羅 沙，王少波，覃 亮，龐 鋒

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七一八研究所，河北 邯鄲 056027)

0 引言

在核電站嚴(yán)重事故 (SA)下，由于高溫下堆芯分解和氧化導(dǎo)致的鋯金屬與水的反應(yīng)，以及熔化的堆芯殘骸與混凝土的反應(yīng)，將生成大量的氫氣［1］。由于其較高的溫度和壓力，氫氣的爆燃和爆炸可定義為對反應(yīng)殼建筑完整性的主要威脅之一［2］。1979年美國三哩島核事故、1986年蘇聯(lián)切爾諾貝利核事故及2011年日本福島核事故均導(dǎo)致國際上對氫氣特性及其控制的研究。

氫氣的危害由嚴(yán)重事故序列、設(shè)備特性及反應(yīng)殼隔間的結(jié)構(gòu)和容積等多種因素決定［3］。為監(jiān)測和消除安全殼內(nèi)的爆炸風(fēng)險(xiǎn)，有必要采用一套安全殼內(nèi)的氫氣控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)在安全殼內(nèi)堆芯分解或熔化的情形下，具有氫氣濃度監(jiān)控和氫氣控制的功能，限制安全殼內(nèi)的氫氣濃度，從而避免安全殼整體發(fā)生危險(xiǎn)。氫氣控制系統(tǒng)由氫氣監(jiān)測子系統(tǒng)和氫氣消除子系統(tǒng)組成。

基準(zhǔn)事故下測量安全殼內(nèi)氫氣濃度是有效預(yù)防和緩解核事故的措施之一。國際原子能機(jī)構(gòu) (IAEA)要求所有新建核電站都必須安裝氫氣控制系統(tǒng)［4］。在中國，根據(jù)GB13627《核電廠事故監(jiān)測儀表準(zhǔn)則》的規(guī)定，進(jìn)行氫氣濃度的測量是探測安全殼破裂可能性，實(shí)施核事故的緩解和長期監(jiān)視的措施之一。同時(shí)，在中國核安全法規(guī)中，也包括了新建核電站必須考慮嚴(yán)重事故條件下的氫氣控制措施的安全要求［5-6］。但是，目前已用在核電站安全殼內(nèi)的氫氣濃度測量系統(tǒng)均尚未得到嚴(yán)重事故條件的充分驗(yàn)證。

1 核事故下實(shí)現(xiàn)安全殼內(nèi)氫氣濃度測量的技術(shù)難點(diǎn)

在核電站的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故或嚴(yán)重事故工況下，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)殼內(nèi)氫氣濃度的安全、準(zhǔn)確、穩(wěn)定測量具有較高的技術(shù)難度。由于在事故條件下，反應(yīng)堆會(huì)產(chǎn)生大量的氫氣和熱量并釋放到安全殼內(nèi)，在不加控制的條件下，安全殼內(nèi)平均氫氣濃度可達(dá)10%，局部可高達(dá)15%。安全殼內(nèi)的溫度可高達(dá)180℃，嚴(yán)重事故時(shí)甚至可達(dá)350℃。同時(shí)，密閉安全殼空間內(nèi)的壓力隨著溫度的增加而增大，在嚴(yán)重事故下安全殼內(nèi)壓力可達(dá)0.7 MPa。雖然安全殼壓力的設(shè)計(jì)有一定的冗余考慮，但是事故工況下安全殼內(nèi)局部區(qū)域氫氣的大量積累可能引起氫氣濃度超過爆炸下限。一旦引發(fā)氫氣爆燃或燃燒，安全殼除受到強(qiáng)力沖擊外，還將大幅增加安全殼內(nèi)壓力和溫度負(fù)荷。如果壓力負(fù)荷超過安全殼的設(shè)計(jì)壓力的承受范圍，將會(huì)影響安全殼完整性，嚴(yán)重情況下會(huì)導(dǎo)致安全殼內(nèi)放射性物質(zhì)對外釋放，因此對氫氣濃度的監(jiān)測是非常重要的。

