丁 超，楊志義，周志偉，宋明強(qiáng)，柴國旱,*，仇蘇辰，種毅敏

(1.清華大學(xué) 核能與新能源技術(shù)研究院，北京 100084；2.生態(tài)環(huán)境部 核與輻射安全中心，北京 102488)

福島核事故后，核工業(yè)界加強(qiáng)了對核電廠嚴(yán)重事故下氫氣風(fēng)險(xiǎn)的監(jiān)管與研究，如IAEA TECDOC-1791[1]明確將氫氣燃爆列入“實(shí)際消除”的事故工況，國內(nèi)也對氫氣風(fēng)險(xiǎn)的控制提出了更加明確的要求[2-3]。氫氣點(diǎn)火器、非能動(dòng)氫氣復(fù)合器(PAR)是目前壓水堆核電廠兩種主要的消氫措施。根據(jù)OECD/NEA報(bào)告[4]，國際上各國核能監(jiān)管機(jī)構(gòu)正在開展各種消氫策略的優(yōu)缺點(diǎn)比較研究，分析認(rèn)為安全殼的整體設(shè)計(jì)是決定氫氣控制策略的主要決定因素。Dehjourian等[5]使用MELCOR程序計(jì)算分析了使用氫氣復(fù)合器的核電廠事故條件下的氫氣分布及消氫效率問題，指出應(yīng)控制安全殼內(nèi)的氫氣大量燃燒，避免燃燒產(chǎn)生的壓力瞬態(tài)威脅安全殼的完整性。Huang等[6]使用MELCOR程序計(jì)算分析了CPR1000核電廠在停堆換料期間的氫氣風(fēng)險(xiǎn)控制情況，提出通過增加移動(dòng)式點(diǎn)火器來控制事故初期氫氣快速產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。黃興冠等[7]使用GASFLOW程序?qū)Ρ攘它c(diǎn)火器和氫氣復(fù)合器兩種消氫策略的消氫效果，認(rèn)為合適布置的點(diǎn)火器能在不引起火焰加速和燃爆轉(zhuǎn)換的條件下，消除大量氫氣。肖建軍等[8]計(jì)算模擬了3種不同氫氣控制策略的消氫效率與安全特性，包括僅安裝點(diǎn)火器、僅安裝復(fù)合器和復(fù)合器聯(lián)合點(diǎn)火器。研究表明，各種消氫策略均有明顯的優(yōu)缺點(diǎn)，核電廠應(yīng)根據(jù)自身設(shè)計(jì)情況選擇最佳緩解方案。目前這些計(jì)算分析研究僅片面地以事故后的氫氣濃度來評價(jià)消氫策略的安全特性，并未關(guān)注事故進(jìn)程中安全殼局部位置的可燃性問題。

本文基于嚴(yán)重事故條件下氫氣風(fēng)險(xiǎn)的評價(jià)判據(jù)，對先進(jìn)壓水堆氫氣控制策略進(jìn)行比較分析研究。通過使用三維CFD程序數(shù)值計(jì)算，對典型嚴(yán)重事故工況下安全殼蒸汽發(fā)生器隔間內(nèi)的氫氣風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行模擬分析，并對蒸汽惰化條件下氫氣的可燃性進(jìn)行詳細(xì)研究。

1 主要?dú)錃饪刂撇呗栽O(shè)計(jì)與分析

三哩島事故后，美國詳細(xì)研究與驗(yàn)證了氫氣點(diǎn)火器技術(shù)，Mark Ⅲ BWR、美國壓水堆、芬蘭VVER-440(冰冷凝器安全殼)均采用點(diǎn)火器技術(shù)；而德國、法國、加拿大致力于開發(fā)非能動(dòng)消氫措施(PAR)[4]。全球核電機(jī)組主要采用這兩種氫氣控制策略，也有若干核電廠采用聯(lián)合消氫策略，其相關(guān)特點(diǎn)以及在嚴(yán)重事故管理中的考慮分析如下。

1.1 氫氣點(diǎn)火器策略

氫氣點(diǎn)火器策略的主要原理是在燃燒限值附近點(diǎn)燃?xì)錃?，以防止破壞性的氫氣燃燒。氫氣點(diǎn)火器的消氫效率高，與PAR相比能更快地消除快速釋放的氫氣，因此常布置在預(yù)期可能的破口附近。但點(diǎn)火器的劣勢在于它需遠(yuǎn)離安全重要相關(guān)系統(tǒng)設(shè)備，并且需要外部供電，屬于能動(dòng)設(shè)備。點(diǎn)火器的類型主要有兩種：預(yù)熱塞型、火花型。預(yù)熱塞型點(diǎn)火器需持續(xù)供電，火花型點(diǎn)火器可由蓄電池供電。國內(nèi)核電廠使用的點(diǎn)火器主要為預(yù)熱塞型點(diǎn)火器。

