室、安注箱室、化容控制系统设备间、IRWST喷淋阀处及IRWST通风孔口处等。为了限制氢气燃烧时对安全壳造成影响，氢气的主要释放途径都远离安全壳。而且在每个封闭区域至少安装有两个点火器，减少了安全壳或单独隔间内点火器可能出现的功能失效。

4.2 氢气点火器的结构

氢气点火器的外形结构，在点火器上有个喷淋屏蔽装置，用于保护点火器，能够防止水滴（安全壳壁及邻近设备和结构上水蒸气凝结产生的水滴）落到点火器上。

4.3 氢气点火器的工作原理

氢气点火器为线圈型点火器，一旦氢气达到可燃浓度，处于发热的点火塞很容易点燃附近的氢气。

4.4 氢气点火器的供电方式

点火器分成由不同电源供应的两组，每组33个，每个耗能145W。正常情况下，每组电源都由厂外电源供应；当丧失厂外电时，每组电源由厂内非IE级的柴油机中的一台供应；当柴油机也不可用时，由非1E级的蓄电池为每组提供大约4小时的点火运行支持。

4.5 氢气点火器的驱动方式

点火器的运行，通过操纵员的手动操作，当事故情况下，当堆芯出口热电偶温度达到649℃时，操纵员通过主控室或远程停堆站的PLS软操手动启动，分两组点火，每组33个，还可以通过主控室DAS盘上手动启动，DAS上两个开关同时触发，将对66个点火器同时点火。

5 AP1000安全壳混合作用

安全壳结构的布置能通过自然循环促进混合作用。在安全壳内发生假想破裂时，由于上升的气团和周围安全壳大气之间的密度压头差，在下部隔间形成浮力流，从而驱动混合气体穿过下部隔间到高于操作平台的区域。由于蒸汽气团从操作平台开口上升时的引入和夹卷，在高于操作平台的区域也有一定程度的混合。因此，自然驱动力将会混合安全壳大气。

当氢气释放到安全壳内时，非能动的催化复合器（PAR）在催化剂表面复合氢气和氧气，并由于反应还在PAR内产生热量，从而进一步驱动安全壳内自然循环引起的混合。PAR可在非常低氢浓度（少于1%）和非常高蒸汽浓度的条件下降低氢气浓度，从而促进非能动安全壳冷却系统的自然循环对流作用，抑制安全壳大气的分层。

6 传统二代核电厂的安全壳消氢系统简介

传统二代核电厂的安全壳消氢系统，为专设安全设施的一部分，是安全相关系统。其功能是在核电站发生失水事故后测量安全壳大气的氢浓度并利用氢氧复合的原理去除安全壳大气中的氢气，使其氢浓度低于4%的体积浓度。

6.1 系统流程

本系统分别从安全壳四个不同高度及可能积聚氢气的房间吸入安全壳大气。其中一个吸入口在安全壳穹顶中央，其余三个在侧壁上。

吸入的大气经进风管穿过安全壳进入辅助厂房消氢设备室。在消氢设备室内，首先由空气洗涤器去除可溶性放射性微尘以及悬浮在大气中的氢氧化钠和硼酸等杂质。再由风机把从洗涤器出来的气体加压送至消氢器。在消氢器内，安全壳大气首先被电加热器加热到320℃。然后进入催化床，在重金属钯催化剂的作用下进行氢氧复合成水的反应：2H2+O2→2H2O。

这是个放热反应，反应生成的水蒸汽温度高达400-500℃。这种高温气体由空气冷却器冷却到小于50℃，再送回安全壳，从而达到消氢的目的。

在每个系统的进风管和回风管上分别引一根小管接氢气分析器，进行浓度分析，以此监视消氢效率。从分析器出来的气体接回鼓风机入口。

6.2 系统运行

在电站启动、功率运行和停堆换料工况时，本系统不投入运行，仅在电站一回路发生失水事故，经安全壳喷淋系统对安全壳大气降温降压后本系统才投入运行。为了及时监测事故后安全壳大气的氢浓度，以指导事故的处理，在事故30分钟后间断投入本系统（消氢器不投入），作测氢运行。当安全壳大气的氢浓度大于1.5%（体积浓度）时，本系统作消氢运行。经消氢处理后，安全壳大气的氢浓度小于0.5%（体积浓度）时，本系统可停止运行。

7 对比与分析

7.1 氢气浓度检测手段

AP1000的氢气浓度监测仪是连续运行的，安装在安全壳穹顶上部，主控室有仪表显示，并提供氢气浓度高报警，提醒操纵员注意安全壳内的氢气浓度，该仪表的指示可以作为操纵员对堆芯运行情况的一项监测指标，而传统二代核电厂的测氢仪在电站启动，正常运行和停堆时均不运行，只有在发生失水事故后才运行，测氢仪位于进风管和回风管，这就不能适时监测安全壳内大气的氢气浓度，运行人员少了一项堆芯监测的手段。

