丁 超，徐 朋，仇蘇辰，李 揚，宋明強,*

（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；3.福建福清核電有限公司，福清 350318）

2016年新發(fā)布的《核動力廠設計安全規(guī)定》（HAF 102—2016）［1］要求：“設計必須做到實際消除可能導致早期放射性釋放或大量放射性釋放的核動力廠工況發(fā)生的可能性”“安全設計的基本目標是在技術上實現(xiàn)減輕放射性后果的場外防護行動是有限的甚至是可以取消的”。為實現(xiàn)HAF 102—2016提出的安全目標，國家核安全局發(fā)布了《“華龍一號”融合方案核電項目審評原則》（簡稱《審評原則》）［2］，其中，對嚴重事故下安全殼內可燃氣體控制提出設計要求：“采取氫氣復合器、氫氣點火器等措施控制安全殼內可燃氣體濃度時，應明確這些裝置的布置原則，并輔以評價，表明布置原則的合理性”?！秾徳u原則》在嚴重事故可燃氣體安全分析中，著重強調可燃氣體控制裝置的布置原則。因此，全面地認識并提出適用于我國先進壓水堆核電廠技術的氫氣控制裝置布置原則，對提高我國核電廠氫氣安全水平具有重要意義。

1 氫氣安全分析的構架

氫氣安全分析是嚴重事故安全分析中的重要內容，其目的是驗證氫氣控制系統(tǒng)的有效性。氫氣安全分析的主要內容包括：（1）質能釋放分析，使用MAAP等一體化程序分析嚴重事故瞬態(tài)，計算質能釋放源項；（2）整體消氫效果分析，使用集總參數(shù)法程序分析安全殼內平均氫氣濃度，確定非能動復合器的總個數(shù)和總體布置原則，并驗證消氫系統(tǒng)的有效性；（3）總體方案評估，對確定的氫氣控制系統(tǒng)進行詳細的計算和評估，包括氫氣燃燒風險評估、安全殼內溫度與壓力的評估等。

典型結合集總參數(shù)法程序與三維CFD程序的氫氣安全分析計算路線圖［3］如圖1所示。氫氣安全分析中的定量化驗收準則為：按照反應堆堆芯活性區(qū)全部的鋯與水發(fā)生反應產(chǎn)生的氫氣量評價安全殼內氫氣控制措施，安全殼內平均氫氣濃度小于10%［4］。在安全分析中僅以10%的驗收準則分析消氫控制的有效性是不夠的，但是國內缺少足夠翔實的布置原則以及相應的設計與開發(fā)實踐。

圖1 核電廠氫氣風險計算分析技術路線示意圖Fig.1 Technical roadmap of hydrogen risk analysis calculation for NPP

2 國際上布置原則的調研

2.1 美國先進核電廠對布置原則的考慮

SYSTEM80+是美國ABB/CE公司設計的一座1 350 MW的先進核電廠，該核電廠遵照先進輕水堆用戶要求文件（URD）和美國核管會關于先進核電廠嚴重事故的政策要求進行設計，并且按照核管會新的執(zhí)照程序獲得了FDA（Final Design Approval，最終設計批準）［5］。

2.1.1 氫氣控制系統(tǒng)設計目標

（1）氫氣點火器系統(tǒng)將安全殼整體氫氣濃度控制在8%以下，局部氫氣濃度控制在10%以下，確保安全殼內不會發(fā)生爆炸。安全殼的完整性通過等容絕熱燃燒（AICC）峰值壓力小于ASME Level C限值的分析來驗證說明。

（2）對于局部子空間或小房間內氫氣濃度高于10%的情況，需要保證氫氣混合物不會爆炸（通過蒸汽惰化或氧氣耗盡等辦法實現(xiàn)），即使爆炸也不會威脅安全殼的完整性。

2.1.2 氫氣控制系統(tǒng)布置原則制訂的主要依據(jù)

