大型干式安全殼嚴(yán)重事故條件下氫氣控制研究.pdf

1、在壓水堆核電廠嚴(yán)重事故進(jìn)程中，鋯合金包殼與水蒸汽反應(yīng)和壓力容器外的熔融堆芯與混凝土相互作用等過程會(huì)產(chǎn)生大量的氫氣，并釋放到安全殼空間中。釋放的氫氣在安全殼內(nèi)擴(kuò)散流動(dòng)，與水蒸汽、空氣混合，形成可燃混合氣體。在一定條件下，這些混合氣體可能發(fā)生爆燃甚至爆炸，所產(chǎn)生的高溫及壓力載荷會(huì)危及到安全殼完整性，放射性裂變產(chǎn)物因此可能釋放到環(huán)境中，造成嚴(yán)重后果。 對(duì)于氫氣風(fēng)險(xiǎn)而言，尤其是現(xiàn)有核電廠安全改進(jìn)和先進(jìn)核反應(yīng)堆設(shè)計(jì)的氫氣安全問題，目前最迫

2、切的一個(gè)研究課題是如何提出有效的氫氣控制方案，滿足核電廠的事故管理要求。針對(duì)嚴(yán)重事故條件下的大型干式安全殼氫氣安全與管理，本論文利用安全分析的基本方法建立了氫氣安全分析和管理評(píng)價(jià)框架，該框架的核心是一套系統(tǒng)性分析流程，內(nèi)容包括：①、如何標(biāo)定和驗(yàn)證所使用的分析工具；②、如何建立氫氣分析模型，并對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性；③、如何選擇最具典型意義的嚴(yán)重事故工況；④、氫氣源項(xiàng)的釋放特性；⑤、氫氣在安全殼內(nèi)的流動(dòng)分布；⑥、氫氣燃燒風(fēng)險(xiǎn)

3、評(píng)估；⑦、氫氣緩解措施(例如，氫氣復(fù)合器、點(diǎn)火器)的效果分析；⑧、氫氣緩解措施的優(yōu)化設(shè)計(jì)。 主要的研究?jī)?nèi)容包括： (1)基于確定性分析和核電廠1級(jí)概率安全分析(PSA)，提出一種新的事故分析方法。通過對(duì)大破口失水(LB-LOCA)、中破口失水事故(MB-LOCA)、小破口失水事故(SB-LOCA)、全廠斷電事故(SBO)和蒸汽發(fā)生器管道斷裂事故(SGTR)誘發(fā)的嚴(yán)重事故工況下氫氣產(chǎn)生的分析，研究了壓水堆核電廠的氫氣源項(xiàng)特

4、性。研究發(fā)現(xiàn)：從氫氣安全分析角度，嚴(yán)重事故工況可分為快速氫氣釋放(如LB-LOCA、MB-LOCA)、中等速度的氫氣釋放(如SB-LOCA、SBO)、慢速氫氣釋放(如SGTR)三種類型；其中，考慮安全殼內(nèi)容納等效于100％鋯-水反應(yīng)的產(chǎn)氫總量，LB-LOCA具有包絡(luò)其他事故工況的特點(diǎn)。 (2)以典型的大破口失水嚴(yán)重事故為計(jì)算基準(zhǔn)，本文研究了氫氣在安全殼空間內(nèi)的流動(dòng)特性和濃度分布。研究表明，噴淋對(duì)安全殼內(nèi)氫氣濃度分布有很大的負(fù)面作

5、用，噴淋使得安全殼大氣中的水蒸汽迅速冷凝成液滴，從而降低了隔間的水蒸汽濃度，增加安全殼內(nèi)的氫氣濃度和氧氣濃度。進(jìn)一步地，文章研究了不同濃度下安全殼內(nèi)可能的氫氣燃燒模式及燃燒風(fēng)險(xiǎn)。分析表明，噴淋效應(yīng)會(huì)極大地增加氫氣爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，并直接威脅到安全殼完整性，因此綜合地評(píng)估噴淋對(duì)氫氣濃度和氫氣燃燒的影響作用是氫氣安全分析框架中的重點(diǎn)之一。 (3)針對(duì)我國(guó)壓水堆核電廠的實(shí)際情況，本文對(duì)比研究了各種氫氣緩解措施，確定非能動(dòng)氫氣催化復(fù)合器、點(diǎn)火

6、器及“點(diǎn)火器+復(fù)合器”聯(lián)合使用作為大型干式安全殼核電廠三種主要的氫氣管理策略。為了評(píng)估氫氣管理策略的效果，本文開發(fā)了基于安全殼復(fù)雜結(jié)構(gòu)空間的復(fù)合器和點(diǎn)火器分析模型。在此基礎(chǔ)之上，論證了復(fù)合器、點(diǎn)火器以及“點(diǎn)火器+復(fù)合器”的消氫效果，包括消氫效率、點(diǎn)火時(shí)機(jī)、點(diǎn)火器位置、燃燒對(duì)安全殼的壓力溫度載荷影響等，并進(jìn)一步提出一種氫氣管理方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。 (4)局部氫氣爆炸是氫氣風(fēng)險(xiǎn)分析中十分重要的內(nèi)容，集總參數(shù)方法(LP)不能模擬局部氣

7、體混合的細(xì)節(jié)，而計(jì)算流體力學(xué)方法(CFD)可以很好地彌補(bǔ)這個(gè)缺點(diǎn)。本文從LP方法分析結(jié)論出發(fā)，提出分析重點(diǎn)是“壓力容器內(nèi)氫氣釋放階段的氫氣在安全殼內(nèi)的流動(dòng)分布”的觀點(diǎn)，并使用CFD程序，研究了氫氣在安全殼局部空間的流動(dòng)特性，作為集總參數(shù)方法分析結(jié)論的重要補(bǔ)充。集總參數(shù)方法和計(jì)算流體力學(xué)方法相結(jié)合的應(yīng)用研究，為氫氣安全分析提供了一種新的思路。 本論文全面地研究了核電廠氫氣安全分析的各個(gè)環(huán)節(jié)，為我國(guó)核電廠嚴(yán)重事故氫氣控制與管理提供了