姜韶堃，趙羅生，楊志義，詹惠安，陶志勇，趙 寧，丁 超,*

（1.中國船舶集團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)生嚴重事故后，由于鋯包殼與水反應、堆芯冷卻劑及水的輻照分解、噴淋及堆芯冷卻劑對金屬的腐蝕、金屬與水蒸氣高溫反應、碳化硼氧化、堆芯再淹沒、堆芯熔融物落入安全殼堆腔與混凝土相互作用等過程的影響或聯合影響，氫氣大量快速釋放，與安全殼內的空氣迅速混合。當氫氣累積到一定濃度時，形成易燃易爆氣體混合物。若安全殼內出現火花或電弧，將引發(fā)劇烈的氫氣爆燃或爆炸現象，從而對安全殼內設備產生巨大威脅。

為了應對氫氣爆燃或爆炸風險，在核電廠設計和建設中使用了許多氫氣風險緩解措施，比如，設置非能動氫復合器、移動式氫復合器以及氫點火器等消氫設備，以避免事故后安全殼內形成易燃易爆混合物。即便采取以上措施，氫氣爆燃或爆炸風險仍不可忽視。因此，對嚴重事故下氫氣爆燃現象的研究越來越受到人們的重視。研究中，氫氣爆燃過程中的設備是否能保持其功能成為人們關注的焦點。

1 研究現狀

迄今為止，國內外已有大量氫氣爆燃相關研究成果被陸續(xù)公開。20 世紀80 年代，Kumar［1］等采用CTF 裝置（直徑2.3 m 的球形容器）通過試驗研究了湍流對氫氣燃燒的影響，湍流通過兩臺攪混風扇形成。當氫濃度不超過7%時，湍流對燃燒起促進作用，燃燒時間大大縮短；而當氫濃度很大時，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院的試驗裝置HYKA A2 進行了氫氣預混燃燒試驗。試驗初始壓力為1.49 bar，溫度為90 ℃，蒸汽濃度為20%，氫氣濃度為12%，其余氣體為空氣。試驗通過攪混風扇將氣體混合均勻，點火器位于HYKA A2 試驗裝置中下部。試驗通過軸向和徑向溫度測量結果計算得到：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］等采用集總參數法對上述試驗過程進行了模擬計算。與上述試驗結果相比，集總參數法雖然有一定的誤差，但是基本再現了氫氣燃燒過程，可用于核電廠安全分析。

為了研究湍流和蒸汽對火焰加速、火焰減速和火焰淬火機理的影響，Bentaib［4］等采用ENACCEF 裝置實施了若干試驗（包括湍流和稀釋對火焰垂直傳播影響試驗），并結合模擬計算進行了對比。結果表明，大部分模擬計算可以很好地預測壓力變化。然而計算結果中，火焰速度最大值與試驗結果相比誤差很大，燃燒模型還有很大的優(yōu)化空間。

雖然關于氫氣爆燃過程機理的研究較多，但是針對氫氣爆燃過程中設備可用性的研究尚無報道。

本文通過在密閉壓力容器中實施氫氣爆燃，模擬核電廠嚴重事故下氫氣爆燃環(huán)境，并通過爆燃過程試驗容器內溫度分布測量結果確定待驗證試驗件最佳布置位置，以便于試驗件經歷嚴重事故環(huán)境考驗，測試其性能是否受氫氣爆燃過程影響。

2 試驗裝置

試驗采用中國船舶集團有限公司第七一八研究所2.2 m3試驗容器作為嚴重事故氫氣爆燃過程模擬容器。該容器為密閉承壓容器，內部由上至下布置4 層測溫熱電偶，筒體部位安裝壓力傳感器，以監(jiān)控容器內部溫度及壓力變化。圖1為試驗容器照片，圖2為試驗容器內溫度測點分布示意圖。

圖1 2.2 m3試驗容器Fig.1 2.2 m3 test chamber

圖2 溫度測點分布Fig.2 Distribution of temperature measuring points

定義試驗容器高度為H，溫度測點高度為h，在軸向上以無量綱因數y表示溫度測點的位置，y=h∕H，4 個測點位置分別為y=0.44、0.60、0.73和0.85，在徑向上每層溫度測點基本位于半徑中點位置。

3 氫氣爆燃試驗

試驗人員在特定的初始溫度和壓力狀態(tài)下，將氫氣輸入試驗容器，逐漸增加氫氣濃度；當氫氣濃度達到試驗要求時，通過試驗容器內的點火器將氫氣引燃，實現氫氣爆燃過程。爆燃過程中各溫度測點測量數據，通過數據采集系統(tǒng)實時記錄。

4 結果與分析

試驗過程中發(fā)現，當氫濃度小于4%時，氫氣無法點燃；當氫濃度大于5%時，并且水蒸氣含量較小時，氫氣可被點燃。圖3給出了典型的氫氣爆燃過程，y=0.85位置熱電偶所測溫度隨時間變化，與文獻報道的演化趨勢相同。氫氣點燃后，由于燃燒釋放熱量，試驗容器內氣體溫度瞬間升高，約4 s后達到最大值，隨后，溫度逐漸回落。

圖3 爆燃溫度隨時間變化Fig.3 Variation of deflagration temperature with time

圖4給出了y=0.85位置熱電偶所測爆燃過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，當氫氣濃度小于8%時，爆燃過程峰值溫度與氫氣濃度之間基本上為線性變化趨勢，當氫濃度大于8%后，爆燃過程峰值溫度隨氫氣濃度增加趨勢有所減緩。該結果為氫氣爆燃環(huán)境設備可用性試驗提供相應的數據支持。

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給出了爆燃過程峰值溫度隨軸向高度變化結果。4 個溫度測點測得的溫度結果比較接近，說明在該區(qū)域范圍內，氫氣燃燒較均勻，將待驗證設備布置在該范圍內可較好地接受氫氣爆燃環(huán)境可用性驗證。

5 結論

圖5 爆燃峰值溫度隨高度變化Fig.5 Variation of max temperature of deflagration with height

氫氣爆燃試驗采用2.2 m3試驗容器進行，試驗中得到的爆燃溫度隨時間變化趨勢與文獻報道一致：爆燃峰值溫度隨氫氣濃度增加而增大，當氫濃度大于8%時，爆燃峰值溫度增大趨勢變緩；試驗測定了爆燃過程峰值溫度在軸向高度范圍內的變化，所選區(qū)域適宜布置設備進行可用性試驗。試驗分析研究為氫氣爆燃環(huán)境設備可用性試驗的開展提供了相應的數據支撐。