CAP1000氢气缓解的设计分析和研究

在严重事故下,堆芯燃料棒锆包壳与水蒸气反应产生大量氢气。如果发生压力容器失效,堆芯熔融物与混凝土相互作用,将产生额外的氢气以及一氧化碳等可燃气体。氢气释放到安全壳,达到一定浓度后可能发生燃烧、爆燃甚至爆炸,可能危及安全壳的完整性。本文梳理CAP1000氢气缓解措施设计现状,从序列分析和概率论角度探讨了缓解措施的有效性和可靠性,探索了可能的改进措施并进行效果分析,这些分析和研究有助于对氢气风险的全面理解。     

AP1000核电厂氢气点火器功能分析

采用集总参数分析程序对AP1000核电厂安全壳内氢气点火系统功能进行了分析和验证。在定义的包络事故工况下,氢气最大瞬时释放速率达300kg/min。计算表明：在无点火措施情况下,AP1000安全壳局部隔间的氢气浓度较高,隔间内的气体处于可燃状态,且接近爆燃向爆炸转变（DDT）状态;在实施点火措施情况下,氢气浓度得到有效控制,氢气点火系统能消除严重事故下氢气所引起的风险。     

严重事故缓解措施对全厂断电(SBO)事故进程影响分析

应用新版的MELCOR程序,以600 MW机组为对象,进行了SBO严重事故进程研究,在严重事故计算分析中比较了稳压器功能延伸、非能动氢气复合等缓解措施(3个方案)对严重事故进程和现象的影响.对堆芯熔融过程中包壳和燃料栅元的径向和轴向分段失效模式进行了模拟;计算了熔融堆芯和堆坑混凝土的相互作用(MCCI)引起的堆坑径向和轴向熔蚀的情况;对事故中后期可燃气体的产生、分布及非能动氢气复合系统在安全壳中对氢气的复合效应进行了评价和分析.分析结果表明,事故下稳压器延伸功能的及时投入,可使堆芯整体坍塌失效及压力容器熔穿均延后了近5 h,同时也降低了通过蒸汽发生器(SG)U型管向二次侧及环境早期释放放射性的风险.方案3_C表明10台氢气复合器在24 h内有效地复合了667 kg氢气,安全壳大空间最大氢气摩尔浓度为3.12%,安全壳内压力约为0.4 MPa.     

压水堆核电厂失水事故后安全壳内产氢量计算研究

采用ORIGEN2程序对压水堆核电厂失水事故工况下堆芯区和地坑区氢气的产生量进行计算,以合理减少安全壳内可燃气体的控制设计评价的保守性.通过冷却剂的辐照分解产氢以及其他相关计算模型,对600MW(电功率)级压水堆核电厂失水事故工况下的氢气产生量进行计算.计算结果表明原评价结果过于保守,在核电厂失水事故后仍有充分的时间准备投入安全壳内氢气复合器.     

安全壳过滤排放系统内部氢气风险研究

安全壳过滤排放系统（CFVS）用于严重事故情况下排出安全壳内大气以防止安全壳超压失效。其排放气体中的水蒸气在经过CFVS的管道和容器时会发生冷凝,导致氢气和氧气浓度上升,有可能引发氢气燃烧或爆炸。为了评估“华龙一号”（HPR1000）核电站CFVS内的氢气风险,建立了反应堆与安全壳模型和详细的CFVS模型,选取典型的严重事故序列对事故后CFVS开启以及混合气体进入CFVS的浓度变化过程进行了计算,并根据夏皮罗图对CFVS内的氢气风险进行判断。计算考虑了堆腔注水冷却系统（CIS）有效和失效情况下不同的安全壳大气组分进入CFVS后的浓度变化,结果显示CFVS开启时前者的氢气大部分被复合,后者的氧气则被复合反应消耗,因此2种情况下都不会发生燃烧或爆炸。计算还分析了在安全壳内布置氢气复合器以及在CFVS中实施氮气覆盖这两种缓解措施的作用,计算表明不考虑缓解措施时,CFVS内的气体组分在夏皮罗图中进入了快燃或燃爆区。研究表明HPR1000在采用了上述的缓解措施情况下,其CFVS系统内部不会发生氢气爆燃风险。     

先进压水堆核电站氢气风险分析

核电厂在严重事故期间会产生大量氢气并释放到安全壳内,威胁安全壳的完整性。应用氢气风险分析程序GASFLOW对先进压水堆核电站在大破口失水事故叠加应急堆芯冷却系统失效导致的严重事故期间的氢气行为及风险进行分析。结果表明,当气体释放源位于蒸汽发生器隔间时,氢气流动的主要路径为"蒸汽发生器隔间—穹顶空间—操作平台以下隔间";破口隔间的氢气体积浓度分布与源项氢气体积浓度及射流形态有关,非破口区域的氢气体积浓度呈层状分布,在扩散作用下,层状分布向下推移;蒸汽发生器隔间存在着火焰加速(FA)的可能性,但基本可排除燃爆转变(DDT)的可能性,穹顶区域基本可排除FA和DDT的可能性。     

