李漢辰，石雪垚，陳巧艷，王賀南

(中國(guó)核電工程有限公司，北京100840)

百萬(wàn)千瓦級(jí)壓水堆嚴(yán)重事故下局部隔間氫氣風(fēng)險(xiǎn)分析

李漢辰，石雪垚，陳巧艷，王賀南

(中國(guó)核電工程有限公司，北京100840)

核安全法規(guī)要求控制嚴(yán)重事故下核電廠安全殼內(nèi)的氫氣濃度。除安全殼整體外，局部隔間的氫氣濃度同樣是關(guān)注的重點(diǎn)。本文采用一體化嚴(yán)重事故分析程序?qū)Π偃f(wàn)千瓦級(jí)壓水堆核電廠安全殼局部隔間進(jìn)行建模，分析了不同事故下的氫氣風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果表明，嚴(yán)重事故下部分隔間短時(shí)間內(nèi)可能存在燃燒風(fēng)險(xiǎn)。本文對(duì)降低燃燒風(fēng)險(xiǎn)的方法進(jìn)行分析計(jì)算和篩選，得出的結(jié)論可以為安全殼隔間的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考依據(jù)。

氫氣風(fēng)險(xiǎn)；嚴(yán)重事故；局部隔間

核電廠發(fā)生嚴(yán)重事故時(shí)會(huì)因堆內(nèi)構(gòu)件的氧化而產(chǎn)生大量氫氣。短時(shí)間內(nèi)的氫氣快速釋放會(huì)造成安全殼內(nèi)部氫氣積聚，可能發(fā)生氫氣燃燒或爆炸等現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅安全殼的完整性以及設(shè)備的可用性。

國(guó)家核安全局頒布的HAF102《核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定》以及《福島核事故后核電廠改進(jìn)行動(dòng)通用技術(shù)要求》中明確指出須應(yīng)對(duì)核電廠安全殼內(nèi)氫氣風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)相關(guān)緩解措施，并要求避免安全殼完整性因局部區(qū)域氫氣積聚后可能產(chǎn)生的燃燒或爆炸而破壞。[1-3]

根據(jù)美國(guó)聯(lián)邦法規(guī)10CFR50.34(f) (2) (ix)的要求，核電廠氫氣控制系統(tǒng)需能夠應(yīng)對(duì)相當(dāng)于100%鋯水反應(yīng)所產(chǎn)生的氫氣，并確保安全殼大空間內(nèi)均勻分布的氫氣體積濃度不超過(guò)10%。[4]除安全殼大空間外，氫氣風(fēng)險(xiǎn)分析同樣關(guān)注局部隔間內(nèi)的大氣狀態(tài)。本文以百萬(wàn)千瓦級(jí)壓水堆核電廠為研究對(duì)象，采用一體化嚴(yán)重事故分析程序，對(duì)嚴(yán)重事故下穩(wěn)壓器、波動(dòng)管以及卸壓箱等所在隔間進(jìn)行氫氣風(fēng)險(xiǎn)分析。[5]

1 模型建立

壓水堆核電廠安全殼內(nèi)，穩(wěn)壓器隔間、波動(dòng)管隔間以及卸壓箱隔間分布在第三至第五層，具體位置與連通情況如下：

? 穩(wěn)壓器隔間水平方向上與相鄰設(shè)備間間相連，垂直方向向上連接安全殼穹頂空間，向下連接波動(dòng)管隔間，中間被樓板隔斷，樓板上有流道；

? 波動(dòng)管隔間在水平方向上通過(guò)流道與主泵隔間相連，在底板上與卸壓箱隔間相連，上部與穩(wěn)壓器隔間相連；

? 卸壓箱隔間水平方向上與環(huán)廊以及蒸汽發(fā)生器隔間相連；豎直方向與波動(dòng)管隔間相連；

本文采用基于集總參數(shù)法的一體化嚴(yán)重事故分析程序MAAP4對(duì)福清5號(hào)核電機(jī)組進(jìn)行建模。建模范圍包括反應(yīng)堆堆芯、一回路系統(tǒng)、二回路系統(tǒng)以及安全殼等。圖1給出了安全殼模型節(jié)點(diǎn)劃分示意圖，如圖所示，將安全殼模型劃分為25個(gè)控制體。根據(jù)本文的分析目的，將重點(diǎn)關(guān)注的穩(wěn)壓器、波動(dòng)管、卸壓箱所在隔間分別劃分為單獨(dú)的控制體。表1給出了各個(gè)控制體的編號(hào)與名稱(chēng)。

