王靖宇

（中核核电运行管理有限公司运行三处，浙江 海盐314300）

0 引言

距离2011年3月11日福岛核事故已经过去10年，由于9级巨大地震引发的海啸导致日本福岛核电厂发生核泄漏，此次事故是继切尔诺贝利核事件以来最严重的核泄漏事故。事故发生后，引起了政府和人们各方面的高度关注，又将核电安全推向了风口浪尖的境地。核电厂在严重事故下，尤其是堆芯熔化后，会产生大量的氢气，这些氢气会在厂房内迅速扩散并积聚，如果氢气不能及时得到有效消除或排出，极可能发生氢气爆炸，导致厂房、系统、设备损坏，放射性物质外泄等，严重威胁环境和公众的健康。在1979年美国三哩岛核事故中，发生了氢气爆燃；在2011年的福岛核事故中，福岛4台机组均发生了氢气爆炸，爆炸破坏了安全壳的完整性，导致了大量放射性物质外泄，对环境造成了严重的污染。

核电厂氢气控制和管理的目的是采取一定的缓解措施，消除安全壳内产生的氢气，避免在事故情况下发生氢爆风险，破坏安全壳的完整性。目前采用的缓解严重事故后氢气爆炸的手段有氢气点火器、能动式和非能动式氢气复合器、锆合金材料的改进与替换和设置堆芯熔融物冷却与保持系统等。本文分析了秦二厂严重事故情况下，氢气产生的来源、分布特点和现有的应对措施，并分析其他缓解手段在秦二厂的适用性。

1 日本福岛核事故

日本福岛核事故中，福岛第一核电站4台机组均发生了爆炸事故，经多方专家研究，均确定为氢气爆炸。通过事故之后的分析得知，1号/2号/3号机组事故的主要过程为：超设计基准的地震导致失去厂外电、反应堆安全停堆，余热无法导出，海啸导致应急电源失效，临时应急电源无法供电，同时外界的移动式电源又由于道路的坍塌，导致了核电厂彻底失电；失去动力源后，堆芯余热无法排出，堆芯水位下降，核燃料棒开始熔化，锆水反应等产生大量氢气，氢气在厂房扩散、分布、积聚，产生氢爆，厂房被破坏，大量放射性气体释放到环境中。3台机组在全厂失电、失去对堆芯的冷却后，相继发生氢气爆炸。4号机组较为特殊，由3号机组氢气从通风管道进入，导致氢爆，且由于乏燃料的失去冷却，导致了燃料厂房也发生了爆炸。

2 秦二厂严重事故情况下氢气的来源

根据以上严重事故下氢气来源的分析，结合秦山二厂的实际情况，我们得出以下结论：

（1）秦二厂作为典型的2个环路的压水堆，燃料包壳使用了锆合金，FA2G（二代改进型燃料组件）的包壳和定位格架由锆-4合金做成，即使AFA3G（三代改进型燃料组件）的包壳材料改进为了M5合金，但是合金成分中仍有锆，除此之外，控制棒导向管和仪表管的材料也为锆-4合金，所以在严重事故情况下，产生氢气的主要来源为锆水反应，研究表明，秦二厂100%锆水反应产氢质量能达到695 kg。

（2）由于秦二厂压水堆设计中，没有考虑堆芯捕集器和牺牲混凝土，因此，在堆芯下封头破裂后，堆芯熔融物与混凝土的MCCI反应将是产生氢气的主要来源。

（3）秦二厂堆芯材料中使用了大量的不锈钢，例如，控制棒包壳管和可燃毒物棒的内外包壳均采用了304不锈钢，另外，堆芯很多部件的连接材料也采用了不锈钢，因此严重事故情况下，不锈钢的腐蚀会成为氢气的一个重要来源。

（4）秦二厂安全壳地坑位于-3.4 m，空间开阔，严重事故后，水的辐照分解的产氢量不足以造成局部氢气浓度超过极限。且只有在放射性物质泄漏到安全壳内部时，才考虑地坑水的辐照分解，因此，该氢气产量对氢气总量贡献不大，也不存在局部氢气积聚的问题。

（5）在秦二厂严重事故情况下，安全壳喷淋可能自动投运，系统中的NaOH溶液会对安全壳内金属铝和锌构成腐蚀，安全壳喷淋投入后，需关注氢气浓度。但这是氢气的一个次要来源。

（6）秦二厂冷却剂中溶解的氢气只有8.47 m3，占总产氢微小比例，是氢气产生的一个微小来源。

3 秦二厂严重事故情况下缓解氢气爆炸的手段和措施

3.1 非能动氢复合器在严重事故情况下的运用

秦二厂非能动式消氢装置采用中国核动力研究设计院的型号为PARQX的非能动氢气复合器，分别有PARQX-150和PARQX-75两种规格。其工作原理是利用催化剂使氢气和氧气在浓度低于可燃阈值时发生化合反应，反应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进行。该设备分散布置在安全壳大厅内，自动启动，能够依靠自身产生的热量使气流流动。具有以下特点：

（1）当安全壳内部氢气浓度达到2%时，氢气复合器自动启动，不需要外部电源、气源和控制。停止阈值为0.5%氢气浓度。

（2）设计原则是保证在严重事故工况下将安全壳内的平均氢气浓度保持在低于发生爆炸的浓度——体积浓度10%。

（3）在事故后可能产生氢气积聚的几个隔间：稳压器间、卸压箱房间、主泵房间、蒸汽发生器隔间均装设了非能动式氢气复合器，每个复合器的消氢能力为2 kg/h（0.05 MPa、4%氢气浓度），大于严重事故情况下隔间的产氢量。

（4）工作温度：5～500℃，环境压力：0.08～0.70 MPa，能够在严重事故情况下正常工作。

（5）氢气复合器顶部设有遮挡顶板，能够避免事故发生情况下，安全壳喷淋液体进入氢气复合器中。

非能动式氢气复合器能有效地降低安全壳内部的氢气浓度，是秦二厂严重事故情况下最重要的消氢手段。

3.2 移动式氢气复合器在严重事故情况下的运用

秦二厂移动式氢气复合器额定处理流量119 m3/h，进口氢气浓度1%～4%，出口氢气浓度≤0.1%，设计压力415 kPa表压，在氢气浓度较低的情况，能有效地降低安全壳内部的氢气浓度，有利于长时间的降低安全壳内部氢气浓度。但是该复合器是根据设计基准事故设计的，不是设计用来对抗严重事故的，因此，在考虑使用移动式能动氢气复合器时，必须考虑以下负面影响：

（1）移动式氢气复合器有氢气浓度的设计限制（1%～4%），超过限值，将因氢氧反应而过热，因此，在氢气浓度较高的情况下，不能长时间运行。

（2）移动式氢气复合器可能被安全壳内部的气溶胶堵塞。秦二厂移动式氢气复合器的管道直径为60.3 cm，较大的气溶胶积聚可能导致管道堵塞。

（3）由于移动式氢气复合器在安全壳外部，投入运行后，有放射性物质外泄的风险。

（4）移动式氢气复合器具有加热元件，它的使用将有可能成为点火源，引爆安全壳内部氢气。

（5）移动式氢气复合器消氢速度慢，一般需要投运几个小时后才能起作用。

因此，虽然移动式氢气复合器能有效地降低氢气浓度，但是它只适用于氢气浓度较低，且在安全壳内部气体被惰化的情况，使用有一定的局限性。其投运与否需要经过技术支持中心的评估，而且由于需要使用电源，在发生类似福岛全厂失电的事故的情况下，将无法使用。