王 坤，張 帆，袁名禮，趙新文，胥 浩

(1. 海軍工程大學(xué)核能科學(xué)與工程系，湖北 武漢430033；2. 92730部隊)

小型堆嚴重事故下安全殼內(nèi)氫氣行為分析

王 坤1，張 帆1，袁名禮1，趙新文1，胥 浩2

(1. 海軍工程大學(xué)核能科學(xué)與工程系，湖北 武漢430033；2. 92730部隊)

采用MELCOR程序，對小型堆破口疊加全部電源喪失的典型嚴重事故進行計算，并對安全殼內(nèi)發(fā)生氫氣燃燒、爆炸的可能性進行分析。結(jié)果表明：主管道直徑3.72%的破口疊加全部電源喪失后，堆芯裸露，出現(xiàn)熔堆事故；同時鋯水反應(yīng)產(chǎn)生的大量氫氣進入安全殼，使安全殼內(nèi)氫氣含量上升，在安全殼局部空間、屏蔽水箱內(nèi)出現(xiàn)氫氣燃燒。但由于小型堆安全殼凈容積較小，水蒸氣含量較高，氧氣含量較少，不會導(dǎo)致氫氣爆炸。

小型堆；MELCOR；嚴重事故；氫氣燃燒、爆炸

小破口疊加全部電源喪失的嚴重事故情況下，安全殼內(nèi)H2摩爾份額上升，存在H2燃燒或爆炸的可能。H2爆炸會造成安全殼結(jié)構(gòu)破壞，大量放射性物質(zhì)釋放，產(chǎn)生嚴重的事故后果。小型核動力反應(yīng)堆與核電廠反應(yīng)堆在結(jié)構(gòu)[1]、設(shè)計、運行功率等各方面存在差別，嚴重事故情況下安全殼內(nèi)氫氣行為也不相同。因此小型核動力堆安全殼內(nèi)氫氣爆炸可能性分析，對事故應(yīng)急具有十分重要的意義。

MELCOR為國際通用、計算壓水堆和沸水堆嚴重事故的一體化程序[2]，其中氫氣燃燒模塊是專門針對嚴重事故下安全殼內(nèi)高壓情況開發(fā)的半機理、半經(jīng)驗的計算模塊，可進行事故下的氫氣燃燒、爆炸模擬。本論文中研究的小型動力堆堆型為壓水堆，應(yīng)用MELCOR程序進行嚴重事故下氫氣行為的仿真計算是適用的。

本文研究的小型動力堆雖然為典型雙環(huán)路壓水堆，但較核電廠壓水堆體積小、功率低、功率密度高、設(shè)備冗余度低；控制棒材料與核電站不同；且壓力容器外有屏蔽水箱將壓力容器與安全殼隔離；安全殼容積相對較小，內(nèi)部沒有明顯的隔間；“堆坑”為壓力容器壁、壓力容器支撐裙與艙底底板圍成的狹小空間，無混凝土材料。針對小型堆的特殊性，本論文以MELCOR1.8.5程序為基礎(chǔ)進行了二次開發(fā)，建立堆芯、系統(tǒng)主要設(shè)備、回路、安全殼模型對小型堆典型嚴重事故——全部電源喪失疊加破口事故[3]下的氫氣行為進行了計算。由于所得結(jié)果具有一致性，本文以冷管段當量直徑為主管道直徑3.72%的破口疊加全部電源喪失事故為例，對事故下安全殼內(nèi)氫氣行為進行了研究，研究結(jié)論可為事故應(yīng)急提供技術(shù)支持。

1 計算模型

1.1 安全殼內(nèi)控制體劃分

小型動力堆安全殼內(nèi)設(shè)備、空間劃分與核電站具有較大差異。核電站安全殼空間容積較大，內(nèi)部存在多個隔間，且各隔間不能互相貫通。本論文所研究小型動力堆安全殼內(nèi)凈容積較小，安全殼內(nèi)部由隔板分為三層，各層最大高度相同，但三層間并未完全隔斷，內(nèi)部氣體可以互相流通。壓力容器外設(shè)有屏蔽水箱，將壓力容器與安全殼完全隔離開。如圖1所示。

