姜韶堃,趙羅生,楊志義,詹惠安,陶志勇,趙 寧,丁 超,*
(1.中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七一八研究所,邯鄲 056027;2.生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心,北京 100082)
核電廠發(fā)生嚴(yán)重事故后,由于鋯包殼與水反應(yīng)、堆芯冷卻劑及水的輻照分解、噴淋及堆芯冷卻劑對(duì)金屬的腐蝕、金屬與水蒸氣高溫反應(yīng)、碳化硼氧化、堆芯再淹沒(méi)、堆芯熔融物落入安全殼堆腔與混凝土相互作用等過(guò)程的影響或聯(lián)合影響,氫氣大量快速釋放,與安全殼內(nèi)的空氣迅速混合。當(dāng)氫氣累積到一定濃度時(shí),形成易燃易爆氣體混合物。若安全殼內(nèi)出現(xiàn)火花或電弧,將引發(fā)劇烈的氫氣爆燃或爆炸現(xiàn)象,從而對(duì)安全殼內(nèi)設(shè)備產(chǎn)生巨大威脅。
為了應(yīng)對(duì)氫氣爆燃或爆炸風(fēng)險(xiǎn),在核電廠設(shè)計(jì)和建設(shè)中使用了許多氫氣風(fēng)險(xiǎn)緩解措施,比如,設(shè)置非能動(dòng)氫復(fù)合器、移動(dòng)式氫復(fù)合器以及氫點(diǎn)火器等消氫設(shè)備,以避免事故后安全殼內(nèi)形成易燃易爆混合物。即便采取以上措施,氫氣爆燃或爆炸風(fēng)險(xiǎn)仍不可忽視。因此,對(duì)嚴(yán)重事故下氫氣爆燃現(xiàn)象的研究越來(lái)越受到人們的重視。研究中,氫氣爆燃過(guò)程中的設(shè)備是否能保持其功能成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。
迄今為止,國(guó)內(nèi)外已有大量氫氣爆燃相關(guān)研究成果被陸續(xù)公開(kāi)。20 世紀(jì)80 年代,Kumar[1]等采用CTF 裝置(直徑2.3 m 的球形容器)通過(guò)試驗(yàn)研究了湍流對(duì)氫氣燃燒的影響,湍流通過(guò)兩臺(tái)攪混風(fēng)扇形成。當(dāng)氫濃度不超過(guò)7%時(shí),湍流對(duì)燃燒起促進(jìn)作用,燃燒時(shí)間大大縮短;而當(dāng)氫濃度很大時(shí),湍流所起的作用非常不明顯。
Kljenak[2]等采用位于卡爾斯魯厄理工學(xué)院的試驗(yàn)裝置HYKA A2 進(jìn)行了氫氣預(yù)混燃燒試驗(yàn)。試驗(yàn)初始?jí)毫?.49 bar,溫度為90 ℃,蒸汽濃度為20%,氫氣濃度為12%,其余氣體為空氣。試驗(yàn)通過(guò)攪混風(fēng)扇將氣體混合均勻,點(diǎn)火器位于HYKA A2 試驗(yàn)裝置中下部。試驗(yàn)通過(guò)軸向和徑向溫度測(cè)量結(jié)果計(jì)算得到:向上火焰?zhèn)鞑ニ俣葹閺较蚧鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣鹊?~4 倍。隨后,Kljenak[3]等采用集總參數(shù)法對(duì)上述試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行了模擬計(jì)算。與上述試驗(yàn)結(jié)果相比,集總參數(shù)法雖然有一定的誤差,但是基本再現(xiàn)了氫氣燃燒過(guò)程,可用于核電廠安全分析。
為了研究湍流和蒸汽對(duì)火焰加速、火焰減速和火焰淬火機(jī)理的影響,Bentaib[4]等采用ENACCEF 裝置實(shí)施了若干試驗(yàn)(包括湍流和稀釋對(duì)火焰垂直傳播影響試驗(yàn)),并結(jié)合模擬計(jì)算進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明,大部分模擬計(jì)算可以很好地預(yù)測(cè)壓力變化。然而計(jì)算結(jié)果中,火焰速度最大值與試驗(yàn)結(jié)果相比誤差很大,燃燒模型還有很大的優(yōu)化空間。
雖然關(guān)于氫氣爆燃過(guò)程機(jī)理的研究較多,但是針對(duì)氫氣爆燃過(guò)程中設(shè)備可用性的研究尚無(wú)報(bào)道。
本文通過(guò)在密閉壓力容器中實(shí)施氫氣爆燃,模擬核電廠嚴(yán)重事故下氫氣爆燃環(huán)境,并通過(guò)爆燃過(guò)程試驗(yàn)容器內(nèi)溫度分布測(cè)量結(jié)果確定待驗(yàn)證試驗(yàn)件最佳布置位置,以便于試驗(yàn)件經(jīng)歷嚴(yán)重事故環(huán)境考驗(yàn),測(cè)試其性能是否受氫氣爆燃過(guò)程影響。
