畢金生，靖劍平，喬雪冬，胡文超，王 闖,*,郭添榕

(1．環(huán)境保護部核與輻射安全中心，北京 100082；2.遼寧省實驗中學分校，沈陽 110148)

核電廠嚴重事故下會有氫氣產生，氫氣釋放到安全殼內的大空間中，將與氧氣充分混合，可能發(fā)生燃燒、爆燃甚至爆炸，由此將會危及安全殼的完整性,進而造成嚴重的放射性釋放后果[1-4]。福島核事故后的核電廠安全審評過程中，國家核安全局對于嚴重事故下的氫氣安全問題提出了更高的要求[5]。因此，氫氣問題是核電廠安全需要考慮的重要問題之一。在安全殼大氣中，氫氣具有相對密度小、在大氣中快速上升擴散的特點[6]。氫氣的分布主要取決于氫氣釋放的位置及氫氣釋放率，而氫氣從主回路釋放的位置取決于嚴重事故序列和安全殼的設計，這對氫氣的分布有很大影響[7,8]。在壓水堆中的LOCA事故序列作為初始事件會導致蒸汽和氫氣從主冷卻劑管道、穩(wěn)壓器波動管或穩(wěn)壓器釋放。

綜合比較集總參數法程序和流體力學(CFD)程序，集總參數法程序適用于在更大的范圍內分析整體事故過程，而CFD程序適用于在有限時間段內分析特定現象(如噴射、分層化、局部擾動、火焰加速模擬等)[9]。根據這兩種類型程序各自的優(yōu)缺點，西方一些國家(法國、德國、芬蘭、加拿大等)把CFD程序作為集總參數模型的補充應用于氫氣分布的計算當中[10]。他們應用MELCOR或MAAP程序來計算氫氣源項及安全殼整體的氫氣分布，然后應用GASFLOW或CFX等來計算分析有限時間段內局部區(qū)域內氫氣的一些特定的現象[11-12]。

1 氫氣的產生與燃燒

在嚴重事故下反應堆內氫氣產生的來源主要包括三個方面：堆芯熔化前，燃料包殼氧化所產生；堆芯熔融物流入下封頭時，與水反應產生氫氣；壓力容器外，堆芯熔融物與堆坑混凝土底板反應。

根據嚴重事故的發(fā)展過程，氫氣產生大體上可分為壓力容器內的氫氣產生和壓力容器外的氫氣產生兩個階段：

1.1 壓力容器內氫氣的產生階段

在這個階段，壓力容器內金屬材料的氧化主要包括鋯包殼、格架、以及其他金屬構架被水蒸汽氧化或被壓力容器下腔室儲存的水氧化。

在堆芯開始熔化之前，燃料包殼的氧化是產生氫氣的主要階段；

堆芯熔融物流入下封頭時，與下封頭殘留水反應產生氫氣。

1.2 壓力容器外氫氣的產生階段

在這個階段，堆芯熔融物進入堆坑有兩種方式：即堆芯熔融物在堆芯高壓作用下以噴射方式(高壓熔堆)進入堆坑空間和堆芯熔融物跌落在堆坑混凝土底板上。

堆芯一回路高壓情況下，壓力容器下封頭失效時，堆芯熔融物在高壓下噴入堆坑空間，從而導致安全殼直接加熱(DCH)，在DCH期間，直接進入安全殼氣空間的鋯碎片會在很短時間內被氧化，大量氫氣瞬間產生。

在堆芯冷卻系統(tǒng)壓力較低情況下，壓力容器下封頭失效時，堆芯熔融物跌落在堆坑混凝土底板上，將會發(fā)生熔融物混凝土相互作用(MCCI)。在MCCI反應中，堆芯熔融物中的金屬與混凝土熱分解釋放出的水蒸汽發(fā)生氧化反應，并產生大量氫氣等不可凝結氣體。