圖1 小型動力堆安全殼內(nèi)部空間分層示意圖Fig.1 Layer Diagram of Small Reactors Containment

正因為小型動力堆安全殼內(nèi)凈容積小，設(shè)備布置密度高，安全殼內(nèi)控制體劃分的敏感性較小，結(jié)論具有一致性，限于篇幅本文采用兩種計算方案。方案一采用集總參數(shù)法分析安全殼內(nèi)氫氣行為，忽略安全殼的實際分層，將安全殼內(nèi)部凈空間作為一個控制體。方案二依照小型堆安全殼內(nèi)部實際分層，去除安全殼內(nèi)設(shè)備所占空間后，將各層凈空間分別劃分為800、801、802三個控制體(如圖1所示)，各層間的流通面積按照實際流通面積計算。

以上方案一控制體劃分相對簡單，CPU時間較短，但是忽略了各類氣體因密度不同造成的空間效應(yīng)。方案二采用分層方法，控制體劃分相對復(fù)雜，CPU時間較長，但能夠真實反應(yīng)小型動力堆安全殼內(nèi)部各層氣體摩爾份額，計算結(jié)果更加詳細。通過兩種方案分別對破口疊加全部電源喪失嚴重事故進行計算，驗證集總參數(shù)法是否可用于本文研究的小型動力堆的破口疊加全部電源喪失嚴重事故計算，滿足核應(yīng)急早期適時、超時需求。

1.2 事故假設(shè)與初始條件

本論文中的事故假設(shè)與初始條件如下：

(1) 事故觸發(fā)前反應(yīng)堆滿功率運行，平衡衰變熱，功率不均勻因子為壽期初值[6]，放射性累積取壽期末數(shù)據(jù)(更保守)。

(2) 破口當量直徑為主管道直徑的3.72%，破口位置位于主閘閥和壓力容器之間，破口無法隔離。

(3) 斷電后，控制棒下落，反應(yīng)堆立即停堆，主泵惰轉(zhuǎn)隨后停轉(zhuǎn)，所有能動設(shè)備與安全設(shè)施均無法投入[4]。

(4) 整個事故進程中無人為干預(yù)。

1.3 安全殼內(nèi)氫氣燃燒、爆炸判據(jù)

根據(jù)MELCOR1.8.5中BUR程序模型(用于模擬嚴重事故下安全殼內(nèi)氣體燃燒)，安全殼內(nèi)是否發(fā)生氫氣燃燒、爆炸，取決于安全殼內(nèi)各類氣體的摩爾份額，以及點火條件，其燃燒判據(jù)為LeChatelier[5]公式。

(1) 小型堆安全殼內(nèi)無點火器，所以在LeChatelier[5]公式中，燃燒發(fā)生的條件如下：

(1)

XO2≥XO2IG

(2)

XH2O+XCO2

(3)

式中：XCO為CO的摩爾份額；XH2為H2的摩爾份額；XCO2為CO2的摩爾份額；XO2為O2的摩爾份額；XH2O為H2O的摩爾份額；LH2,ign 為無點火器條件下燃燒發(fā)生的最小H2摩爾份額；LCO，ign為無點火器條件下燃燒發(fā)生的最小CO摩爾份額；XO2IG 為燃燒發(fā)生的最小O2摩爾份額；XMSCIG為H2O加上CO2的最大引燃摩爾份額。

小型堆堆坑無混凝土材料，在整個事故過程中不存在MCCI反應(yīng)，沒有CO和CO2產(chǎn)生，所以XCO、XCO2取值為0。又根據(jù)BUR程序模型，嚴重事故高壓情況下，LH2,ign取值為0.07，XO2IG取值為0.05，XMSCIG取值為0.55。所以上述燃燒條件簡化為：

