秦山二期核电厂严重事故下安全壳内氢气浓度分布及风险初步分析

采用模块化严重事故计算工具,对秦山二期核电厂大破口失水事故(LB-LOCA)、小破口失水事故(LB-LOCA)和全厂断电(SBO)诱发的严重事故序列以及安全壳内的氢气浓度分布进行了计算分析.在此基础之上,参考美国联邦法规10CFR关于氢气控制和风险分析的标准,对安全壳的氢气燃烧风险进行了初步研究.分析结果表明:大破口严重事故导致的安全壳内的平均氢气浓度接近10%,具有一定的整体性氢气燃烧风险,小破口失水和全厂断电严重事故可能不会导致此类风险,但仍然存在局部氢气燃烧的可能.     

氢气催化复合器对核电厂严重事故的缓解效果

在严重事故条件下,安全壳内的氢气燃烧或爆炸威胁安全壳完整性,必须采取措施减小或消除安全壳的氢气风险。针对600MWe级核电厂的大型干式安全壳,以小破口失水诱发的严重事故序列为基准事故,计算分析了氢气催化复合器（PAR）消除安全壳内氢气的效果,及复合效应对安全壳压力温度的影响。研究表明：氢气催化复合器能够持续稳定地消除安全壳内氢气,但对于极其快速的氢气释放,它的消氢能力受到一定限制。     

先进压水堆大破口始发严重事故下安全壳内氢气风险分析

本文采用集总参数法,在先进非能动压水堆核电厂严重事故一体化分析模型基础上,考虑先进压水堆非能动安全特性以及严重事故下采取熔融物堆内滞留(IVR)措施等特性对氢气风险的影响,开展了典型严重事故下安全壳内氢气风险分析。分别选取了冷段双端剪切断裂大破口、冷段大破口叠加IRWST重力注水有效以及ADS-4误启动三个典型大破口失水事故序列,对事故进程中的氧化温度、产氢速率以及产氢质量等特性进行了研究。选取产氢量最大的冷段大破口叠加IRWST重力注水有效事故序列,分析了氢气点火器系统的消氢效果。结果表明,堆芯再淹没过程产生大量氢气,采用点火器可有效去除安全壳内的氢气,从而降低氢气燃爆风险。     

百万千瓦级压水堆严重事故下氢气源项及氢气控制有效性分析

针对百万千瓦级压水堆核电厂大型干式安全壳在严重事故情况下的氢气风险控制,建立了一体化事故分析模型,分别对大破口失水事故(LB-LOCA)、中破口失水事故(MB-LOCA)、小破口失水事故(SB-LOCA)、全厂断电事故(SBO)、蒸汽发生器(SG)传热管破裂事故(SGTR)以及主蒸汽管道破裂事故(MSLB)进行事故进程计算以及氢气源项分析。相对于其他事故序列,LB-LOCA下堆芯快速熔化,锆-水反应产生氢气的速率快,可以作为安全壳内氢气风险控制有效性分析的代表性事故序列。分析表明,严重事故情况下在安全壳中安装一定数量的非能动氢气复合器(PARs)能够有效去除安全壳中的氢气,消除氢气燃烧或爆炸的风险,保持安全壳的完整性。     

船用堆中破口失水加全部电源丧失事故分析

针对船用堆的运行特点,制定了船用堆发生中破口失水叠加全部电源丧失事故时的事故序列,运用RELAP5/MOD3.2程序对某船用堆30%额定功率运行时,一回路主管道上发生30 mm不可隔离的中破口失水叠加全部电源丧失事故进行了分析,并讨论了事故下燃料元件的完整性。结果表明：在发生该类叠加事故后,热阱丧失,反应堆的剩余热将无法导出,堆芯燃料元件会发生大面积破损。研究结果可为运行人员的事故处理和操作提供参考。     

小型堆断电严重事故缓解措施分析

以典型的小型堆为研究对象,用MELCOR程序对满功率运行的小型堆全部电源丧失严重事故序列进行计算,分析比较几种缓解措施对事故缓解的作用。结果表明:在发生全部电源丧失后,反应堆热阱丧失,并会发生高压熔堆事故,导致安全壳的完整性受到破坏。若应急电源及时恢复,安全注入系统投入,再循环取海水冷却能有效缓解事故进程。     

