丁 超，徐 朋，楊志義

（1.生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心，北京 100082；2.生態(tài)環(huán)境部華東核與輻射安全監(jiān)督站，上海 200233）

福島核事故后，國家核安全局對安全殼內(nèi)的氫氣濃度監(jiān)測提出了明確的法規(guī)要求，《福島核事故后核電廠改進行動通用技術要求（試行）》［1］規(guī)定:嚴重事故下氫氣監(jiān)測與控制系統(tǒng)應能全程監(jiān)測安全殼內(nèi)的氫氣濃度，并設置相應的報警裝置，以便確定核電廠狀態(tài)，為事故管理期間進行決策提供盡可能可靠的信息。國內(nèi)主流采用非能動的催化劑復合原理，對嚴重事故下安全殼內(nèi)氫氣濃度進行監(jiān)測。

1 嚴重事故氫氣測量系統(tǒng)定期試驗程序及原理

1.1 系統(tǒng)組成

每臺機組配置6塊嚴重事故氫表，分別布置在嚴重事故下可能發(fā)生氫氣聚集的潛在位置，詳見表1。氫氣濃度監(jiān)測系統(tǒng)重點關注安全殼內(nèi)穹頂?shù)臍錃鉂舛?。穹頂設置的2個氫氣傳感器分別在不同的系統(tǒng)機柜上進行信號處理。因此，一個機柜失電時，不影響另一個機柜對氫氣濃度信號的處理，做到系統(tǒng)獨立冗余。每個機組對應6 個催化式氫氣傳感器，兩套氫濃度監(jiān)測儀。兩套氫濃度監(jiān)測儀的供電與測量通道獨立，以保證充分的可靠性。裝置安全分級為NC級，抗震1類，質(zhì)保等級QA3。

1.2 測量與試驗原理

催化式氫氣傳感器采用氫氧復合原理，使氫氣在催化劑的作用下發(fā)生氫氧化合反應，反應式為:

該反應是一種放熱反應，空氣中的H2濃度越大，反應產(chǎn)生的熱量越多，催化反應的溫度越高。催化式氫氣傳感器通過測量催化反應的溫升直接表征氫氣濃度。溫度測量系統(tǒng)通過K型鎧裝熱電偶提供穩(wěn)定、可靠的一次測量信號，由引線遠傳到安全殼外的測量柜中，完成氫氣濃度換算，得到氫氣濃度信號。

1.3 定期試驗程序

每個大修周期都進行一次定期試驗檢測，以確定功能的完好。定期試驗需人為地形成氣體流通的測量環(huán)境，通過標準氣鋼瓶為催化式氫氣傳感器配氣進行檢測。

試驗區(qū)域分為兩部分:A區(qū)為R廠房安全殼內(nèi)氫表位置；B區(qū)為電氣L廠房機柜位置，如圖1 和圖2 所示。試驗流程如圖3 所示。試驗時，標準濃度氫氣通過進氣裝置以一定的流速流進氫表傳感器，從而人為地形成一個自然擴散的測量環(huán)境。檢測人員通過對比標準氫氣濃度與處理機柜上顯示的濃度對氫濃度傳感器進行定期現(xiàn)場試驗。

圖1 安全殼內(nèi)氫表位置Fig.1 Location of hydrogen monitor in containment

圖2 電氣廠房機柜位置Fig.2 Location of cabinet in electric building

圖3 氫濃度監(jiān)測儀定期試驗流程圖Fig.3 Flow chart of periodic test of hydrogen concentration monitors

2 現(xiàn)場監(jiān)督及問題分析

現(xiàn)場監(jiān)督員根據(jù)大修前的選點計劃，對安全殼氫濃度監(jiān)測儀校驗定期試驗進行現(xiàn)場監(jiān)督?，F(xiàn)場監(jiān)督發(fā)現(xiàn)，在機組第二次大修期間，出現(xiàn)了嚴重事故氫表未通過試驗驗收準則而被判定為需要更換的情況?，F(xiàn)場監(jiān)督員組織試驗負責人員、核安全工程師根據(jù)試驗程序與相關設計資料、廠家文件，對試驗的過程與問題進行了深入討論與研究。

監(jiān)督發(fā)現(xiàn)，根據(jù)《安全殼內(nèi)氫氣濃度監(jiān)測儀技術規(guī)格書》的要求，嚴重事故氫表的響應時間應為1 min（濃度為90%時），見表2。但是，在定期試驗程序中沒有任何項目對氫表的響應時間作校驗。

表2 嚴重事故氫氣監(jiān)測儀主要設計指標Table 2 Main design parameter of hydrogen monitor for severe accident

在試驗中，標準濃度氫氣長時間被通入判定為不可用的氫表，但是氫表傳感器沒有發(fā)生相應的催化反應，機柜側(cè)沒有相應濃度指數(shù)。由于嚴重事故氫表的工作原理與非能動氫氣復合器相同，根據(jù)氫氣復合器國內(nèi)外的運行經(jīng)驗反饋，氫表在運行及大修期間的可靠性必須有技術手段保證。

2.1 國內(nèi)核電廠經(jīng)驗反饋

福島核事故后，國內(nèi)所有壓水堆核電廠都安裝配置了非能動氫氣復合器。根據(jù)核電廠內(nèi)部經(jīng)驗反饋，嶺澳核電廠、三門核電廠都出現(xiàn)過由于大修與調(diào)試期間裝有催化劑的復合器未做任何的遮蓋防護，安全殼內(nèi)的灰塵或其他有毒雜質(zhì)覆蓋催化劑表面，導致大比例的氫氣復合器未能通過性能試驗的驗收準則而被判定為功能失效的情況。目前，已改進核電廠大修期間非能動氫氣復合器的保護程序。