XH2≥0.07

(4)

XO2≥0.05

(5)

XH2O<0.55

(6)

(2) 同上無點火器條件下爆炸發(fā)生條件如下：

XH2>0.14

(7)

XO2>0.09

(8)

XH2O<0.03

(9)

2 事故進程

事故觸發(fā)后，全部電源喪失，控制棒夾持件斷電松開，控制棒自動下落，反應(yīng)堆立即停堆，主冷卻劑泵惰轉(zhuǎn)隨后停止[4]。冷卻劑從破口處向安全殼泄漏，泄漏率與破口當量直徑有關(guān)，高溫高壓的冷卻劑泄漏至安全殼后會立即部分閃蒸，安全殼溫度、壓力迅速上升；堆芯水位逐漸下降，系統(tǒng)壓力降低，堆芯冷卻劑開始沸騰、燃料裸露、堆內(nèi)傳熱惡化，堆芯溫度升高[7]；鋯水反應(yīng)開始，燃料包殼、控制棒、燃料和支撐結(jié)構(gòu)等開始熔化。事故進一步發(fā)展，燃料元件坍塌、堆芯下板高溫失效，堆芯內(nèi)的熔融物坍塌，下封頭蠕變失效，熔融物進入堆坑[6]。事故過程中水蒸氣、氫氣、放射性氣體、氣溶膠隨破口進入安全殼。

本文采用兩種方案計算小型堆破口疊加全部電源喪失事故，安全殼內(nèi)都會出現(xiàn)氫氣燃燒過程，但始終不會發(fā)生氫氣爆炸過程。安全殼分層方案能夠體現(xiàn)出安全殼內(nèi)部不同位置氫氣燃燒情況存在差異，但兩種方案所得事故主要事件的時間序列基本一致。事故主要事件的時間序列見表1。

表1 主要事件的時間序列

3 計算結(jié)果分析

兩種方案所得結(jié)果如圖2所示，y軸為氣體的摩爾份額，x軸為時間。其中各類氣體摩爾份額滿足閾值條件的部分用不同陰影把曲線與x軸部分描黑，故各類氣體陰影重疊區(qū)即表示滿足燃燒、爆炸閾值，存在氫氣燃燒、爆炸現(xiàn)象。

集總參數(shù)計算方案中有安全殼和屏蔽水箱兩個控制體，安全殼與屏蔽水箱之間由波動管連通，事故下氫氣會經(jīng)由波動管進入屏蔽水箱，也可能導(dǎo)致屏蔽水箱內(nèi)出現(xiàn)氫氣燃燒或爆炸。圖2、圖4利用模型中的燃燒閾值分別對以上控制體燃燒情況進行分析。如圖2，事故觸發(fā)7142s后，屏蔽水箱內(nèi)H2摩爾份額達到0.096，O2摩爾份額達到0.113、H2O摩爾份額達到0.337，滿足屏蔽水箱內(nèi)氣體燃燒條件，首次出現(xiàn)氫氣燃燒；但事故后期水蒸氣摩爾份額增加，逐漸超過氫氣燃燒閾值，抑制了氫氣的燃燒，燃燒過程不再發(fā)生。如圖4，事故情況下，堆芯內(nèi)部發(fā)生鋯水反應(yīng)產(chǎn)生氫氣泄漏到安全殼內(nèi)，氫氣摩爾份額增加，水蒸氣冷凝沉降摩爾份額降低。在事故觸發(fā)7138s時，H2摩爾份額為0.100，O2摩爾份額為0.083、H2O摩爾份額為0.484，滿足安全殼內(nèi)氣體燃燒條件，開始出現(xiàn)氫氣燃燒過程；但事故后期燃燒過程消耗了O2，O2的摩爾份額不能滿足氣體燃燒條件，燃燒過程不再發(fā)生。