严重事故下氢气风险及氢气控制系统的初步分析

采用一体化严重事故分析工具,对600MWe压水堆核电厂严重事故下氢气风险及拟定的氢气控制系统进行分析。结果表明：相对于小破口失水始发事故和全厂断电始发事故工况,大破口失水始发严重事故堆芯快速熔化,在考虑100%锆 水反应产氢量的条件下,大破口失水始发事故氢气风险较大,有可能发生氢气快速燃烧;在氢气控制系统作用下,发生大破口失水始发严重事故时,安全壳内平均氢气浓度和隔间内氢气浓度低于10%,未达到氢气快速燃烧和爆炸的条件,满足美国联邦法规10CFR中关于氢气控制和风险分析的准则,认为该氢气控制系统是可行、有效的。     

GASFLOW程序以及COM3D程序在反应堆氢气行为分析上的应用

反应堆在事故情况下的氢气风险一直是反应堆安全研究中非常重要的内容。利用氢气风险管理程序GASFLOW计算了反应堆一回路破口事故后安全壳内的氢气分布,对计算结果进行分析。在GASFLOW计算结果的基础上,应用COM3D程序模拟氢气燃烧和爆炸,研究了氢气浓度以及点火位置对火焰扩散的影响。     

基于Gasflow程序的非能动安全压水堆氢气行为计算和分析

本文利用Gasflow程序对非能动压水堆发生假想的严重事故后,安全壳内的氢气流动、分布和积聚行为进行了计算和分析,对安全壳内各房间的氢气风险进行了评价并给出了降低氢气燃烧风险的建议。计算结果表明,在发生大破口事故中,安全壳内氢气浓度较高的区域为破损蒸汽发生器隔间,内置换料水箱隔间和上部隔间,需要设置消氢系统来降低隔间内的氢气浓度。     

严重事故下喷淋模式的研究

核电厂发生严重事故后,安全壳内有可能堆积大量的氢气,如果此时不适宜地投入喷淋,会破坏安全壳内的惰性环境而引起氢气燃烧或者爆炸,甚至导致安全壳失效。为避免氢燃,研究者通过合理的假设,根据相关的实验公式,推导出不同氢气产量下安全壳内压力所需满足的条件,获得了根据安全壳内压力值来指导喷淋开闭的保守的控制模式。文章以大亚湾核电站为分析对象,利用MELCOR来进行分析,验证了此控制模式的可行性,并讨论了堆腔注水、氢气自燃以及安全壳底板成分对制订喷淋模式的影响。     

严重事故下喷淋模式的研究

核电厂发生严重事故后．安全壳内有可能堆积大量的氢气．如果此时不适宜地投入喷淋．会破坏安全壳内的惰性环境而引起氢气燃烧或者爆炸．甚至导致安全壳失效。为避免氢燃．本文通过合理的假设．根据相关的实验公式推导出不同氢气产量下安全壳内压力所需满足的条件,获得了根据安全壳内压力值来指导喷淋开闭的保守的控制模式。本文以大亚湾核电站为分析对象,利用MELCOR来进行分析．验证了此控制模式的可行性．并讨论了堆腔注水、氢气自燃以及安全壳底板成分对制订喷淋模式的影响。     

水蒸气对氢气燃烧影响的数值研究

核电站严重事故下,氢气的燃烧风险是影响安全壳完整性的重要因素,而水蒸气的存在对氢气、空气混合气体的燃烧会产生重要的影响。本文采用CAST3M软件,对局部小空间内氢气的燃烧特性以及水蒸气的影响进行研究。首先对THAI装置的典型实验工况进行模拟,表明了相关燃烧模型的可用性。然后将高度为6 m、直径为2.2 m的圆柱空间作为燃烧域,对其分别计算了8%、10%、12%氢气浓度下的燃烧,并与添加25%水蒸气的相应工况进行了对比。通过对燃烧域的温度、压力以及火焰传播速度的分析,表明添加水蒸气后燃烧产生的最大压力下降,火焰的最大温度下降,火焰传播的速度下降。研究表明,水蒸气的存在对氢气的燃烧具有抑制作用,能有效降低氢气燃烧产生的后果。     

Analysis of hydrogen flame acceleration in APR1400 containment by coupling hydrogen distribution and combustion analysis codes

This study was conducted as part of the construction of an integrated system to mechanistically evaluate flame acceleration characteristics in a containment of a nuclear power plant during a severe accident. In the integrated analysis system, multi-dimensional hydrogen distribution and combustion analysis codes are used to consider three-dimensional effects of the hydrogen behaviors. GASFLOW is used for the analysis of a hydrogen distribution in the containment. For the analysis of a hydrogen combustion in the containment, an open-source CFD (computational fluid dynamics) code OpenFOAM is chosen. Data of the hydrogen and steam distributions obtained from a GASFLOW analysis are transferred to the OpenFOAM combustion solver by a conversion and interpolation process between the solvers. The combustion solver imports the transferred data and initializes the containment atmosphere as an initial condition of a hydrogen combustion analysis. The turbulent combustion model used in this study was validated by evaluating the F22 test of the FLAME experiment. The coupled analysis method was applied for the analysis of a hydrogen combustion during a station blackout accident in an APR1400. In addition, the characteristics of the flame acceleration depending on a hydrogen release location are comparatively evaluated.     