7.2 氢气消除手段

AP1000在发生设计基准事故时，采用非能动的氢气复合器消氢，传统二代核电厂采用在事故发生后，经安全壳喷淋系统对安全壳大气降温降压后才投入消氢系统运行，由操纵员手动投入，对事故后操纵人员的操作要求较高。而且整个安全壳消氢系统为安全相关系统，系统内的相关设备均为安全相关设备，提高了设备的安全等级，且需要安全相关的柴油机做备用电源，增加了核电厂的设备投资，也增加了设备的维护和监督试验要求。

7.3 氢气浓度消除速度

如果发生严重事故，AP1000可以通过点燃66个氢气点火器降低氢气浓度，而传统二代核电厂的消氢系统不能在严重事故时迅速的降低氢气浓度。对于已安全运行多年的老电厂来说，不可能像我厂的设计一样采用非能动的消氢及氢气点火器消氢，这样的设计会带来很大的改造难度，因此建议增加非能动的氢气复合器用于应对严重事故时安全壳内高的氢气浓度，防止事故后发生氢爆，例如秦山二期的3，4号机组是在1，2号机组的基础上改进设计而成，为了减少设计变更，3，4号机组在安全壳内增加了22台非能动的氢气复合器，用于应对严重事故下的高氢气浓度。

7.4 高浓度氢气死区控制

AP1000独特的安全壳内设计，促进壳内气体混合并消除死角隔间。平台下的隔间都有大的开口，并且相互之间的通道相对较大，以促进平台下区域内的混合。平台下所有隔间的顶部均有开口，从而消除出现高氢浓度死区的可能性。此外，在事故恢复期间，如果运行强制安全壳内大气循环系统，那么非安全相关的风机冷却器将促进安全壳内大气循环。

8 目前存在的问题及思考

8.1 关于非能动氢气复合器

PARs在AP600中为非安全相关设备，而在中国的AP1000中为安全相关设备，目前技术规格书3.6.10章节规定其运行限制条件为模式1，2以及定期试验要求SR3.6.10.1，SR3.6.10.2，以24个月的频度对PARs的催化剂取样，确定其是否失效。

在日常运行与维修中，要特别注意，避免向安全壳内引入催化剂毒物，或者避免在检修过程中产生催化剂毒物，这些毒物的存在会严重影响PAR的复合效率。当温度为100度以下时，PAR常见的毒物为卤素，硫磺，一氧化碳，供货商应提供该毒物清单，以便操纵员开发行政管理规程。大修过程中，当对PAR进行喷漆或焊接时，一定要将其入口和出口覆盖，工作完成后，切记将覆盖物去除，确保PAR的流道畅通。

8.2 关于氢气点火器电源设置问题

氢气点火器是由厂内外主交流电源，备用柴油机和蓄电池三路供电。

氢气点火器的设计变更将点火器由原来的火花塞型点火器变更成线圈型点火器，消耗的电能由原来的95W变为145W，同时取消了原有的点火器上游的变压器设计，新的点火器直接接线电压。这就对蓄电池容量提出了新的要求，全厂失电事故发生后，操纵员需要扫掉其它负荷，只保留EDS上所带的氢气点火器运行，来保证点火器需要的4小时供电。但以福岛核电站为例，在丧失厂内外和柴油机电源4天后，仍发生氢气爆燃。这四小时远远不能满足其可控的点燃达到控制安全壳内氢气浓度的要求。所以在氢气点火子系统的供电设计上建议增加氢气点火器供电的蓄电池组的容量，并考虑将氢气点火器供电的蓄电池单独分出并做实体隔离。在发生全厂失电时，操纵员应尽快恢复厂外电源供应，通过上述方式尽可能长时间保证（下转第59页）（上接第26页）氢气点火器的可靠运行，保证在严重事故后，安全壳内的氢气浓度不超过其设计限制。

9 结论

AP1000的安全壳氢气控制系统，相比传统二代核电厂的消氢系统，可以在正常运行时监测安全壳内的氢气浓度，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，不需要操纵员的干预，非能动消氢，设备维护和投资少，而且当发生严重事故情况时，可以通过点燃氢气点火器在氢气浓度达到爆炸极限之前就使氢气燃烧，从而防止了氢气爆炸，而且AP1000独特的安全壳结构促进安全壳内大气的循环，有效防止了局部地区氢气发生聚集而产生爆炸。但是该系统的非能动氢气复合器如何在日常运行及维修过程中保持其可用性，以及氢气点火器的电源供电问题，需要操纵员后续关注，开发相应的规程，保证发生事故情况下的系统可用性。

【参考文献】

[1]安全壳氢气控制系统设计规范书 CPP-VLS-M3-001 R5[S].

[2]非能动氢气复合器设备规范书 CPP-MY80-Z0R-001 R4[S].

[3]氢气点火器设计变更 APP-GW-GEE-2342 R0[S].

[4]秦山一期安全壳消氢系统流程图.运行规程[Z].

[5]秦山二期1&2机组安全壳消氢系统， 3&4机组安全壳消氢系统[Z].

[责任编辑：杨玉洁]