3.1 集總參數(shù)法計算方案所得結(jié)果

圖2 屏蔽水箱內(nèi)燃燒發(fā)生情況分析Fig.2 Analysis Diagram of Fire In Block Tank

圖3 屏蔽水箱內(nèi)爆炸可能性分析Fig.3 Analysis Diagram of Explosion In Block Tank

圖4 安全殼內(nèi)燃燒發(fā)生情況分析Fig.4 Analysis Diagram of Fire In Containment

圖5 安全殼內(nèi)爆炸可能性分析Fig.5 Analysis Diagram of Explosion In Containment

圖6 安全殼內(nèi)壓力變化Fig.6 Pressure Chang In Containment

圖7 屏蔽水箱內(nèi)燃燒發(fā)生情況分析Fig.7 Analysis Diagram of Fire In Block Tank

圖3、圖5分別為氫氣爆炸可能性分析。事故開始階段，水蒸氣摩爾份額大于0.3，高于爆炸閾值，但滿足燃燒閾值，安全殼內(nèi)發(fā)生氫氣燃燒過程消耗氧氣；事故后期O2的摩爾份額低于0.09，不能滿足爆炸閾值。所以在整個事故過程中安全殼內(nèi)不會發(fā)生氫氣爆炸。

圖6為事故過程中安全殼內(nèi)氣體壓力隨時間變化圖。安全殼內(nèi)發(fā)生幾次氫氣燃燒過程造成其內(nèi)部出現(xiàn)壓力脈沖，但安全殼壓力峰值僅為安全殼最大設(shè)計壓力的35%，不會導(dǎo)致安全殼超壓，放射性物質(zhì)和氣溶膠仍然被包容在安全殼內(nèi)部。

3.2 安全殼分層計算方案所得結(jié)果

安全殼分層計算方案中包含屏蔽水箱和安全殼底層、中層、上層四個控制體。圖7、圖8、圖9、圖10利用模型中的燃燒閾值分別對以上四個控制體的燃燒情況進行分析。如圖7，事故觸發(fā)7193s時，屏蔽水箱內(nèi)H2、O2、H2O摩爾份額分別為0.100、0.113、0.33，滿足屏蔽水箱氣體燃燒條件，開始出現(xiàn)氫氣燃燒過程，接著又相繼出現(xiàn)四次氫氣燃燒過程。

圖8 安全殼下層內(nèi)燃燒發(fā)生情況分析Fig.8 Analysis Diagram of Fire In Under Layer Containment

圖9 安全殼中層內(nèi)燃燒發(fā)生情況分析Fig.9 Analysis Diagram of Fire In Middle Layer Containment

如圖10，事故觸發(fā)7252s，安全殼上層802號控制體內(nèi)H2、O2、H2O摩爾份額分別為0.1、0.127、0.263，滿足安全殼上層氣體燃燒條件，開始出現(xiàn)燃燒過程，以后又先后發(fā)生了五次氫氣燃燒過程。如圖8，事故觸發(fā)8589s，安全殼下層800號控制體內(nèi)H2、O2、H2O摩爾份額分別為0.1、0.125、0.248，滿足安全殼下層氣體燃燒條件，開始出現(xiàn)氫氣燃燒過程，事故后期又先后發(fā)生了兩次氫氣燃燒過程。對比圖10、圖8，雖然破口位置處于中層，但氫氣、水蒸氣密度小，會先向上層聚集，隨即水蒸氣在上層結(jié)構(gòu)材料冷凝，摩爾份額達到燃燒閾值，安全殼上層發(fā)生氫氣燃燒較下層提前1337s。如圖9，破口位于安全殼中層，事故開始階段破口釋放的水蒸氣摩爾份額較高，大于0.55，不滿足燃燒閾值；事故后期安全殼中層O2摩爾份額下降，小于0.05，不滿足燃燒閾值。安全殼中層始終不會出現(xiàn)燃燒過程。綜上圖7、圖8、圖10，事故情況下，堆芯內(nèi)部發(fā)生鋯水反應(yīng)產(chǎn)生氫氣泄漏到安全殼內(nèi)，氫氣摩爾份額增加，水蒸氣冷凝沉降摩爾份額降低，屏蔽水箱和安全殼上層、下層各類氣體摩爾份額逐漸滿足燃燒閾值，出現(xiàn)燃燒過程；事故后期各控制體內(nèi)部由于燃燒，O2摩爾份額下降，小于0.05，無法滿足燃燒閾值，氫氣燃燒過程不再出現(xiàn)。