以中國二代改進(jìn)型壓水堆 (PWR)核電廠為例，在嚴(yán)重事故工況下，其安全殼內(nèi)溫度和壓力和累計(jì)劑量分別可達(dá)到160℃和0.7 MPa和1×106Gy以上。同時(shí)，安全殼內(nèi)存在混合氣體 (由空氣、氫氣、水蒸汽、碘蒸汽、硼酸和堿性蒸汽等組成)及氣溶膠，使得氣體組分和狀態(tài)相當(dāng)復(fù)雜。在嚴(yán)重事故某些工況下，水蒸氣含量可高達(dá)60%。此外，安全殼內(nèi)的氫氣濃度可高達(dá)10%以上，遠(yuǎn)高于氫氣的爆炸限，因此存在很大的氫氣爆炸風(fēng)險(xiǎn)。在此條件下，如何實(shí)現(xiàn)氫氣濃度的連續(xù)穩(wěn)定監(jiān)測，以及如何確保氫氣測量的安全性、準(zhǔn)確性和設(shè)備可用性，都是必須加以解決的技術(shù)難題。

2 安全殼內(nèi)氫氣濃度測量方法及其原理

安全殼內(nèi)氫氣濃度測量方法從技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑上可分為抽氣取氣樣法和直接測量方法2類。

2.1 抽氣取氣樣法

氣體抽出式測量方法采用的氫氣傳感器安裝在安全殼外，并且氣體的預(yù)處理和分析都在安全殼外完成。安全殼內(nèi)少量的高溫高壓高放射性氣體被抽送到安全殼外，進(jìn)行降溫、除濕、降壓、穩(wěn)流和過濾等預(yù)處理。經(jīng)過預(yù)處理的低溫、低壓、清潔的氣體，可以送入分析儀器進(jìn)行氫氣濃度測定。這種方式對氫氣傳感器的要求相對較低，有利于其選型和應(yīng)用，普通的商用儀表經(jīng)過抗震設(shè)計(jì)后即可應(yīng)用在此類系統(tǒng)中。此外，由于樣品含量的分析是在安全殼外進(jìn)行的，因此該方法并不一定要經(jīng)過嚴(yán)重事故條件的驗(yàn)證［7］。

不過，在氣體抽出式測量方法中，由于氣體在傳輸和預(yù)處理過程中的冷卻和水蒸氣的冷凝，導(dǎo)致氫氣相對于樣品氣的含量大大上升。因此，與安全殼內(nèi)的實(shí)際氫氣濃度相比，抽出式測量方式測得的氫氣體積濃度明顯偏高。也就是說，水蒸氣的含量直接影響測量的準(zhǔn)確性，并且水蒸氣含量越大，測量偏差就越大。因此，如何通過數(shù)據(jù)補(bǔ)償?shù)姆绞綄y量值進(jìn)行修正，這對于保持氣體測量狀態(tài)一致性，消除水蒸氣含量對測量結(jié)果的影響，以保證準(zhǔn)確測量而言是很重要的。

2.2 直接測量法

直接測量方式中采用的氫氣分析傳感器或氫氣敏感元件安裝在安全殼內(nèi)，通常不能直接輸出氫氣濃度信號，需要安全殼外的信號處理設(shè)備配合完成氫氣濃度分析。由于安全殼內(nèi)環(huán)境條件的特殊性和嚴(yán)酷性，普通商用的氫氣分析傳感器不能被直接應(yīng)用。因此，安裝在安全殼內(nèi)的氫氣傳感器需要進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)和研制，經(jīng)過完整的環(huán)境條件鑒定試驗(yàn)，以確保在事故工況下設(shè)備的可用性，之后設(shè)備才可以應(yīng)用于核電廠安全殼內(nèi)。鑒定試驗(yàn)通常包括熱老化、輻照老化、抗地震、高溫、高壓、氣溶膠、噴淋試驗(yàn)等。

根據(jù)測量原理的不同，直接測量方式可分為3類:熱催化電極電阻變化法，氫氧催化反應(yīng)溫度變化法以及吸氫材料電阻變化法。其中，熱催化電極電阻變化法與氫氧催化反應(yīng)溫度變化法均采用催化原理促使氫氧反應(yīng)，其差別在于氫氣敏感材料不同和催化實(shí)現(xiàn)方式不同。