點(diǎn)火器在高蒸汽濃度、低氧氣濃度的惰化環(huán)境下，可能無法點(diǎn)燃?xì)錃猓@也是點(diǎn)火器的主要缺點(diǎn)之一。

1.2 氫氣復(fù)合器策略

氫氣復(fù)合器策略的主要原理是利用鉑和(或)鈀合金催化物使氫氣發(fā)生氧化反應(yīng)，通常的反應(yīng)條件要求較低，在較低溫度以及更大的氫氣/氧氣濃度范圍內(nèi)，甚至是蒸汽惰化的環(huán)境下，均可發(fā)生此催化反應(yīng)。

按照催化劑形狀，氫氣復(fù)合器可分為平板式和球式復(fù)合器。按照工作原理，氫氣復(fù)合器可分為：1) 熱復(fù)合器，設(shè)計(jì)功能為控制DBA條件下氫氣風(fēng)險(xiǎn)，多數(shù)通過氣泵將安全殼內(nèi)氣體抽出，流過受熱的催化劑進(jìn)行反應(yīng)，復(fù)合器在安全殼外運(yùn)行；2) PAR，利用催化氧化反應(yīng)的放熱原理產(chǎn)生自然對流推力，使氫氣自動(dòng)流過催化劑表面進(jìn)行復(fù)合反應(yīng)。PAR在安全殼內(nèi)布置，且可自動(dòng)啟動(dòng)，無需外部電源和人員操作。

因PAR的設(shè)計(jì)與目前的核電廠關(guān)鍵設(shè)備非能動(dòng)設(shè)計(jì)理念一致，PAR成為當(dāng)前全球大多數(shù)國家核電廠氫氣管理策略的第一選擇。然而，PAR由于消氫速率緩慢，無法消除快速釋放初期的大量氫氣，尤其是破口位置附近的高濃度氫氣風(fēng)險(xiǎn)，是嚴(yán)重事故緩解和管理的關(guān)鍵問題。

1.3 聯(lián)合消氫策略

在特定的條件下，聯(lián)合使用點(diǎn)火器和PAR能互相輔助、彌補(bǔ)設(shè)計(jì)上的優(yōu)缺點(diǎn)，更好地控制氫氣風(fēng)險(xiǎn)。采用聯(lián)合點(diǎn)火器和PAR消氫策略的堆型主要有AP1000型核電廠(包括CAP1400)、CANDU6型核電廠(包括秦山三期)、芬蘭Loviisa VVER-440機(jī)組、韓國APR1400(表1)。

表1 聯(lián)合使用復(fù)合器與點(diǎn)火器消氫策略的堆型/機(jī)組

1.4 嚴(yán)重事故管理中的消氫策略分析

根據(jù)OECD/NEA報(bào)告[4,9]，當(dāng)嚴(yán)重事故預(yù)防措施失效、氫氣釋放進(jìn)入安全殼后，嚴(yán)重事故管理利用氫氣控制系統(tǒng)進(jìn)行以下3個(gè)層次的緩解策略。

第1層：降低氫氣聚集的可能性，保持氫氣濃度在可燃濃度以下。

第2層：如果達(dá)到了可燃濃度限值，使達(dá)到可燃濃度的氣體體積最小化。

第3層：防止安全殼中的氫氣風(fēng)險(xiǎn)水平進(jìn)一步地由燃燒向爆炸發(fā)展。

根據(jù)復(fù)合器和點(diǎn)火器各自的設(shè)計(jì)原理，對于采用復(fù)合器消氫策略的核電廠，在設(shè)計(jì)上傾向于在氫氣快速釋放的時(shí)刻，使安全殼處于蒸汽惰化環(huán)境，快速產(chǎn)生的氫氣將不容易發(fā)生大范圍燃燒或火焰加速等現(xiàn)象。而對于采用點(diǎn)火器消氫策略的核電廠，在設(shè)計(jì)上傾向于在氫氣釋放的初始時(shí)刻起，盡早點(diǎn)燃?xì)錃?，以控制氫氣燃燒的范圍，保證安全殼的完整性，因此在設(shè)計(jì)上無需營造蒸汽惰化環(huán)境。對于采用聯(lián)合消氫策略的核電廠，尤其需關(guān)注在蒸汽惰化條件消失后局部的可燃性問題，避免由于點(diǎn)火器運(yùn)行引起氫氣大范圍燃燒，威脅安全殼完整性。

