余庆丰
山东核电有限公司 265100
[摘要]:
核电站发生导致堆芯温度升高的假想事故后，燃料包壳锆合金和蒸汽反应产生的氢气有可能释放到安全壳内，使安全壳中氢气浓度将最终达到易燃限值，进而破坏安全壳的完整性，所以事故后氢气的控制对安全壳的完整性来说十分重要，本文介绍了两种不同核电站应对氢气的控制方式，并对它们之间的异同点进行了比较。
关键词：锆水反应；氢气控制方式。
1、引言：
核电站发生导致堆芯温度升高的假想事故时，小于1%的燃料包壳锆合金和水反应生成氢气，并包含在反应堆冷却剂中，这些初始产生的氢气释放到安全壳不足以达到易燃限值4%的体积浓度。然而在事故后，由于水的辐照分解和安全壳内设备被淹没在高温水中产生腐蚀，又会产生氢气，这些氢气不断的释放到安全壳，以至安全壳中氢气浓度将最终达到的易燃限值，进而破坏安全壳的完整性，所以事故后氢气的控制对保证核电站安全壳的完整性来说十分重要。
2、秦山一期核电站氢气控制方式：
秦山一期核电站事故后的安全壳内的氢气由安全壳消氢系统来控制。
2.1消氢系统流程
消氢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，其它三个在侧壁上。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。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，在贵金属钯催化剂的作用下进行氢氧合成水的反应：2H2→2HO2。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。
2.2 消氢系统运行
本系统在电站启动，正常运行和停堆时均不投入运行。在发生失水事故24小时后，经安全喷淋系统工作，安全壳大气温度降到低于70℃时，才投入本系统。消氢系统投入运行前，应优先将消氢器的催化剂滤盒就位，做好运行准备，启动风机，进行测氢运行。由氢气分析器测量安全壳大气中氢浓度达到1.5%时，电加热器通电加热大气达320℃±6°，这时催化床起作用，使氢氧复合成水蒸汽，再经由空气冷却器冷却后回到安全壳。氢气分析器仍不断监测消氢效率，当安全壳大气氢浓度小于0.5%时，系统可停止运行。
3、AP1000核电站氢气控制方式
AP1000核电站事故后的安全壳内的氢气由安全壳氢气控制系统来控制。
3.1 系统描述
发生设计基准事故和严重事故后，安全壳氢气控制系统执行监测和控制安全壳内氢气浓度的功能以维持安全壳的完整性。本系统包括三个子系统：
氢气浓度监测子系统：氢气浓度监测子系统提供连续的安全壳空气中氢气浓度监测和指示，氢气浓度监测子系统包括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。三个氢气监测通道分别对应这三个探测器，由非1E级电源供电。
氢气复合子系统：氢气复合子系统在发生设计基准事故后控制氢气浓度。氢气复合子系统适用于LOCA时较慢的氢气产生速率。氢气复合子系统包括两台100%容量安装在安全壳内的安全相关的非能动自动催化复合器（PARs）。
非能动自动催化复合器（PARs）设备节简单，无移动设备，不依赖电源和其他支持系统，在发生产生氢气的事故时运行。
氢气点火子系统：氢气点火器子系统用来应对可能快速产生大量氢气的超设计基准事故，此时氢气的浓度会超过氢气自动复合器的工作能力，进而会超过氢气的烧限值。在发生严重事故或假想堆芯融化事故时，认为高达100%锆合金燃料包壳与蒸汽反应，产生大量的氢气。氢气点火器子系统包括66个氢气点火器。
3.2 系统运行
正常运行：在电厂正常运行期间不需要控制氢气，此时安全壳空气过滤系统来保持安全壳内的氢气浓度低于限制。通过氢气浓度监测子系统连续监测安全壳内氢气浓度。氢气复合子系统是非能动设施，总是可以运行的。系统在模式1和模式2时需要运行的可能性最大，因为在两个模式下发生LOCA事故会产生大量氢气。在模式3和模式4时氢气复合子系统需要运行的可能性降低，因为在两个模式时发生LOCA氢气的产生速率和总量都低于发生设计基准LOCA时的氢气产生速率和总量。同样，氢气复合子系统在模式5和模式6时需要运行的可能性最低，因为受这两个模式的压力和温度的限制（压力和温度都很低），发生LOCA的可能性很低。氢气点火子系统只是用来缓解严重事故的后期，氢气点火器在电厂正常运行时不使用。
电厂瞬态和事故后运行：在设计基准事故或严重事故中，安全壳氢气浓度连续在主控室和远程安全停堆工作站上显示。三个氢气监测器布置在安全壳穹顶，提供氢气浓度的全面监测。氢气监测器响应时间很快，比设计基准事故的响应要求时间要短。对于有总体释放点的严重事故，传感器的反应时间将与氢气释放速度一致。然而，如果氢气释放发生在更小的隔间内，相对于最大的氢气产生速度，仪表反应时间来不及提醒操纵员及时对于氢气浓度作出反应。此时，要求操纵员在堆芯出口温度上升时给氢气点火器供电，这与AP1000应急运行规程（EOP）的要求一致。在设计基准事故期间，只需一套PARs运行，就能提供足够的能力来维持氢气浓度低于4%限值。
氢气点火器根据AP1000应急运行规程（EOP）来触发。如果堆芯冷却不足，指示操纵员触发氢气点火器。在任何显示安全壳浓度上升的情况下，该动作可能发生。从长期来看，事故后安全壳氢气浓度由PARs的运行来降低。PARs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，则利用安全壳空气过滤系统VFS来对安全壳进行净化。
4、AP1000核电站和秦山一期核电站氢气控制方式比较
通过以上的介绍，可以看出AP1000和秦山一期氢气控制方式有比较大的不同：
首先在设计流程上不同：秦山一期消氢系统将安全壳大气吸入辅助厂房再进行氢气的消除，然后将消氢的气体送回安全壳，这样相当于增加全壳贯穿件，而AP1000的氢气控制系统都设全壳内，故没有增加额外的安全壳贯穿件。其次是利用催化反应来消氢的反应温度不同：在设计上AP1000和秦山一期的氢气控制都用到了催化反应来去除氢气，秦山一期的消氢器需要在安全壳气体温度在320±6°时才能进行催化反应除去氢气， 而AP1000的非能动自动催化复合器为非能动设备，没有转动部件，不需要电源及其它任何支持系统，采用钯或铂作为催化剂，即使在安全大气的温度低于0℃（32℉）也能发生催化反应除去氢气。再次是秦山一期的消氢系统要在安全壳氢气浓度达到一定值时，才会进行消氢，而AP1000的非能动自动催化复合器随时处于消氢状态，可以更早、更好地进行进行消氢工作。最后AP1000设计有氢气点火器，使氢气在安全壳内燃烧，来缓解严重事故时安全壳内产生大量氢气的后果，而秦山一期没有这样的设计。
5、结论
与秦山一期的氢气控制方式比较，AP1000氢气控制方式采用了非能动设备来除氢气，故降低了对电源、人员操作的要求，体现了AP1000非能动专设安全设施的设计特点；AP1000的除氢设备都布置在安全壳内，没有增加额外的安全壳贯穿件，减少了安全壳大气从贯穿件泄漏的机会，故更加保证了安全壳的完整性。
参考文献
[1] 秦山核电站300MW压水堆核电站培训系列教材
[2] 《AP1000系统与设备教材》