SYSTEM80+氫氣控制系統(tǒng)相關布置原則是基于比例臺架的試驗觀測結果制訂的，在其制訂中，首先設置考慮因素的優(yōu)先次序，并按照功能對布置準則進行了分類概述：

（1）可靠性及電源冗余性；

（2）布置位置的可維修性；

（3）技術性布置準則：

a.點火器布置的流道技術要求，首先應考慮主導流通通道，同時考慮二級流通通道，且應布置在氫氣容易點著的位置。技術布置準則主要基于從試驗觀測結果中歸納的專家判斷制訂。

b.封閉空間是氫氣容易聚集區(qū)域，同時也可能成為氫氣釋放的源項。為控制封閉區(qū)域在通風條件下的氫氣風險，SYSTEM80+的所有封閉空間至少布置一臺點火器。

c.點火器布置的間隔距離同樣基于比例試驗結果設置：點火器之間間隔50～75 in（1 in=0.304 8 m）；為了促進火焰向上燃燒，點火器距離房頂至少10 in。

2.2 歐洲先進核電廠對布置原則的考慮

歐洲壓水堆核電廠（EPR）機組由Framatome-ANP聯(lián)合EDF以及德國用戶開發(fā)，以法國N4和德國KONVOI機組為基礎，采用先進核電技術演變而來。機組的設計考慮了法、德安全專家提出的“下一代壓水堆設計和建造的技術要求”［6］。

2.2.1 氫氣控制系統(tǒng)的設計安全要求

法國對于壓水堆氫氣控制系統(tǒng)有以下3方面的設計安全要求：

（1）AICC壓力應小于安全殼的設計壓力；

（2）為避免安全殼內的整體燃燒，要求安全殼內平均氫氣濃度小于8%；

（3）為降低發(fā)生火焰加速的可能性，降低動態(tài)壓力載荷，要求安全殼局部氫氣濃度小于10%。

2.2.2 氫氣控制系統(tǒng)布置原則制訂的主要依據(jù)

非能動氫氣復合器布置原則是：保持復合器周圍良好的通風條件，實現(xiàn)復合器有較大的進氣和出氣流量，以增強復合器的工作效果。

非能動氫氣復合器與安全相關設備之間應留有合適的距離。例如，復合器的布置應與安全相關電纜托架之間留出合適的距離，以避免復合器的出口高溫對電纜造成損壞而失效。相應的定量化設計準則與布置原則［7］如下：

（1）在距離非能動復合器入口、出口半徑0.5 m的范圍內，不應有障礙物。本條原則同樣適用于復合器入口與地面的最小距離，以及出口與房頂?shù)淖钚【嚯x；

（2）在距離復合器0.2 m的范圍內，不應有易燃設備和物品；

（3）在距離復合器5 m的范圍內，不應有用于嚴重事故管理的安全相關設備（布置在復合器表面的熱電偶氫表測量系統(tǒng)除外）。

3 核電廠現(xiàn)場踏勘中發(fā)現(xiàn)的問題

氫氣控制系統(tǒng)布置原則的制訂離不開對現(xiàn)場情況的考慮。筆者以現(xiàn)場踏勘的方式，實際走訪了正在建設安裝階段的反應堆廠房（安全殼內），發(fā)現(xiàn)了一些重要問題，舉例如下：

（1）安全殼主要隔間的結構復雜，而三維氫氣安全分析計算均以簡化的方式進行處理，存在不確定性。

以蒸汽發(fā)生器隔間與穩(wěn)壓器隔間為例，如圖2～圖5所示。隔間內的布置非常復雜、緊密，而在氫氣三維計算的實際建模中采用的系統(tǒng)設備與隔間的尺寸都來自二維的設計圖紙，對于流道上的障礙物，如格柵樓板、樓梯等均以模型簡化的方式處理，存在不確定性。同時，筆者在現(xiàn)場踏勘中發(fā)現(xiàn)蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器等主設備在加裝保溫層后，體積增加了很多，隔間中相應的流通截面隨之減小。