2 建模及計(jì)算

先進(jìn)壓水堆核電廠的安全殼自由體積較CPR1000安全殼的擴(kuò)大了很多，從4萬多m3擴(kuò)大至7～8萬m3。增大后的安全殼能承受更多的質(zhì)能釋放，安全殼超壓失效的時(shí)間有所延長。但安全殼下部區(qū)域由于提高冗余性考慮的安全系統(tǒng)數(shù)量增加，以及構(gòu)筑物及設(shè)備的抗震標(biāo)準(zhǔn)升高，主設(shè)備隔間內(nèi)的氫氣流通空間并沒有增加，氫氣風(fēng)險(xiǎn)依然較高。為能捕捉隔間內(nèi)詳細(xì)的氫氣行為，根據(jù)氫氣風(fēng)險(xiǎn)的重要程度，選取蒸汽發(fā)生器隔間進(jìn)行建模計(jì)算。

為確認(rèn)聯(lián)合消氫策略在先進(jìn)壓水堆設(shè)計(jì)上的適用性，考慮選取最有利于氫氣燃燒的嚴(yán)重事故主導(dǎo)序列進(jìn)行計(jì)算分析。通過比較氫氣釋放的起始時(shí)刻及氫氣的釋放速率，選取雙端剪切大破口失水事故疊加能動(dòng)安注失效為計(jì)算包絡(luò)序列，大破口發(fā)生在蒸汽發(fā)生器隔間內(nèi)。主要建模參數(shù)及初始與邊界條件列于表2。根據(jù)典型1 000 MW壓水堆雙端剪切大破口事故的計(jì)算結(jié)果，計(jì)算使用的氫氣源項(xiàng)如圖1所示。

2.1 網(wǎng)格模型

蒸汽發(fā)生器隔間的計(jì)算尺寸為2 296 m3，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，總數(shù)為25 668，平均每個(gè)網(wǎng)格單元的體積為0.09 m3，計(jì)算網(wǎng)格的三維圖像如圖2所示。同時(shí)，在設(shè)置網(wǎng)格尺寸時(shí)，徑向與高度方向上盡量使網(wǎng)格劃分與墻體或設(shè)備的位置相吻合，以更好地模擬隔間內(nèi)的幾何結(jié)構(gòu)，降低計(jì)算偏差及用戶效應(yīng)。并且，對蒸汽發(fā)生器隔間的建模采用了局部加密處理，主要有兩方面考慮：1) 將安全殼整體模型中約1 m3的平均單元網(wǎng)格尺寸，精細(xì)劃分為0.09 m3的平均網(wǎng)格尺寸，模型精度細(xì)化了10倍以上，能更好地模擬蒸汽發(fā)生器隔間內(nèi)的局部氫氣行為；2) 采用程序中GEOMODEL幾何建模模塊，通過在主圓柱坐標(biāo)系中建立子笛卡爾坐標(biāo)系，以圓形截面幾何結(jié)構(gòu)來精細(xì)化模擬蒸汽發(fā)生器(在原先安全殼整體模型中，以梯形截面幾何結(jié)構(gòu)模擬蒸汽發(fā)生器)，提高了建模精度。

表2 主要建模參數(shù)及初始與邊界條件

圖1 雙端剪切大破口嚴(yán)重事故氫氣源項(xiàng)

圖2 蒸汽發(fā)生器隔間網(wǎng)格示意圖

2.2 湍流計(jì)算模型

k-ε模型是工程上公認(rèn)的計(jì)算精度與代價(jià)比最經(jīng)濟(jì)的湍流計(jì)算模型，它是建立在湍流動(dòng)能k及其耗散率ε的輸運(yùn)方程基礎(chǔ)上的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。k的輸運(yùn)方程是精確的方程，而ε的方程是通過一定的數(shù)學(xué)物理推導(dǎo)得到，與k方程具有一定的相似性。k、ε的輸運(yùn)方程為：

Gk+Gb-ρε-YM+Sk

(1)

(2)

其中：σk、σε為湍流普朗特?cái)?shù)；μ為流體黏性系數(shù)；μt為湍流黏性系數(shù)；YM為湍流擴(kuò)張?jiān)错?xiàng)；Sk、Sε為k、ε因子相關(guān)源項(xiàng)；Gk為速度梯度湍流項(xiàng)；Gb為浮力湍流項(xiàng)。式中常數(shù)取值為：C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=0.09，σk=1.0，σε=1.3。

2.3 復(fù)合器計(jì)算模型

根據(jù)GASFLOW用戶手冊，計(jì)算采用的復(fù)合器計(jì)算模型如式(3)～(5)，計(jì)算模型考慮了乏氧環(huán)境條件對消氫效率的影響。