2.2.1 熱催化電極電阻法

熱催化電極電阻法的氫氣敏感元件是由涂有催化劑的鉑電極和參比電極組成，當(dāng)探頭接觸到氫氣和氧氣的混合物時(shí)，在鉑電極表面發(fā)生催化復(fù)合反應(yīng)，氫氣與氧氣發(fā)生復(fù)合反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生反應(yīng)熱，反應(yīng)熱導(dǎo)致電極電阻變化，電阻變化值是氫氣存在的特征信號。這一信號被送到安全殼外的惠斯通電橋(見圖1)上完成氫氣濃度的分析。惠斯通電橋可以增加測量的靈敏度，并進(jìn)行溫度補(bǔ)償。其中的1～2個(gè)電阻為“活性的”，暴露在環(huán)境條件中。剩余的電阻為“參照的”，通過氫氣無法滲透的絕緣層進(jìn)行鈍化。直流電能作用于相對稱的2個(gè)節(jié)點(diǎn)上，并通過剩余的節(jié)點(diǎn)測量橋電壓［8］。為達(dá)到催化反應(yīng)的合適溫度，保持較高的催化復(fù)合效率，并減少水蒸氣對催化反應(yīng)的影響，對催化電極持續(xù)采用外部供電進(jìn)行加熱，采用多孔金屬材料的探頭外罩，氣體通過滲透方式擴(kuò)散到氫氣敏感材料中。但是，這種方法不適用于較高的氫氣濃度條件，因?yàn)樵诖藯l件下，加熱過程可能會(huì)造成氫氣爆炸。

圖1 惠更斯電橋原理示意圖Fig.1 The schematic diagram of Wheatstone bridge

2.2.2 吸氫材料電阻變化法

吸氫材料電阻變化法的氫氣敏感元件是鈀鎳合合金或鈀銀合金類吸氫材料，其測量原理如圖2所示。在有氫氣的氛圍下，氫氣具有選擇性地通過鈀鎳合金薄膜或鈀銀合金薄膜并被吸附在合金晶格內(nèi)，造成合金薄膜的電阻或電容變化，變化信號通過安全殼外的惠斯通電橋轉(zhuǎn)換后完成氫氣濃度分析。與熱催化電極電阻法類似，吸氫材料吸氫時(shí)放熱，吸氫后需加熱才能解吸氫氣，并且這種方法同樣也需要外部供電。

圖2 吸氫材料電阻變化法的原理示意圖Fig.2 The principle schematic diagram of method of measuring resistance variation of hydrogen-absorbing materials

2.2.3 氫氧催化反應(yīng)溫度變化法

氫氧催化反應(yīng)溫度變化法的氫氣敏感元件是催化劑，其測量原理如圖3所示。區(qū)別于上述直接測量方法，這種方法不需要對傳感器供電，采用非能動(dòng)的測量方式，在安全殼內(nèi)環(huán)境條件下在催化劑的作用下自然發(fā)生氫氣與氧氣的化合反應(yīng)，反應(yīng)放出的熱量造成催化反應(yīng)溫度變化［9-10］，溫度測量信號作為氫氣濃度的特征信號被直接用于分析氫氣濃度，溫度測量信號傳輸?shù)桨踩珰ね?，由信號處理單元完成信號接收和程序?jì)算，計(jì)算結(jié)果為安全殼內(nèi)氫氣濃度。這種方式無需采用惠斯通電橋進(jìn)行信號轉(zhuǎn)化，測量直接迅速。

圖3 氫氧催化反應(yīng)溫度變化法的測量原理Fig.3 The measuring principle of method of measuring reaction temperature variation during catalytic recombination of hydrogen-oxygen

3 安全殼內(nèi)氫氣濃度測量技術(shù)的研發(fā)及在中國的應(yīng)用現(xiàn)狀

根據(jù)對德國、俄羅斯、韓國、美國和中國等國家已應(yīng)用在核電廠的氫氣濃度測量裝置的調(diào)研，目前抽氣取樣法大多用于核電廠基準(zhǔn)事故下，這是因?yàn)榛鶞?zhǔn)事故下安全殼內(nèi)氣體的溫度、壓力、輻照劑量和實(shí)際氫氣濃度均相對較低，所以對氣體傳輸管路的要求較低，放射性物質(zhì)泄露風(fēng)險(xiǎn)較小。