2.2 國際監(jiān)管組織同行評估

世界經(jīng)合組織/核能署（OECD/NEA）組織美國、法國、英國、俄羅斯等國核電監(jiān)管組織對核電廠技術問題進行交流與評價，形成多國設計評價機制（Multinational Design Evaluation Programme，MDEP）。在該機制下，國際核電監(jiān)管同行對于大修期間非能動氫氣復合器的防護問題進行了多次討論評估，細化了氫復合器的保護程序，明確了復合器恢復時間管理［2］。

2.3 國內(nèi)外相關試驗驗證

此外，對于氫氧復合反應催化劑在嚴重事故下的可靠性問題，國外IRSN 的H2PAR 裝置、法國CEA 的KALI 臺架、美國SNL 的Surtsey 臺架、歐盟THAI+臺架等，以及國內(nèi)中國船舶718研究所、核動力院等單位都做過針對非能動氫氣復合器在嚴重事故下可靠性的試驗，部分試驗結(jié)果證明了雜質(zhì)等因素會對催化劑消氫作用的啟動時間產(chǎn)生影響［3,4］。

3 嚴重事故氫氣測量系統(tǒng)的設計要求

3.1 系統(tǒng)組成與設計標準

嚴重事故氫表獨立于原先應對設計基準事故的氫氣測量系統(tǒng)，采用安全殼內(nèi)直接測量的方式，設備的主要設計參數(shù)見表2。設計指標中對于氫表響應時間有明確要求，即1 min內(nèi)，測量值應達到氫濃度量程的90%。

3.2 在嚴重事故管理中的作用

根據(jù)核安全導則《核動力廠反應堆安全殼系統(tǒng)的設計》（HAD 102/06—2010）［5］的要求，為了跟蹤嚴重事故的演變過程，反應堆安全殼系統(tǒng)應設置儀表測量可燃氣體的濃度，以便評價快速燃爆或爆燃的可能性。因此，反應堆安全殼系統(tǒng)的設計應結(jié)合嚴重事故管理導則，確定氫氣測量系統(tǒng)的功能與要求。

在嚴重事故管理導則中，氫氣的控制與監(jiān)測是重要的組成部分，涉及的導則包括《嚴重事故導則SAG-7:降低安全殼內(nèi)氫氣濃度》《嚴重威脅導則SCG-3:控制氫氣可燃性》《計算輔助CA-3:安全殼內(nèi)氫氣可燃性判斷》《計算輔助CA-7:安全殼降壓時氫氣風險評價》。

氫氣監(jiān)測系統(tǒng)作為追蹤事故進程和安全殼內(nèi)狀態(tài)與風險的具體手段，為主控室和技術支持中心提供更精確、現(xiàn)實的氫氣數(shù)據(jù)。例如，我們可以根據(jù)安全殼降壓時氫氣風險評價輔助圖（如圖4 所示），控制安全殼內(nèi)噴淋的開啟時間［6,7］。因此，嚴重事故氫氣監(jiān)測儀設計功能的驗證與維護必須得到保證。

圖4 安全殼降壓時氫氣風險評價輔助圖Fig.4 Auxiliary graph for hydrogen risk assessment as containme nt depressurization

4 核安全監(jiān)管要點

針對以上核安全監(jiān)督發(fā)現(xiàn)的問題，設計單位給出了解釋說明與整改方案。首先，在出廠驗收中，嚴重事故氫表已按照技術規(guī)格書的要求進行過對傳感器響應時間的校驗試驗，并且嚴重事故氫表經(jīng)過嚴重事故環(huán)境試驗鑒定，滿足嚴重事故設備可用性的設計要求。此外，設計單位督促供貨商在運行維護手冊中增加對氫表傳感器的吹掃維護內(nèi)容，盡可能避免傳感器催化劑受灰塵等雜質(zhì)污染。

根據(jù)以上問題分析可知:安全殼氫濃度檢測儀在嚴重事故下的響應時間是衡量其功能有效性的重要指標，須采取有效措施予以維護和定期試驗驗證。依據(jù)相關法規(guī)與導則要求，核安全監(jiān)管主要關注重點有:（1）嚴重事故氫表響應時間的定期試驗驗證情況，或以其他方式、手段驗證其響應時間的情況，保證在運行周期內(nèi)功能滿足設計要求；（2）嚴重事故氫表更換時間的合理性分析，應根據(jù)嚴重事故環(huán)境鑒定及出廠響應時間驗證，確定嚴重事故氫表的更換周期，結(jié)合現(xiàn)實情況予以分析說明；（3）嚴重事故氫表為福島核事故后的改進措施，應進一步重視其在運行維護中的經(jīng)驗反饋，積累可靠性數(shù)據(jù)，為設計管理提供依據(jù)及支撐。

5 結(jié)論

（1）嚴重事故氫濃度監(jiān)測儀采用催化劑氫氧復合原理在安全殼內(nèi)直接測量氫氣濃度，其響應時間為一項重要的功能指標；

（2）核電廠應采取合理有效的方式，在運行維護周期內(nèi)對嚴重事故氫表的響應時間予以驗證校核；

（3）核電廠應對嚴重事故氫表更換周期的合理性進行進一步分析明確，保證其在運行階段的可用性及可靠性。