(3)

Cref=100min(XH2,2XO2,0.08)

(4)

(5)

2.4 可燃性準(zhǔn)則

嚴(yán)重事故中，當(dāng)氫氣快速噴放時(shí)，由于蒸汽發(fā)生器隔間內(nèi)的蒸汽濃度較大，氣體環(huán)境可能處于惰化條件，氫氣點(diǎn)火器可能無法點(diǎn)燃?xì)錃?。利用Shaprio圖可計(jì)算考慮氫氣、氧氣、水蒸氣三者濃度的可燃限值邊界。根據(jù)EPRI報(bào)告[10]，可燃限值曲線可由式(6)得到，相應(yīng)的曲線如圖3所示。定義可燃性判定因子C，當(dāng)C≥0時(shí)，表示氣體處于可燃條件內(nèi)；當(dāng)C<0時(shí)，表示氣體不可燃[11]。

φstlim=1-φH2-0.296exp(-0.091 45φH2)-

12.16exp(-63.655φH2)

(6)

C=φstlim(φH2)-φstlc

(7)

其中：φH2為氫氣濃度的體積分?jǐn)?shù)；φstlim(φH2)為蒸汽濃度體積分?jǐn)?shù)的判定函數(shù)；φstlc為局部位置處的蒸汽濃度體積分?jǐn)?shù)。

圖3 燃燒限值曲線

2.5 火焰加速準(zhǔn)則

在氫氣濃度達(dá)到可燃限值以上的情況下，混合充分的可燃?xì)怏w點(diǎn)燃后，首先是慢速準(zhǔn)層流狀態(tài)燃燒，火焰將向氫氣濃度較高和水蒸氣濃度較低的區(qū)域傳播。燃燒產(chǎn)生的氣體混合物受熱發(fā)生膨脹，在燃燒熱和化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物的共同影響下，空間內(nèi)氣體將出現(xiàn)快速的湍流流動(dòng)，使火焰從慢速層流狀態(tài)向快速湍流燃燒轉(zhuǎn)變，即火焰加速過程。燃燒過程中的氣體膨脹現(xiàn)象是導(dǎo)致火焰加速燃燒的重要因素，因此，判斷氫氣燃燒狀態(tài)可引入膨脹因子σ來表示可燃混合物中產(chǎn)物與反應(yīng)物的比值。令σindex用于評估火焰發(fā)生加速的可能性，其計(jì)算公式為：

(8)

其中：XH2O為一定空間內(nèi)H2O的體積分?jǐn)?shù)；σ(XH2,XH2O,XO2,T)為空間內(nèi)混合氣體膨脹因子；σcritical(XH2,XO2,T)為臨界膨脹因子。若σindex≥1，則發(fā)生火焰加速現(xiàn)象的可能性較大，應(yīng)考慮氣體混合物空間發(fā)生從爆燃向爆炸轉(zhuǎn)變的可能性。

2.6 燃爆轉(zhuǎn)變準(zhǔn)則

λ準(zhǔn)則用于判斷可燃?xì)怏w發(fā)生爆炸的可能性?？扇?xì)怏w云團(tuán)特征尺寸D(單位為m)與氣體混合物爆炸單元寬度λ(單位為m)滿足以下關(guān)系：

R=D/7λ

(9)

當(dāng)準(zhǔn)則數(shù)R≥1時(shí)，說明計(jì)算區(qū)域內(nèi)可能發(fā)生燃燒向燃爆的轉(zhuǎn)變(DDT)。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 隔間內(nèi)氫氣分布結(jié)果分析

選取氫氣噴放階段某時(shí)刻的計(jì)算結(jié)果，蒸汽發(fā)生器隔間氫氣濃度分布云圖如圖4所示。從圖4可發(fā)現(xiàn)，在噴放階段由于噴放初速度和氫氣浮力的共同作用，氫氣云團(tuán)將不斷沿著蒸汽發(fā)生器表面，從蒸汽發(fā)生器隔間上部出口，向安全殼大空間擴(kuò)散。蒸汽發(fā)生器隔間內(nèi)，由于蒸汽發(fā)生器上部和下部直徑不同，氫氣會(huì)在流道縮小前(即蒸汽發(fā)生器直徑變化點(diǎn)的下部位置)產(chǎn)生一定程度的聚集。因此減少氫氣流通通道上的障礙物，有利于消除氫氣局部聚集的可能性。但安全殼內(nèi)的設(shè)備繁多，可能會(huì)阻礙氫氣的擴(kuò)散。