當安全殼大氣混合氣體中的氫氣濃度達到可燃狀態(tài)而且存在點火源時，都可能發(fā)生氫氣燃燒或爆炸。在氫氣產生源附近區(qū)域，如果有點火源和足夠的氧氣，氫氣將會燃燒并且產生穩(wěn)定的火焰(慢速擴散燃燒)，這種燃燒所產生的熱量和壓力峰值較小，通常不會對安全殼的完整性產生威脅。在氫氣釋放源附近沒有發(fā)生燃燒的氫氣，將與安全殼內的水蒸氣空氣混合，并且在安全殼各隔間中傳輸擴散，導致安全殼內整體或某些局部區(qū)域的氫氣濃度升高，在一定條件下，這些混合氣體將可能發(fā)生快燃(快速湍流燃燒)，如果DDT(快燃向爆燃的轉變)發(fā)生，則由此轉變成爆燃直至爆炸[13]。爆炸能在極短的時間內形成較高的壓力峰值，由此產生的壓力載荷會危及安全殼的完整性。同時，國外的研究及試驗證明，水蒸氣或氮氣的存在可以增加安全殼大氣的惰性，當大氣中水蒸汽的體積濃度超過60%或氮氣體積濃度超過75%時，安全殼大氣完全惰化，即任何氫氣濃度都不會燃燒。同時，當安全殼大氣中氧氣濃度低于5%時，則氫氣的燃燒也不會發(fā)生[14,15]。

2 集總參數程序計算分析

采用嚴重事故一體化分析程序對國產先進壓水堆進行建模，對氫氣濃度分布情況進行整體分析計算。

2.1 事故序列描述及假設

由于3BR-1為大破口觸發(fā)的嚴重事故序列，氫氣釋放量大，而且釋放速率高，所以重點分析3BR-1事故序列中的氫氣釋放情況。事故序列如下：

RCS冷段雙端斷裂

PRHR失效

2/2 ADS第1級閥門-自動

2/2 ADS第2級閥門- 自動

2/2 ADS第3級閥門- 自動

4/4 ADS第4級閥門- 自動

1/2 CMT有效

0/2 ACC有效

1/2 IRWST重力注射管線有效

1/2 IRWST再循環(huán)管線有效

氫氣點火器失效

堆腔淹沒系統(tǒng)不是必要的(IRWST重力注射成功)

2.2 氫氣濃度分布情況

壓力容器內產生的氫氣主要從破口釋放到蒸汽發(fā)生器(SG)隔間，以及通過ADS1-3級閥門釋放到IRWST隔間內。此外，自動卸壓系統(tǒng)第4級閥門將從反應堆冷卻劑系統(tǒng)熱管段向安全殼內SG隔間釋放蒸汽和氫氣，SG隔間與維修層和上部的隔間連在一起，將會形成安全殼內主要的自燃循環(huán)。

在0s時刻主管道冷段發(fā)生大破口，圖1-圖8為安全殼內各隔間的氫氣濃度變化情況。蒸汽發(fā)生器隔間內氫氣濃度份額開始迅速上升，之后由于產生大量水蒸氣，使得該隔間氫氣濃度份額又開始降低，由于破口發(fā)生在SG隔間，發(fā)生破口的SG隔間氫氣濃度明顯高于完整SG隔間，存在更高的氫氣風險。對于堆腔隔間，剛開始有少量氫氣，但是隨著堆腔被淹沒，里面的氫氣全部排放到其他隔間。進入到IRWST隔間內的氫氣迅速上升，而進入的水蒸氣被IRWST換料水箱冷凝，所以氫氣濃度不斷增加，直到濃度達到相對穩(wěn)定。安全殼上部隔間和蒸汽發(fā)生器隔間及IRWST隔間相通，所以當PCS系統(tǒng)投入后，安全殼內壓力趨于穩(wěn)定時，這些隔間氫氣濃度變化與水蒸氣產生量相關。對于PXS隔間和CVS隔間，沒有氫氣源項直接釋放到這些隔間中，其總體的氫氣濃度較低，最終其份額都達到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖1 SG隔間氫氣濃度Fig.1 The hydrogen concentration in the SG

