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)。

1 研究現(xiàn)狀

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。

2 試驗(yàn)裝置

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。

3 氫氣爆燃試驗(yàn)

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。

4 結(jié)果與分析

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。

5 結(jié)論

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。