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，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。 對于氫氣風(fēng)險而言，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)計的氫氣安全問題，目前最迫

2、切的一個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價框架，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)定和驗證所使用的分析工具；②、如何建立氫氣分析模型，并對模型進(jìn)行驗證，保證計算結(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、氫氣源項的釋放特性；⑤、氫氣在安全殼內(nèi)的流動分布；⑥、氫氣燃燒風(fēng)險

3、評估；⑦、氫氣緩解措施(例如，氫氣復(fù)合器、點火器)的效果分析；⑧、氫氣緩解措施的優(yōu)化設(shè)計。 主要的研究內(nèi)容包括： (1)基于確定性分析和核電廠1級概率安全分析(PSA)，提出一種新的事故分析方法。通過對大破口失水(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。 (2)以典型的大破口失水嚴(yán)重事故為計算基準(zhǔn)，本文研究了氫氣在安全殼空間內(nèi)的流動特性和濃度分布。研究表明，噴淋對安全殼內(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。分析表明，噴淋效應(yīng)會極大地增加氫氣爆炸的風(fēng)險，并直接威脅到安全殼完整性，因此綜合地評估噴淋對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之一。 (3)針對我國壓水堆核電廠的實際情況，本文對比研究了各種氫氣緩解措施，確定非能動氫氣催化復(fù)合器、點火

6、器及“點火器+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)合器和點火器分析模型。在此基礎(chǔ)之上，論證了復(fù)合器、點火器以及“點火器+復(fù)合器”的消氫效果，包括消氫效率、點火時機(jī)、點火器位置、燃燒對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)計準(zhǔn)則。 (4)局部氫氣爆炸是氫氣風(fēng)險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)，而計算流體力學(xué)方法(CFD)可以很好地彌補這個缺點。本文從LP方法分析結(jié)論出發(fā)，提出分析重點是“壓力容器內(nèi)氫氣釋放階段的氫氣在安全殼內(nèi)的流動分布”的觀點，并使用CFD程序，研究了氫氣在安全殼局部空間的流動特性，作為集總參數(shù)方法分析結(jié)論的重要補充。集總參數(shù)方法和計算流體力學(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環(huán)節(jié)，為我國核電廠嚴(yán)重事故氫氣控制與管理提供了