先进压水堆核电厂氢气控制策略分析研究

新建核电厂的设计必须做到"实际消除"早期与大量放射性释放的可能性,氢气燃爆导致的安全壳失效是必须要"实际消除"的严重事故工况之一。因此对各种消氢措施的特点进行分析研究,建立联合消氢策略评价方法,可为先进压水堆核电厂氢气控制策略选择设计评价提供支持手段。根据严重事故管理中对氢气控制策略的考虑,研究安全壳内局部位置的可燃性是相关设计评价的关键问题。根据可燃性准则、火焰加速准则、燃爆转变准则,本文使用三维CFD程序对典型严重事故工况下安全壳蒸汽发生器隔间内的可燃性及氢气风险进行模拟分析。研究结果表明,虽然喷放源项中有大量水蒸气,蒸汽发生器隔间中仍有较大区域处于可燃限值以内,合理布置的点火器能在设计中点燃并消除氢气。本研究建立的分析方法能用于对核电厂氢气控制策略选择设计的评价。     

先进压水堆核电厂氢气控制策略分析研究

新建核电厂的设计必须做到“实际消除”早期与大量放射性释放的可能性,氢气燃爆导致的安全壳失效是必须要“实际消除”的严重事故工况之一。因此对各种消氢措施的特点进行分析研究,建立联合消氢策略评价方法,可为先进压水堆核电厂氢气控制策略选择设计评价提供支持手段。根据严重事故管理中对氢气控制策略的考虑,研究安全壳内局部位置的可燃性是相关设计评价的关键问题。根据可燃性准则、火焰加速准则、燃爆转变准则,本文使用三维CFD程序对典型严重事故工况下安全壳蒸汽发生器隔间内的可燃性及氢气风险进行模拟分析。研究结果表明,虽然喷放源项中有大量水蒸气,蒸汽发生器隔间中仍有较大区域处于可燃限值以内,合理布置的点火器能在设计中点燃并消除氢气。本研究建立的分析方法能用于对核电厂氢气控制策略选择设计的评价。     

AP1000严重事故分析

AP1000设计中考虑了以下几类严重事故：堆芯和混凝土相互反应;高压熔堆;氢气燃烧和爆炸;蒸汽爆炸;安全壳超压;安全壳旁通。本工作给出了AP1000在设计时对严重事故的考虑和发生严重事故后的最终结果。     

应用MELCOR1．8．5对无缓解SBO严重事故进程的研究

应用新版的MELCOR程序，以秦山二期核电厂为对象，对无缓解措施条件下的SBO严重事故序列进行了分析计算，对堆芯熔融过程中包壳和燃料芯块的径向和轴向分段失效模式进行了模拟．对事故中后期可燃气体的产生、分布及在安全壳中的行为进行了估算。分析结果表明，堆芯在事故发生约3h后开始失效；压力容器在约10h后发生熔穿；氢气和一氧化碳在穹顶发生的剧燃导致了安全壳在30h后超压失效。     

安全壳冷却系统蒸汽冷凝传热研究综述

为保证事故条件下核电厂安全壳的完整性,新一代核电厂广泛采用安全壳冷却系统对事故中释放的蒸汽进行冷却,达到持续稳定导出堆芯蓄热与衰变余热的目的。含不凝性气体（空气、氢气等）的蒸汽在安全壳换热壁面上的冷凝传热成为疏导安全壳内部热量的重要手段。本工作对核电厂事故条件下含不凝性气体蒸汽的冷凝传热进行综述研究,深入全面分析传热过程,提出针对性意见,为核电厂安全壳冷却系统的热工水力研究奠定了基础。     

小型堆严重事故下安全壳内氢气行为分析

采用MELCOR程序,对小型堆破口叠加全部电源丧失的典型严重事故进行计算,并对安全壳内发生氢气燃烧、爆炸的可能性进行分析。结果表明:主管道直径3.72%的破口叠加全部电源丧失后,堆芯裸露,出现熔堆事故;同时锆水反应产生的大量氢气进入安全壳,使安全壳内氢气含量上升,在安全壳局部空间、屏蔽水箱内出现氢气燃烧。但由于小型堆安全壳净容积较小,水蒸气含量较高,氧气含量较少,不会导致氢气爆炸。     