試驗(yàn)采用中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七一八研究所2.2 m3試驗(yàn)容器作為嚴(yán)重事故氫氣爆燃過(guò)程模擬容器。該容器為密閉承壓容器,內(nèi)部由上至下布置4 層測(cè)溫?zé)犭娕?,筒體部位安裝壓力傳感器,以監(jiān)控容器內(nèi)部溫度及壓力變化。圖1為試驗(yàn)容器照片,圖2為試驗(yàn)容器內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)分布示意圖。
圖1 2.2 m3試驗(yàn)容器Fig.1 2.2 m3 test chamber
圖2 溫度測(cè)點(diǎn)分布Fig.2 Distribution of temperature measuring points
定義試驗(yàn)容器高度為H,溫度測(cè)點(diǎn)高度為h,在軸向上以無(wú)量綱因數(shù)y表示溫度測(cè)點(diǎn)的位置,y=h∕H,4 個(gè)測(cè)點(diǎn)位置分別為y=0.44、0.60、0.73和0.85,在徑向上每層溫度測(cè)點(diǎn)基本位于半徑中點(diǎn)位置。
試驗(yàn)人員在特定的初始溫度和壓力狀態(tài)下,將氫氣輸入試驗(yàn)容器,逐漸增加氫氣濃度;當(dāng)氫氣濃度達(dá)到試驗(yàn)要求時(shí),通過(guò)試驗(yàn)容器內(nèi)的點(diǎn)火器將氫氣引燃,實(shí)現(xiàn)氫氣爆燃過(guò)程。爆燃過(guò)程中各溫度測(cè)點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù),通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄。
試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn),當(dāng)氫濃度小于4%時(shí),氫氣無(wú)法點(diǎn)燃;當(dāng)氫濃度大于5%時(shí),并且水蒸氣含量較小時(shí),氫氣可被點(diǎn)燃。圖3給出了典型的氫氣爆燃過(guò)程,y=0.85位置熱電偶所測(cè)溫度隨時(shí)間變化,與文獻(xiàn)報(bào)道的演化趨勢(shì)相同。氫氣點(diǎn)燃后,由于燃燒釋放熱量,試驗(yàn)容器內(nèi)氣體溫度瞬間升高,約4 s后達(dá)到最大值,隨后,溫度逐漸回落。
圖3 爆燃溫度隨時(shí)間變化Fig.3 Variation of deflagration temperature with time
圖4給出了y=0.85位置熱電偶所測(cè)爆燃過(guò)程峰值溫度隨氫濃度的變化規(guī)律,溫度隨氫濃度增加而增加,當(dāng)氫氣濃度小于8%時(shí),爆燃過(guò)程峰值溫度與氫氣濃度之間基本上為線性變化趨勢(shì),當(dāng)氫濃度大于8%后,爆燃過(guò)程峰值溫度隨氫氣濃度增加趨勢(shì)有所減緩。該結(jié)果為氫氣爆燃環(huán)境設(shè)備可用性試驗(yàn)提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)支持。
圖4 爆燃峰值溫度隨氫濃度變化Fig.4 Variation of max temperature of deflagration with hydrogen concentration
圖5給出了爆燃過(guò)程峰值溫度隨軸向高度變化結(jié)果。4 個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)測(cè)得的溫度結(jié)果比較接近,說(shuō)明在該區(qū)域范圍內(nèi),氫氣燃燒較均勻,將待驗(yàn)證設(shè)備布置在該范圍內(nèi)可較好地接受氫氣爆燃環(huán)境可用性驗(yàn)證。
圖5 爆燃峰值溫度隨高度變化Fig.5 Variation of max temperature of deflagration with height
氫氣爆燃試驗(yàn)采用2.2 m3試驗(yàn)容器進(jìn)行,試驗(yàn)中得到的爆燃溫度隨時(shí)間變化趨勢(shì)與文獻(xiàn)報(bào)道一致:爆燃峰值溫度隨氫氣濃度增加而增大,當(dāng)氫濃度大于8%時(shí),爆燃峰值溫度增大趨勢(shì)變緩;試驗(yàn)測(cè)定了爆燃過(guò)程峰值溫度在軸向高度范圍內(nèi)的變化,所選區(qū)域適宜布置設(shè)備進(jìn)行可用性試驗(yàn)。試驗(yàn)分析研究為氫氣爆燃環(huán)境設(shè)備可用性試驗(yàn)的開(kāi)展提供了相應(yīng)的數(shù)據(jù)支撐。