圖11、圖12、圖13、圖14分別對以上四個控制體爆炸可能性進行了分析。事故開始階段，水蒸氣摩爾份額過高，大于0.3，不滿足爆炸閾值，但滿足燃燒閾值，安全殼內(nèi)發(fā)生氫氣燃燒過程消耗氧氣；事故后期O2的摩爾份額小于0.09，不能滿足爆炸閾值。氫氣爆炸過程始終不會發(fā)生。

圖10 安全殼上層內(nèi)燃燒發(fā)生情況分析Fig.10 Analysis Diagram of Fire In Top Layer Containment

圖11 屏蔽水箱內(nèi)爆炸可能性分析Fig.11 Analysis Diagram of Explosion In Block Tank

圖12 安全殼下層內(nèi)爆炸可能性分析Fig.12 Analysis Diagram of Explosion In Under Layer Containment

圖13 安全殼中層內(nèi)爆炸可能性分析Fig.13 Analysis Diagram of Explosion In Middle Layer Containment

圖14 安全殼上層爆炸可能性分析Fig.14 Analysis Diagram of Explosion In Top Layer Containment

圖15為事故過程中安全殼內(nèi)氣體壓力隨時間變化圖。安全殼內(nèi)發(fā)生幾次氫氣燃燒過程造成其內(nèi)部出現(xiàn)壓力脈沖，但安全殼壓力峰值僅為安全殼最大設(shè)計壓力的35%，不會導(dǎo)致安全殼超壓，放射性物質(zhì)和氣溶膠仍然被包容在安全殼內(nèi)部。

圖15 安全殼壓力變化Fig.15 Pressure Chang In Containment

3.3 計算結(jié)果比對

由前面計算分析可知，采用安全殼分層計算方案，能夠準確模擬安全殼內(nèi)各氣體密度差導(dǎo)致的濃度差。氫氣、水蒸氣密度小，氧氣密度大，事故觸發(fā)后，氫氣、水蒸氣會向上浮升，氧氣向下聚集，所以安全殼最上層控制體，H2、水蒸氣摩爾份額相對較高，中層控制體內(nèi)H2、水蒸氣摩爾份額次之，下層最低，氫氣燃燒頻繁出現(xiàn)在安全殼上層。而集總參數(shù)法忽略了各類氣體因密度不同造成的空間效應(yīng)，計算所得氫氣燃燒次數(shù)較安全殼分層計算結(jié)果少。

但兩種方案計算小型動力堆破口疊加全部電源喪失事故，所得各類氣體在安全殼內(nèi)的摩爾份額變化趨勢相同，都能正確體現(xiàn)出冷卻劑泄漏至安全殼后的閃蒸、冷凝，以及安全殼溫度、壓力上升過程。計算結(jié)果都能得到在安全殼和屏蔽水箱內(nèi)存在氫氣燃燒過程，燃燒時間段大致相同，事故主要事件時間序列也基本一致，且事故過程中安全殼內(nèi)都沒有氫氣爆炸過程，安全殼實際壓力與安全殼最大設(shè)計壓力之比小于1，不能導(dǎo)致安全殼超壓，放射性物質(zhì)和氣溶膠仍然被包容在安全殼內(nèi)部。

