事故情况下的氢气控制在AP1000核电站的应用

发表时间:2017/3/17   来源:《科技中国》2017年1期   作者:潘峰
[导读] 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。

(三门核电有限公司 浙江 三门 317112)
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。介绍了事故情况下的氢气控制在AP1000核电站的应用,分析了AP1000在氢气控制方面的优越性,最后对该系统设备的运行提出了建议。
关键词:AP1000 ;氢气控制;优越性;建议
        一  引言
        安全是核电站的生命线。2011年3月11日,日本福岛核电站的重大核安全事故,继切尔诺贝利核事故和美国三里岛核事故之后,再一次聚焦了全世界的目光。在此次核事故过程中,日本福岛核电站多台机组的核岛厂房相继发生了氢气爆炸,导致核电站第三道安全屏障被破坏而使大量放射性物质释放到环境中,对民众和环境产生了严重的影响。事故发生后,我国国家核安全局立即组织对国内核电厂进行了全面的安全检查。其中对于严重事故后的安全壳内氢气控制,作为检查工作的重要项目之一。经评估,AP1000安全壳氢气控制系统,不仅可以可靠地监测严重事故下安全壳内的氢气浓度,还可以有效地降低安全壳内的氢气浓度,防止氢气爆炸威胁安全壳完整性;同时在AP1000严重事故管理导则中也包括了氢气监测和控制措施,不需进一步改进。
        二  事故下氢气的来源及危害
        严重事故发生后堆芯熔化,安全壳内可能由于以下原因产生氢气:燃料元件锆包壳与水反应、水的辐照分解、结构材料的腐蚀、反应堆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。
        三  AP1000核电站中的氢气监测
        正常运行时,AP1000安全壳氢气控制系统提供监测安全壳内的氢气浓度,该子系统由三个氢气传感器组成。这些传感器安装在安全壳穹顶上部监测总体氢气浓度。在主控室有连续的氢气浓度指示,并提供氢气浓度高报警,一个传感器失效并不影响对氢气浓度的监测,这三个仪表还支持事故后监测功能。
        四  设计基准事故下的氢气控制
        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。
        1 非能动氢气复合器(PAR)的空间布置
        非能动氢气复合器(PAR)安装在安全壳内高于操作平台的区域,标高分别为49.38 m和50.6 m,距安全壳壳体均为3.96m,布置点位于安全壳内均匀混合区域。
        2 非能动氢气复合器(PAR)简介
        非能动氢气复合器(PAR)非常简单,并且是非能动的,不依赖电源或者其他支持系统, PAR设备采用钯或铂作为催化剂。安全壳内设置了2台100%消氢能力的PAR。PAR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。
        五  严重事故下氢气的控制
        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。
        1 氢气点火器布置
        AP1000氢气点火器在安全壳内的布置位置直接关系到氢气点火器的消氢效果,使氢气在远离安全壳壳体情况下低浓度持续燃烧,有效降低安全壳内整体氢气浓度。为了充分发挥氢气点火器的消氢作用,氢气点火器在布置上考虑了以下几个方面:
        1.1冗余布置
        为了防止氢气点火器单一故障从而导致局部区域丧失消氢能力,每系列至少2个氢气点火器需要布置在氢气潜在释放区域。
        1.2消氢效果
        为了达到更好的消氢效果,需要在氢气的主要流道布置足够数量的氢气点火器。氢气点火器还需要布置在每个间隔内最有可能释放氢气位置的附近或者上方。



        1.3减小对安全壳冲击
        为了使氢气点火器点燃时减小对安全壳壳体的冲击,氢气点火器需要布置在远离安全壳壳体的位置。可以采用混凝土墙作为实体上的隔离,使氢气燃烧产生的扩散火焰不会传播到安全壳壳体,从而不会对安全壳完整性产生冲击。
        2 氢气点火器控制
        AP1000氢气点火器分2组,每组33个。由PLS和DAS控制氢气点火器。DAS的控制回路完全独立于PLS,提供了后备的多样化触发方式,用于PLS失效时触发氢气点火器。
        六  严重事故下堆芯损坏时严重事故管理导则(SAMG)提供降低安全壳氢气浓度的手段
         AP1000 严重事故管理导则(SAMG)的目的为:终止裂变产物的释放;维持或者恢复安全壳可控稳定状态;恢复堆芯可控稳定状态。AP1000 严重事故管理导则(SAMG)的入口条件为 :堆芯出口温度大于649℃ ;执行电厂应急运行规程SDP-1 和SDP-2 中当电站技术人员确定发生堆芯损坏时。SAMG中提供适用的氢气控制策略,主要有以下几种:防止氢气燃烧且允许PAR降低氢气浓度;安全壳排气;主动点燃氢气;投运氢气点火器。执行氢气控制策略时要确定氢气控制策略的正负面影响再选择合适的氢气控制策略。
        七 AP1000事故情况下氢气控制的优点
        AP1000的氢气浓度监测子系统是连续运行的,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。
        2    AP1000氢气复合子系统包括2个非能动自动催化复合器(PAR),在设计基准事故期间,一套PAR 运行即足以维持氢气浓度低于4%的可燃限值。PAR自动投入,无需操纵员响应;对于严重事故,氢气生成速率可能超过PAR 的处理能力,根据严重事故管理导则(SAMG),操纵员决定触发氢气点火器的时机,以限制安全壳总体氢气浓度低于10%的限值;事故后长期阶段,通过PAR 降低安全壳的氢气浓度,使氢气浓度最终接近0.3%,如果还有其它降低氢气浓度的要求,可通过VFS对安全壳进行净化。因此,采用非能动消氢装置与氢气点火器联合运行的方式,可以在不同环境条件下,安全、有效地消除氢气。氢气点火器控制手段的多样化也保证了严重事故期间运行人员能够可靠触发氢气点火器。
        3    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。
        4   在严重事故下堆芯损坏时严重事故管理导则(SAMG)提供降低安全壳氢气浓度的手段以减少裂变产物的释放,同时通过不同的氢气控制策略来减少降低氢气浓度过程中对安全壳完整性的威胁。
        八 目前存在的问题及思考
        1 关于氢气点火器电源设置问题
        66个氢气点火器由EDS供电,全厂失电事故发生后,操纵员需要扫掉其它负荷,来保证氢气点火器需要的4小时供电。但EDS蓄电池容量仅能在额定负载情况下维持2小时供电,在这种情况下需要制定一份详细的负载切除规程来规范操纵员的行为。同时,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4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。

        2 地震工况下,如发生福岛核电站类似事故,AP1000氢气点火器和氢气浓度传感器将失去可用性。若此时发生堆芯熔化的严重事故,只能依靠取样来确定氢气浓度。因此可以考虑氢气点火器和氢气浓度传感器均由抗震级的IDS供电。
参考文献:
CPP-VLS-M3-001 R5 安全壳氢气控制系统设计规范书
CPP-MY80-Z0R-001 R1 非能动氢气复合器设备规范书
APP-GW-GEE-2342 R0 氢气点火器设计变更
APP-GW-GJR-400  AP1000 严重事故导则SAMG


 

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