（2）以掛墻的方式安裝非能動氫氣復合器受較大的空間限制。

氫氣本身的密度較空氣要小很多，從一回路中釋放的氫氣在事故中將主要向上流動和擴散。相應地，非能動氫氣復合器也需要在隔間的上部區(qū)域布置。但是從穩(wěn)壓器與蒸汽發(fā)生器隔間的現(xiàn)場踏勘情況來看，如圖2～圖5所示，隔間內部豎直方向上的空間較狹窄，而氫氣復合器的體積又比較大，在隔間內部墻面上布置存在空間限制。

圖2 蒸汽發(fā)生器隔間現(xiàn)場圖（一）Fig.2 Scene of steam generator compartment(1)

圖3 蒸汽發(fā)生器隔間現(xiàn)場圖（二）Fig.3 Scene of steam generator compartment(2)

圖4 穩(wěn)壓器隔間現(xiàn)場圖（一）Fig.4 Scene of pressurizer compartment(1)

圖5 穩(wěn)壓器隔間現(xiàn)場圖（二）Fig.5 Scene of pressurizer compartment(2)

（3）主泵隔間頂部的蓋板在事故期間是否能夠保持敞開需要重點關注

現(xiàn)場踏勘發(fā)現(xiàn)，主泵隔間上方的蓋板在建造安裝階段關閉，如圖6、圖7所示。主泵隔間上方的開口是主泵隔間重要的氣體流通通道，決定可燃氣體是否會在主泵隔間發(fā)生聚集。因此，必須確定主泵隔間的蓋板在核電廠運行及事故情況下的打開情況。

圖6 主泵隔間現(xiàn)場圖（一）Fig.6 Scene of primary pump compartment(1)

圖7 主泵隔間現(xiàn)場圖（二）Fig.7 Scene of primary pump compartment(2)

（4）卸壓箱隔間上部的流通通道的管線布置情況

卸壓箱隔間中，盡管在卸壓箱的斜上方有較大的開口，增加了隔間的流通性，但隔間流通通道上布置了很多管線，例如，穩(wěn)壓器排放管線、儀控線纜橋架、金屬套管線纜等，如圖8、圖9所示。一方面，由于卸壓箱隔間上方的流通通道是氫氣流通擴散的重要流道，所以，該流道上發(fā)生氫氣燃燒的可能性較大；另一方面，流通通道上的障礙物也會增大發(fā)生湍流的可能性，進而增大火焰加速與燃爆轉變的風險。因此，氫氣主要流道上的管線布置需要通過布置原則的制訂和執(zhí)行來進一步優(yōu)化和改進。

圖8 卸壓箱隔間現(xiàn)場圖（一）Fig.8 Scene of relief tank compartment(1)

圖9 卸壓箱隔間現(xiàn)場圖（二）Fig.9 Scene of relief tank compartment(2)

4 我國布置原則的初步探討

根據(jù)對美國和歐洲氫氣控制系統(tǒng)布置原則的調研可知：系統(tǒng)全面的布置原則首先應包括安全目標；其次至少應包括：技術類布置原則、可維修性以及對其他設備的影響等方面；再次，布置原則需要有定量化的技術要求，不可過于寬泛，不利于現(xiàn)場執(zhí)行；最后，根據(jù)現(xiàn)場踏勘問題總結：氫氣控制系統(tǒng)的布置應結合氫氣流通擴散的主要流道進行，并需要安全分析軟件的模擬計算驗證。