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。     

900MW核电站严重事故缓解系统功能分析

应用新版的MELCOR程序，以900MW机组为对象，进行了SBO严重事故进程研究，在严重事故计算分析中比较了稳压器功能延伸，非能动氢气复合等缓解措施（3个方案）对严重事故进程和现象的影响。对堆芯熔融过程中包壳和燃料栅元的径向和轴向分段失效模式进行了模拟；计算了MCCI引起的堆坑径向和轴向熔蚀的情况；对事故中后期可燃气体的产生、分布及非能动氢气复合系统在安全壳中对氧气的复合效应进行了评价和分析。分析结果表明，事故下稳压器延伸功能的及时投入，可使堆芯整体坍塌失效及压力容器熔穿均延后了2h左右，并且避免了高压堆熔引起的安全壳直接加热现象，消除了由此引起的对安全壳完整性的威胁。各方案均表明，由于从一回路迁移到安全壳的大量水蒸汽对氢气燃烧的惰化作用，在一定程度上避免了安全壳内氢爆的发生，而氢气复合器在空间和数量上的合理布置，则可以完全消除大空间内燃爆的威胁。24h内堆坑地板没有完全熔穿的情况出现。     

自然循环冷却的钢制安全壳压力响应敏感性分析

非能动安全壳空气冷却系统（PAS）是模块化小型堆的重要组成部分，也是安全壳设计的核心。该系统保证安全壳压力不超过设计限值，保证安全壳完整性。本文采用拉丁超立方抽样（LHS）的方法对可能影响安全壳压力响应过程的13个参数进行了系统的敏感性分析。研究结果表明壳内初始温度、壳外气体温度对安全壳压力响应过程最为敏感。本文首次使用通用的最佳估算安全壳分析软件和统计分析方法进行安全壳压力响应敏感性分析，该研究结果为安全壳设计、安全分析和安全评审提供技术支持。      

对流换热模型对局部氢气流动影响的数值研究

在严重事故下,氢气和水蒸气在安全壳局部隔间内释放,并通过相对窄小的流道向其他隔间流动迁移,气体与隔间壁面之间的换热过程对氢气分布有重要影响。本文采用计算流体力学(CFD)方法对安全壳内具有竖直连接结构特点的局部隔间建立分析模型,分别讨论了基于类比理论的Von Karman类比、Reynold类比和直接类比三种对流换热模型对隔间内压力变化、壁面凝结换热量、氢气和蒸汽浓度分布情况的影响。结果表明,采用Von Karman类比和Reynold类比模型所获得的局部隔间整体的蒸汽壁面凝结量以及气体流动行为基本保持一致,采用直接类比模型模拟的蒸汽凝结量比前两种模型更多。大部分蒸汽凝结发生在有源隔间顶部壁面,直接类比模型对此处凝结量的模拟高于Von Karman类比和Reynold类比模型,由此导致有源隔间内气体温度降低,浮力驱动下氢气向无源隔间的迁移也相应减弱,使得无源隔间内的氢气浓度较小。     

基于火焰加速和燃爆转变准则的氢气点火安全性研究

采用点火器对可燃混合气体进行预先点火是严重事故下的1种可供选择的氢气缓解措施。基于σ准则和λ准则可以评估氢气燃烧时发生火焰加速(FA)和爆燃向爆炸的转变(DDT)的可能性。本文分析密闭房间中氢气早期和晚期点火的过程。分析结果表明，点火器在空间的合理布置和初次点火时间的控制，可有效移除事故前期的氢气。本方法能用于确定核电站干式安全壳内氢气点火器的数量、位置和点火时间。     

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。     

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。     

岭澳二期百万千瓦级核电站全厂断电严重事故初步分析

用MELCOR程序对岭澳二期百万千瓦级核电站全厂断电叠加汽动给水泵不能启动严重事故进行（不考虑安全壳缓解措施作用的）具有最大产氢量的分析表明：全厂断电叠加汽动给水泵不能启动的严重事故产生835kg氢气，每台机组在安全壳内安装36台氢气复合器，可使局部的最大氢气浓度〈8．0％，满足氢气浓度〈10％的相关验收准则要求。 当稳压器泄压阀打开到反应堆压力容器失效以后，来自主回路和堆坑的大量蒸汽、空气和汽液共存体首先升到安全壳的顶部，安全壳顶部的氢气浓度低于安全壳中上部的氢气浓度，所以，在安全壳的顶部不会发生氢气爆燃。由于氢气质量比较轻，也不会漫延到安全壳的底部。因此，安全壳中上部的氢气浓度要高于底部和顶部的氢气浓度。安全壳的顶部和下部不安装氢气复合器是安全的。但在反应堆堆坑应适当增加汽（气）体的流动面积，可使堆坑的氢气浓度大大降低。