圖1 安全殼控制體劃分Fig.1 Compartments control volume nodalization

No名稱(chēng)No名稱(chēng)No名稱(chēng)1堆坑10卸壓箱隔間19大空間1-22環(huán)路1主泵隔間11下部設(shè)備間20大空間1-33環(huán)路1SG隔間12IRWST21大空間2-14環(huán)路2主泵隔間13上部環(huán)廊22大空間2-25環(huán)路2SG隔間14下部環(huán)廊23大空間2-36環(huán)路3主泵隔間15CIS水箱24穹頂空間7環(huán)路3SG隔間16設(shè)備間25PCS空間8穩(wěn)壓器隔間17換料水池9波動(dòng)管隔間18大空間1-1

2 事故序列選取與假設(shè)

卸壓箱隔間存在的氫氣風(fēng)險(xiǎn)主要來(lái)源于核電廠發(fā)生的全廠斷電事故、喪失給水事故等高壓事故序列。由于堆芯余熱未能成功導(dǎo)出，造成反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力處于較高水平。穩(wěn)壓器安全閥不斷反復(fù)開(kāi)啟與關(guān)閉，最終卸壓箱爆破膜失效，堆內(nèi)構(gòu)件與冷卻劑反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣由此進(jìn)入安全殼。對(duì)于波動(dòng)管隔間，其自由容積較小且對(duì)外流通條件較差，除上述幾種事故產(chǎn)生的氫氣從卸壓箱隔間流入外，發(fā)生波動(dòng)管斷裂事故造成的氫氣釋放也是波動(dòng)管隔間的主要風(fēng)險(xiǎn)之一。喪失給水事故與全廠斷電事故相比，停堆時(shí)間較晚，堆芯衰變熱較大，堆芯熔化時(shí)刻較早。在安全殼噴淋作用下，氫氣濃度更高。因此，根據(jù)本文研究目的選取喪失給水事故和波動(dòng)管斷裂事故進(jìn)行對(duì)比分析。各事故序列假設(shè)如表2所示。

表2 事故序列假設(shè)

3 計(jì)算結(jié)果與分析

事件序列計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 事件序列

3.1 喪失給水事故

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2至圖4。

圖2 堆內(nèi)產(chǎn)氫質(zhì)量Fig.2 H2 generation in core

圖3 氫氣體積份額Fig.3 H2 fraction in compartments

整個(gè)事故過(guò)程中，壓力容器內(nèi)共產(chǎn)生553.9kg氫氣，氫氣在卸壓箱爆破膜破裂后進(jìn)入卸壓箱隔間，造成卸壓箱隔間出現(xiàn)若干氫氣濃度峰值，其中氫氣濃度峰值為35.8%，波動(dòng)管隔間的最高氫氣濃度達(dá)到了35.4%，穩(wěn)壓器隔間的最高氫氣濃度為11.4%，安全殼大空間區(qū)域氫氣濃度混合較均勻，最高的氫氣濃度為4.4%。

從圖4可以看出，雖然短時(shí)間內(nèi)卸壓箱隔間、波動(dòng)管隔間氫氣濃度明顯升高，但由于大量水蒸氣從卸壓箱中噴放進(jìn)入隔間，隔間大氣狀態(tài)僅短時(shí)間進(jìn)入快燃區(qū)，上述隔間以及穩(wěn)壓器隔間內(nèi)不存在氫氣燃爆風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 波動(dòng)管斷裂事故

波動(dòng)管雙端剪切斷裂事故與上述其他事故相比較為特殊。由于破口面積較大，一回路冷卻劑在較短時(shí)間內(nèi)排空，堆芯產(chǎn)氫總量相對(duì)較低。但由于一回路破口發(fā)生在自由空間較小的波動(dòng)管隔間內(nèi)，因而該隔間內(nèi)氫氣濃度較高。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5至圖7。

圖4 喪失給水事故安全殼隔間大氣狀態(tài)Fig.4 Shapiro of compartments during LOFW

圖5 堆內(nèi)產(chǎn)氫質(zhì)量Fig.5 H2 generation in core

圖6 氫氣體積份額Fig.6 H2 fraction in compartments

圖7 穩(wěn)壓器波動(dòng)管斷裂事故安全殼隔間大氣狀態(tài)Fig.7 Shapiro of compartments during pressurizer surge line break accident

從圖6和圖7可以看出，波動(dòng)管隔間有近1000s時(shí)間保持高氫氣濃度。水蒸氣濃度無(wú)法使空間大氣惰化，波動(dòng)管隔間存在較大的快燃風(fēng)險(xiǎn)。

4 敏感性分析

卸壓箱、穩(wěn)壓器波動(dòng)管所在隔間的體積較小，對(duì)外流通較差，事故后由于卸壓箱爆破膜的失效或波動(dòng)管斷裂后的質(zhì)能釋放，會(huì)不可避免的在其中形成較高的氫氣濃度。隨著安全殼內(nèi)大氣的流通，氫氣濃度會(huì)很快下降。通過(guò)上述計(jì)算結(jié)果可以看出，喪失給水事故由于氫氣產(chǎn)量大，釋放速度快，造成卸壓箱隔間的氫氣濃度較高；波動(dòng)管斷裂事故質(zhì)能?chē)姺艅×仪野l(fā)生在狹小空間內(nèi)，大氣狀態(tài)維持在快燃區(qū)內(nèi)的時(shí)間較長(zhǎng)。