集總參數(shù)法可用于本文研究的小型動力堆破口疊加全部電源喪失嚴重事故計算，滿足核應(yīng)急早期適時、超時需求。

4 結(jié)論

本文利用集總參數(shù)法和安全殼分層兩種計算方案，分別計算小型動力堆在破口疊加全部電源喪失嚴重事故下安全殼內(nèi)氫氣行為，得到如下結(jié)論：(1) 此類嚴重事故下，安全殼內(nèi)會出現(xiàn)氫氣燃燒過程，但始終沒有氫氣爆炸過程。(2) 此類嚴重事故下，安全殼的氫氣燃燒不會導(dǎo)致安全殼超壓。(3) 集總參數(shù)法和安全殼分層兩種方案計算結(jié)果的事故進程基本相同、事故主要時間節(jié)點基本一致。事故過程中都會導(dǎo)致反應(yīng)堆堆芯熔融坍塌、壓力容器失效、安全殼失效，H2通過破口釋放到安全殼內(nèi)。(4) 安全殼分層計算方案所得氫氣燃燒次數(shù)較集總參數(shù)結(jié)果多，但兩種方案得到的燃燒時間段大致相同，安全殼內(nèi)的分層計算不影響計算結(jié)論。在破口疊加全部電源喪失事故應(yīng)急指揮過程中，可以采用安全殼集總參數(shù)法，為應(yīng)急指揮節(jié)約更多的計算時間。(5) 小型堆安全殼內(nèi)爆炸可能性較小。主要由于小型堆安全殼凈空間較小，事故初期安全殼內(nèi)水蒸氣摩爾份額較高，抑制了氫氣爆炸的可能性，事故后期由于燃燒使氧氣的消耗，也無法滿足安全殼內(nèi)的爆炸閾值。

[1] 胡歡.核反應(yīng)堆壓力容器及制造[J].裝備機械，2010，4：(20-25).

[2] 張帆，陳航，張彥召，晏峰.船用堆破口疊加全船斷電事故進程及后果研究[J].原子能科學(xué)技術(shù)，2015，49(1)：115-120.

[3] 朱繼洲，著. 核反應(yīng)堆安全分析[M]. 西安：西安交通大學(xué)出版社，2004.

[4] 陳航，張帆，晏峰，王坤. 小型堆斷電嚴重事故緩解措施分析[J]. 核動力工程，2015，36(2)：62-65.

[5] MELCOR computer code manuals，Vol.1：Primer and users guides[R]. US：Sandia National Laboratories， 2000.

[6] 齊盼進，肖岷，孫吉亮，等.大亞灣核電站全場斷電誘發(fā)的嚴重事故過程研究[J].核動力工程，2005，26(6)：55-57.

[7] 謝仲生.反應(yīng)堆物理分析[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2004.

Analysis of Hydrogen Combustion and Explosion for SeriousAccident of Small Reactors

WANG Kun1，ZHANG Fan1，YUAN Ming-li1，ZHAO Xin-wen1，XU Hao2

(1. Department of Nuclear Energy Science and Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan，430033，China；2. 92730 forces)

Using MELCOR code，the combination of LOCA and blackout accident sequence in small reactors under full power operation was calculated，and the probability of hydrogen combustion and explosion was analysed. The results show that these severe accidents lead to the bareness of the reactor core and the CMAs at last. At the same time hydrogen produced by zirconium and water reaction leaks and increases in the containment，so hydrogen combustion will happen at local space of the containment and the block tank. But hydrogen explosion will not happen as the high mole fraction of the steam and low mole fraction of oxygen in small volume of the containment.

Small reactor；MELCOR；Severe accident；Hydrogen combustion and explosion

2015-12-02

國家自然科學(xué)基金資助項目(11075212)

王 坤(1991—)，男，山東沂南人，碩士研究生，從事反應(yīng)堆安全分析研究方向

TL4 TL364

A

0258-0918(2016)04-0510-10