在國內(nèi)，基于抽氣取樣法原理，中船重工第718研究所研發(fā)了核安全級HCM-10型氫濃度監(jiān)測裝置，其系統(tǒng)組成如圖4所示。該裝置具有能耗低、測量準(zhǔn)確性較高、運(yùn)行利用率高、穩(wěn)定性高、可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測量和自動(dòng)啟停控制等優(yōu)點(diǎn)，但由于所采用抽氣取樣法的限制，它也存在系統(tǒng)組成較復(fù)雜、測量輸出受安全殼大氣中水蒸氣含量影響較大等缺點(diǎn)。盡管如此，由于該裝置適用于中國二代加強(qiáng)型核電廠ETY系統(tǒng)安全殼內(nèi)氫氣濃度的測量，因此已應(yīng)用于中國秦山二期、方家山、福清、昌江等多個(gè)核電廠。

圖4 HCM-10型氫濃度監(jiān)測儀的組成Fig.4 The composition of HCM-10 type hydrogen concentration measuring device

在國外，針對常規(guī)抽氣取樣法的缺點(diǎn)，法國AREVA公司研發(fā)了HEMIT系統(tǒng)，采用毛細(xì)管進(jìn)行氣體傳輸，以最大程度的減少放射性物質(zhì)泄漏的可能。同時(shí)對毛細(xì)管進(jìn)行保溫加熱以盡量保證氣體狀態(tài)的一致性，氫氣分析采用熱導(dǎo)型氫氣傳感器。由于這些特殊設(shè)計(jì)，目前該系統(tǒng)已得到中國及芬蘭核安全當(dāng)局的認(rèn)可，已應(yīng)用于我國臺(tái)山核電廠。但是由于保溫加熱措施帶來能耗的增加，但如果發(fā)生全廠斷電的嚴(yán)重事故，設(shè)備的可利用率會(huì)受到影響。

與抽氣取樣法相比，直接測量法具有系統(tǒng)組成簡單、可靠性高、測量無滯后且不受水蒸氣影響等優(yōu)點(diǎn)，因此目前采用該方法的氫氣測量裝置及在核電廠的應(yīng)用也為數(shù)不少。例如，德國采用熱催化電極電阻法，研制出WS-85型氫氣傳感器，已應(yīng)用于中國田灣核電廠1#、2#機(jī)組基準(zhǔn)事故下安全殼內(nèi)氫氣濃度的測量。俄羅斯采用吸氫材料電阻變化法，研制出適用于核電廠嚴(yán)重事故下使用的氫氣傳感器，已應(yīng)用于中國田灣核電廠1#、2#機(jī)組嚴(yán)重事故下安全殼內(nèi)氫氣濃度的測量。

中船重工第718研究所采用催化氫氧化合溫度反應(yīng)法，于2012年研制出CH-15型氫氣濃度測量裝置，其系統(tǒng)組成如圖5所示。該裝置的核心部件為氫氣傳感器，其具有以下特點(diǎn):

1)無任何電子部件，無需外部供電;

2)具有多重防護(hù)設(shè)計(jì)，安全殼內(nèi)復(fù)雜嚴(yán)苛的環(huán)境條件下工作可靠、性能穩(wěn)定;

3)本質(zhì)安全與防爆設(shè)計(jì)雙保險(xiǎn)，充分保證使用安全性。

通過對該裝置的熱老化試驗(yàn)、輻照老化試驗(yàn)、高溫高壓試驗(yàn)、壓力和水蒸氣含量影響試驗(yàn)、噴淋液試驗(yàn)、氣溶膠試驗(yàn)、氣體流場變化試驗(yàn)等一系列實(shí)驗(yàn)，充分驗(yàn)證了該裝置的氫氣傳感器在嚴(yán)重事故下的設(shè)備可用性。目前，該裝置已經(jīng)或即將應(yīng)用于中國紅沿河、寧德和陽江等核電廠。

圖5 CH-15型氫氣濃度測量裝置的組成Fig.5 The composition of CH-15 type hydrogen concentration measuring device

4 結(jié)語

在核事故中，安全殼內(nèi)氫氣濃度測量技術(shù)可以在防止放射性物質(zhì)泄漏，保障人員和財(cái)產(chǎn)安全方面起到重要作用。在福島核事故后，針對安全殼內(nèi)氫氣濃度測量的技術(shù)研發(fā)工作尤為引人關(guān)注。隨著核電行業(yè)對核事故認(rèn)識(shí)的不斷深入，先進(jìn)的氫氣濃度測量裝置必將大量應(yīng)用于世界各國的核電廠，為提高核電安全水平做出貢獻(xiàn)。

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