為了研究安全殼局部隔間之間的流道以及隔間自由容積對(duì)氫氣濃度峰值的影響，本節(jié)通過(guò)敏感性分析為后續(xù)安全殼隔間的設(shè)計(jì)提供參考。

4.1 卸壓箱隔間敏感性分析

4.1.1 隔間容積假設(shè)

卸壓箱隔間位于波動(dòng)管隔間正下方，由于卸壓箱本身體積所限，該房間自由容積僅有約250m3。與卸壓箱隔間相鄰小隔間內(nèi)僅布置了少量管道，因此在對(duì)卸壓箱隔間容積做敏感性分析時(shí)考慮將其與卸壓箱隔間合并。新隔間容積為400m3。

4.1.2 流通面積假設(shè)

如前文所述，卸壓箱隔間豎直方向上與波動(dòng)管隔間相連，水平方向上與環(huán)路1蒸汽發(fā)生器隔間以及環(huán)廊相連。由于各隔間之間的流通面積尺寸涉及結(jié)構(gòu)、熱工、屏蔽等諸多因素限制，因而對(duì)該尺寸敏感性分析的取值過(guò)大并無(wú)實(shí)際意義。結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)實(shí)因素，卸壓箱隔間通向上述三個(gè)空間的流通面積改動(dòng)前后如表4所示。

表4 隔間流通面積數(shù)據(jù)

4.1.3 卸壓箱隔間敏感性分析

將增大卸壓箱隔間容積(流通面積不變)、增大隔間流通面積(隔間容積不變)計(jì)算結(jié)果與原設(shè)計(jì)方案相對(duì)比，結(jié)果如圖8至圖10所示。

圖8 穩(wěn)壓器隔間氫氣濃度Fig.8 H2 fraction in pressurizer compartment

圖9 波動(dòng)管隔間氫氣濃度Fig.9 H2 fraction in surge line compartment

由圖8至圖10可以看出，增大卸壓箱隔間容積對(duì)降低隔間內(nèi)氫氣濃度的效果并不明顯；增大卸壓箱隔間向安全殼其他空間的流通面積可有效降低穩(wěn)壓器、波動(dòng)管以及卸壓箱隔間內(nèi)的氫氣濃度；增大卸壓箱隔間至環(huán)路1 SG隔間、卸壓箱隔間至上部環(huán)廊的流通后，會(huì)使上述隔間的氫氣濃度有所上升，由圖11可知，此時(shí)氫氣濃度仍保持在可接受水平。

圖10 卸壓箱隔間氫氣濃度Fig.10 H2 fraction in relief tank compartment

圖11 蒸汽發(fā)生器隔間及上部環(huán)廊氫氣濃度對(duì)比Fig.11 Comparison of H2 fraction in SG compartment and upper annular

增大卸壓箱容積方案中，盡管隔間內(nèi)氫氣濃度在短時(shí)間內(nèi)較高，但穩(wěn)壓器、波動(dòng)管、卸壓箱隔間的大氣狀態(tài)僅會(huì)短暫維持在慢燃區(qū)內(nèi)；增大流通面積方案中，各隔間內(nèi)的大氣狀態(tài)均保持在可燃區(qū)以外。

4.2 波動(dòng)管隔間敏感性分析

由3.2節(jié)分析可以看出，發(fā)生波動(dòng)管斷裂事故時(shí)，盡管波動(dòng)管隔間大氣狀態(tài)點(diǎn)尚未進(jìn)入燃爆區(qū)，但在快燃區(qū)內(nèi)滯留時(shí)間長(zhǎng)達(dá)1000s左右，應(yīng)引起重點(diǎn)關(guān)注。因此，基于上一節(jié)得出的結(jié)論，考慮在現(xiàn)有基礎(chǔ)上加大該隔間對(duì)周?chē)糸g的流通面積，特別是加強(qiáng)通向其上部穩(wěn)壓器隔間的流通。

本節(jié)考慮了穩(wěn)壓器隔間與波動(dòng)管隔間之間三種流通面積不同的設(shè)計(jì)方案，將分別對(duì)方案A(原設(shè)計(jì)1.3m2)、方案B(2.5m2)和方案C(5m2)進(jìn)行對(duì)比，得出較為理想可行的計(jì)算結(jié)果。

圖12至圖14分別為上述三種方案的穩(wěn)壓器隔間、波動(dòng)管隔間以及卸壓箱隔間氫氣濃度計(jì)算結(jié)果。方案A計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7，方案B與方案C對(duì)應(yīng)的隔間大氣狀態(tài)見(jiàn)圖15與圖16。