圖2 CMT隔間氫氣濃度Fig.2 The hydrogen concentration in the CMT

圖3 堆腔隔間氫氣濃度Fig.3 The hydrogen concentration in the Cavity

圖4 IRWST隔間氫氣濃度Fig.4 The hydrogen concentration in the IRWST

圖5 安全殼上部隔間氫氣濃度Fig.5 The hydrogen concentration in the Upper

圖6 PXS-A隔間氫氣濃度Fig.6 The hydrogen concentration in the PXS-A

圖7 PXS-B隔間氫氣濃度Fig.7 The hydrogen concentration in the PXS-B

圖8 CVS隔間氫氣濃度Fig.8 The hydrogen concentration in the CVS

由上分析可知，在發(fā)生大破口事故時，總體上安全殼內氫氣濃度較高的主要為破損SG隔間，IRWST隔間和上部隔間。在IRWST隔間，如果點火器有效，由于持續(xù)的大量的氫氣釋放，在IRWST排放口處可假設出現擴散火焰。如果點火器無效，則需評價氫氣爆炸的可能性。

對于ADS第4級閥門的低壓氫氣釋放的工況，SG隔間的擴散火焰將不會因缺氧而熄滅。鋼安全殼由擴散火焰所在的SG隔間的混凝土墻體所隔離。因此，SG隔間內點火器處的擴散火焰不會危及安全殼的完整性。如果點火器無效，隔間內較好的混合將緩解低壓釋放情況下的爆炸產生的威脅。

由于PXS和CVS系統(tǒng)隔間到CMT隔間的排氣口設置在遠離安全殼殼體和安全殼貫穿件的位置,這些隔間靠近安全殼的入口門是加蓋并處于安全關閉狀態(tài)，使它們不會因隔間內的管線破損而打開。因此，由這些隔間釋放到CMT隔間的氫氣將不會危及安全殼的完整性。

3 CFD程序計算分析

CFD模擬燃燒過程的成功主要依賴于用于描述關鍵物理過程的數值方法和物理模型的準確性，包括流動擾動、混合、傳熱、以及模擬復雜的湍流燃燒現象的擾動和燃燒模型。

由集總參數程序計算得到的氫氣源項作為計算輸入的初始條件。同樣選取3BR-1事故序列，破口位置在冷管段上，從破口處流出的為水蒸汽和氫氣的混合物，其中假定氫氣與水蒸氣比例為1∶9，破口處混合物的質量流速為10kg/s，安全殼內壓力為常壓，溫度為300K，研究中事故持續(xù)時間為200s。

圖9分別給出了不同時刻有無PCS冷卻條件下安全殼內氫氣濃度分布。隨著時間的發(fā)展，氫氣從破口處噴入SG隔間后，沿著SG與其隔間之間的間隙向上流動，匯聚到破口正上方的安全殼頂部位置。由于安全殼頂蓋的曲面結構，決定了氫氣沿著安全殼頂蓋的流動方式。氫氣在安全殼頂部聚集后，沿安全殼頂蓋向下流動。氫氣沿安全殼穹頂壁面的流動方式，導致安全殼上部空間的中間區(qū)域氫氣濃度較低。在破口所在的SG隔間內，由于破口處氫氣噴放的方向，靠外側的氫氣濃度明顯高于內側的氫氣濃度。由圖可知，安全殼外是否有冷卻對氫氣分布影響較小。

10s時安全殼內氫氣分布

20s時安全殼內氫氣分布

100s時安全殼內氫氣分布

200s時安全殼內氫氣分布

4 結論

本文采用集總參數程序計算分析氫氣產生源項、氫氣產生速率和安全殼內氫氣濃度分布，評價安全殼隔間內的氫氣風險。通過分析可知，在發(fā)生大破口事故時，安全殼內氫氣濃度較高的主要為破損SG隔間，IRWST隔間和上部隔間，并且存在氫氣爆燃的風險，需要設置消氫系統(tǒng)來降低隔間內的氫氣濃度。對于PXS隔間和CVS隔間，沒有氫氣源項直接釋放到這些隔間中，氫氣濃度較低。

采用計算流體力學程序，進一步對CAP1400安全殼內重要隔間的氫氣分布進行三維分析，研究安全殼內的氫氣分布及濃度變化。安全殼有無冷卻條件對氫氣分布影響很小，但對安全殼內的溫度分布和壓力分布有較大影響。CFD程序在計算氣體分布方面要比集總參數程序更加精確和詳細，通過更精細地模擬安全殼內的氫氣行為，可以為集總參數程序的計算結果提供補充，為氫氣控制系統(tǒng)的設計優(yōu)化和嚴重事故氫氣風險管理等提供有力的支持。

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