3.2 隔間內(nèi)氫氣可燃性評估

圖5示出蒸汽發(fā)生器隔間內(nèi)可燃性因子C(C≥0)的云圖。從圖5可得到，蒸汽發(fā)生器隔間內(nèi)上部空間會(huì)形成一定空間的可燃區(qū)域，點(diǎn)火器在可燃區(qū)域內(nèi)能高效率地消除氫氣。為驗(yàn)證點(diǎn)火器消氫效果，在破口源項(xiàng)上方附近設(shè)置點(diǎn)火器。圖6為蒸汽發(fā)生器隔間內(nèi)燃燒限值面(C=0)云圖。從圖6可得，蒸汽發(fā)生器隔間在氫氣噴放階段，有較大區(qū)域處于可燃限值面(C=0)內(nèi)，未被完全蒸汽惰化，氫氣點(diǎn)火器可點(diǎn)燃?xì)錃?。氫氣點(diǎn)火器的消氫效率較高，在點(diǎn)火器工作下，氫氣被大量消耗，可燃區(qū)域也大幅減小。

圖4 蒸汽發(fā)生器隔間氫氣濃度分布云圖

圖5 蒸汽發(fā)生器隔間內(nèi)可燃性因子C(C≥0)的云圖

圖6 蒸汽發(fā)生器隔間內(nèi)燃燒限值面(C=0)云圖

3.3 隔間內(nèi)燃爆風(fēng)險(xiǎn)的評估

為明確嚴(yán)重事故序列中蒸汽發(fā)生器隔間的氫氣燃爆風(fēng)險(xiǎn)，數(shù)值模擬計(jì)算使用σ準(zhǔn)則和λ準(zhǔn)則判斷隔間內(nèi)氫氣是否發(fā)生火焰加速和DDT。圖7示出蒸汽發(fā)生器內(nèi)火焰加速準(zhǔn)則因子σindex隨時(shí)間的變化。圖8示出蒸汽發(fā)生器隔間內(nèi)云團(tuán)的特征尺度D與7倍爆炸單元寬度λ的比值R隨時(shí)間的變化。

圖7 蒸汽發(fā)生器內(nèi)最大氫氣σ隨時(shí)間的變化

由圖7、8可知，根據(jù)σ準(zhǔn)則和λ準(zhǔn)則，計(jì)算結(jié)果顯示破口釋放階段σindex>1，說明蒸汽發(fā)生器隔間內(nèi)可能發(fā)生火焰加速現(xiàn)象。在噴放的初期，發(fā)生火焰加速的可能性較大。另外，由于蒸汽發(fā)生器隔間的尺寸有限，隔間內(nèi)云團(tuán)混合物的尺寸不足以形成燃爆轉(zhuǎn)變的體積，在破口釋放階段隔間內(nèi)燃爆轉(zhuǎn)變準(zhǔn)則數(shù)R<1，因此蒸汽發(fā)生器隔間內(nèi)不會(huì)發(fā)生燃爆轉(zhuǎn)變，發(fā)生爆炸的可能性極小。

圖8 蒸汽發(fā)生器隔間內(nèi)R隨時(shí)間的變化

4 結(jié)論

本文首先對各種消氫措施的特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)研究和對比，然后，使用三維CFD程序模擬計(jì)算典型嚴(yán)重事故工況下蒸汽發(fā)生器隔間的氫氣行為及風(fēng)險(xiǎn)，計(jì)算表明雖然噴放源項(xiàng)中有大量水蒸氣，蒸汽發(fā)生器隔間中仍有較大區(qū)域處于可燃限值內(nèi)，局部位置可能發(fā)生火焰加速，隔間內(nèi)不會(huì)發(fā)生燃爆轉(zhuǎn)變。通過模擬分析，針對本文所模擬的安全殼局部隔間結(jié)構(gòu)和事故工況，得到如下結(jié)論：

1) 蒸汽發(fā)生器隔間內(nèi)不會(huì)發(fā)生通常意義的完全蒸汽惰化效應(yīng)，合理布置的點(diǎn)火器能點(diǎn)燃并消除氫氣；

2) 結(jié)合本文分析的消氫策略優(yōu)缺點(diǎn)，可認(rèn)為點(diǎn)火器+復(fù)合器聯(lián)合消氫措施能進(jìn)行優(yōu)勢互補(bǔ)，有效、穩(wěn)定地消除氫氣。

本研究分析僅針對一定的安全殼布置和局部隔間進(jìn)行了分析，更廣范圍內(nèi)的適用性仍待進(jìn)一步驗(yàn)證。但相關(guān)論證方法可用于工程研究，并為氫氣控制策略的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。