圖12 穩(wěn)壓器隔間氫氣濃度Fig.12 H2 fraction in surge line compartment

圖13 波動(dòng)管隔間氫氣濃度Fig.13 H2 fraction in surge line compartment

圖14 卸壓箱隔間氫氣濃度Fig.14 H2 fraction in relief tank compartment

由圖12至圖14可以看出，在增大穩(wěn)壓器隔間至波動(dòng)管隔間之間的流通面積后，穩(wěn)壓器隔間氫氣濃度并無(wú)顯著升高現(xiàn)象，而波動(dòng)管隔間氫氣濃度明顯降低。從圖7、圖15及圖16的對(duì)比可以看出，增大波動(dòng)管向上流通的方法可以使隔間狀態(tài)偏離快燃區(qū)。

5 結(jié)論

針對(duì)嚴(yán)重事故下安全殼局部隔間氫氣風(fēng)險(xiǎn)分析需求，本文選取了喪失給水事故和波動(dòng)管斷裂事故等嚴(yán)重事故序列進(jìn)行計(jì)算分析。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，上述部分事故序列有氫氣濃度較高的情況出現(xiàn)，但同時(shí)伴隨著水蒸氣濃度較高或氫氣濃度高、持續(xù)時(shí)間短等因素，經(jīng)過(guò)分析可以排除隔間內(nèi)發(fā)生氫氣燃爆的可能。喪失給水事故中，穩(wěn)壓器隔間、波動(dòng)管隔間、卸壓箱隔間較短時(shí)間內(nèi)存在慢燃風(fēng)險(xiǎn)；波動(dòng)管斷裂事故中，波動(dòng)管隔間存在快燃風(fēng)險(xiǎn)，穩(wěn)壓器隔間、卸壓箱隔間存在慢燃風(fēng)險(xiǎn)。

經(jīng)敏感性分析可以得出以下結(jié)論：

1) 增大隔間容積對(duì)降低局部隔間氫氣濃度緩解效果不明顯；

圖15 方案B隔間大氣狀態(tài)Fig.15 Shapiro of Scheme B

圖16 方案C隔間大氣狀態(tài)Fig.16 Shapiro of Scheme C

2) 適當(dāng)增大卸壓箱隔間與其他隔間的流通面積可以一定程度上降低卸壓箱隔間氫氣濃度，且由此帶來(lái)其他隔間氫氣濃度的上升結(jié)果可以接受；

3) 增大穩(wěn)壓器隔間與波動(dòng)管隔間之間的流通面積可以有效降低波動(dòng)管隔間氫氣濃度，并縮短可能發(fā)生快燃的時(shí)間。結(jié)合核電廠實(shí)際情況，波動(dòng)管隔間與穩(wěn)壓器隔間之間的流通面積應(yīng)保持在5m2左右。

后續(xù)工作將基于現(xiàn)有結(jié)論，采用計(jì)算流體力學(xué)程序建立更詳細(xì)的三維模型，對(duì)局部隔間氫氣風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合分析。

[1] 國(guó)家核安全局.福島核事故后核電廠改進(jìn)行動(dòng)通用技術(shù)要求[S]. 國(guó)家核安全局,2012.

[2] 國(guó)家核安全局.HAF102 核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定[S]. 國(guó)家核安全局,2004.

[3] 國(guó)家能源局.NB/T 20031—2010. 壓水堆核電廠事故后安全殼內(nèi)氫氣濃度的控制[S]. 國(guó)家能源局, 2010.

[4] Hydrogen control and risk analysis standard of 10 CFR, 50 [S]. US: NRC, 1977.

[5] 濮繼龍.壓水堆核電廠安全與事故對(duì)策[M].北京：原子能出版社,1995.

Local Compartments Hydrogen Risk Analysis during Severe Accident of 1000MWe PWR

LI Han-chen，SHI Xue-yao，Chen Qiao-yan，Wang He-nan

(China Nuclear Power Engineering Co., Ltd., Beijing 100840, China)

The hydrogen concentration control of NPP containment during severe accident is required by nuclear safety laws and regulations. However, except for the whole space of containment, some local compartments are also concerned equally. This paper is based on the hydrogen risk calculation of 1000MW PWR containment model during several severe accident sequences, which is developed by the integration severe accident analyses code. The result shows that the hydrogen risk may last a short period in some compartment. The way of risks reduce is analyzed and compared. Result of this paper also could be reference for containment compartment improvement design.

Hydrogen risk；Severe accident；Local compartment

2016-02-26

李漢辰(1988—)，男，北京人，助理工程師，碩士，現(xiàn)主要從事核電廠嚴(yán)重事故分析工作

TL364

A

0258-0918(2016)06-0827-09