4.1 布置原則中優(yōu)先級考慮

以非能動氫氣復合器為例，安全殼內布置原則主要考慮以下3個方面的優(yōu)先級次序：

（1）保證非能動氫復合器的消氫效果，具體細則應包括：

a.在氫氣積聚的隔間安裝；

b.應考慮氫氣產(chǎn)生的可能位置（管道、設備高度等因素）、須考慮破口蒸汽沖擊及飛射物沖擊對氫復合器結構完整性的影響；

c.應考慮主要非能動氫氣復合器引起的氫氣流動，布置位置能夠促進安全殼整體大空間和局部氫氣流動和分布；

d.避免布置在噴淋系統(tǒng)可直接噴淋到的區(qū)域；

e.避免噴淋可直接噴射進入氫復合器殼體的開口部分；

f.防止熱沖擊；

g.盡量就高布置，地裝氫氣復合器的吸入口與地面保持一定距離，以保證氫復合器良好的流通條件。

（2）保證維修和定期試驗，具體細則應包括：a.保證維修和定期試驗的可達性；b.與高放射性設備保持足夠距離。（3）避免影響其他安全設備和活動，具體包括：

a.與安全相關設備保持足夠距離，盡量避免氫氣復合器布置在存有嚴重事故相關設備、儀表的隔間內；

b.保證不阻礙人員通道；

c.保證不影響附近其他設備（閥門、管道等）的維修。

4.2 布置原則中的關鍵難點問題

4.2.1 氫氣主要流通路徑與自然循環(huán)流動的相互影響

在嚴重事故中，氫氣釋放后一般首先進入蒸汽發(fā)生器隔間、主泵隔間或卸壓箱隔間（包含波動管隔間與卸壓箱隔間）。為了防止氫氣在釋放隔間內積聚，應盡快讓氫氣從安全殼下部位置向上部大空間擴散。

對于安全殼內的大氣自然循環(huán)，首先應在安全殼設計與結構布置上考慮足夠的流道，例如，EPR在安全殼下部位置設計的混合風門（Mixing Damper，HMD），可以促進安全殼內大氣的自然循環(huán)［6］，如圖10所示。一方面氫氣復合器的運行對安全殼內大氣自然循環(huán)有促進作用；另一方面，氫氣復合器應合理布置在自然循環(huán)流道上，可以提高復合器進氣量和消氫效率。

4.2.2 嚴重事故設備可用性的影響

非能動氫氣復合器的布置應考慮對嚴重事故設備可用性的影響，盡量避免與這些設備布置在同一隔間內或與其距離盡可能遠。

4.2.3 氫氣復合器之間的相互影響

隔間內如設有兩臺及以上氫氣復合器，布置時氫氣復合器之間距離應盡量遠，或安裝于不同區(qū)域。這樣有利于不同區(qū)域的消氫，同時減少氫氣復合器之間的相互影響。

圖10 EPR核電站安全殼內主要流道及氫氣復合器布置Fig.10 Main flow channel and placement of PARs in containment of EPR NPP

4.2.4 布置原則中定量化準則的試驗驗證問題

美國先進核電廠在制訂點火器定量化布置原則時，進行了大量的試驗驗證，如SNL FITS（Fully Instrumented Test Facility）試驗、VGES（Variable Geometry Experimental System）試驗、NTS（Nevada Test Site）試驗、LLNL試驗（NRC主導）等。非能動氫氣復合器的定量化布置原則，也應有充分的試驗數(shù)據(jù)支撐。

5 結論

福島核事故后，我國的核安全法規(guī)要求在設計上實際消除早期或大量放射性釋放的可能性。這對氫氣安全分析的論證手段提出了新的挑戰(zhàn)。

優(yōu)化與完善氫氣控制系統(tǒng)布置原則，是滿足“實際消除”設計要求的具體探索與良好實踐。

布置原則中應明確安全目標、設置原則的優(yōu)先級，并盡量提出定量的布置原則要求，布置原則的設置應基于試驗數(shù)據(jù)分析。

氫氣控制系統(tǒng)的布置應充分利用和促進安全殼內的自然循環(huán)，安全殼內的大氣流通與消氫效果需要經(jīng)過計算分析驗證。

我國自主設計的先進反應堆，在安全殼內隔間設置與系統(tǒng)布置上都進行了改進與優(yōu)化。本文通過對國內外的氫氣控制系統(tǒng)布置原則的比較研究，為優(yōu)化相關設備布置及安全殼隔間結構設計提供技術參考。