Severe accident analysis of a 1300 MWe PWR to address the hydrogen issue

The behaviour of the potentially large quantity of hydrogen generated during a severe accident has been recognised as an issue of importance since the accident at Three Mile Island. In this article, we describe a severe accident analysis for the Neckarwestheim 2 1300 MWe PWR “Konvoi” plant, performed primarily to investigate the behaviour of hydrogen in the containment, and draw conclusions regarding the need for hydrogen control systems (igniters). The Modular Accident Analysis Program (MAAP) developed by IDCOR in the United States, and the Westinghouse COMPACT multi-compartment containment code were used. The study investigated the generation, release to containment, distribution within containment and potential combustion of hydrogen produced during two severe accident sequences. Results are summarized which show that hydrogen mixing in containment is generally good and that even without hydrogen control systems, hydrogen combustion, although possible, does not threaten containment integrity.     

模块式高温气冷堆进水事故后的氢气行为分析

蒸汽发生器两根传热管双端断裂是模块式高温气冷堆（HTR-PM）典型的超设计基准事故,事故可能会导致氢气在反应堆舱室内的聚集,产生爆燃甚至爆轰的风险。本文使用反应堆流体计算程序GASFLOW,模拟了两根传热管断裂后排放到蒸汽发生器舱室以及反应堆舱室内的气体的输运及分布,并利用氢气燃爆分析程序COM3D进行了舱室内的氢气燃烧分析。计算结果表明,两根传热管断裂事故排放的氢气含量很小,舱室内氢气浓度最大不超过0.1%,如此低浓度的氢气不会发生燃烧爆炸。     

大型干式安全壳消氢系统的初步设计

以岭澳核电站为分析对象,利用MELCOR和TONUS(CEA)程序进行分析计算,给出了初步的消氢系统设计方案,对不同核电站的消氢系统设计方案进行了对比和讨论.结果表明:安全壳内安装33个FR750型或者17个左右的FR1500型氢气复合器可以满足氢气控制要求.     

Conceptual design and analysis of a semi-passive containment cooling system for a large concrete containment

An internal evaporator-only (IEO) concept has been developed as a semi-passive containment cooling system for a large dry concrete containment. The function of this system is to keep the containment integrity by maintaining the internal pressure not to exceed ultimate design pressure, i.e. 0.83 MPa (120 psia) in the absence of any other containment cooling following a severe accident, which postulates core damage and hydrogen combustion. The ability of the concept to protect the containment was evaluated for the design basis accident (DBA) large break loss of coolant accident (LB LOCA) and severe accident scenarios (LB LOCA without Emergency Core Cooling System (ECCS) and containment spray flow, 100% zirconium oxidation and complete hydrogen combustion). All were modeled using the GOTHIC computer code. It was concluded that a practical system requiring four IEO loops could be utilized to meet design criteria for severe accident scenarios.     

严重事故氢气燃爆缓解措施的初步研究

轻水堆核电站发生严重事故时,氢气的大体积氢燃爆可能会严重威胁安全壳的完整性.氢气点火器与氢气复合器是2种严重事故下的氢气燃爆缓解设备.本文分别研究了3种氢气燃爆缓解措施,包括仅采用氢气点火器、仅采用氢气复合器和采用氢气复合器结合点火器.结果表明,采用氢气复合器结合点火器的方式可以安全、持续、有效地降低大体积氢燃爆带来的风险.     

蒸汽份额对安全壳内氢气分布的影响

核电厂严重事故下安全壳内氢气的热工水力特性极其复杂,安全壳内氢气的流动与分布受多种因素影响,如安全壳通路、产氢速率、水蒸气份额等。本文使用三维计算流体力学软件CFX研究安全壳内的氢气浓度分布,关注在产生的混合气体中水蒸气份额对安全壳内氢气分布的影响。研究结果表明：所产生的混合气体中的水蒸气份额越高,水蒸气从破口区域携带出来的氢气越多;水蒸气促进了安全壳内的空气流动,导致破口区域的氢气浓度较低,其他区域的氢气分布则较为均匀。