AP1000核电厂氢气爆燃分析

摘 要 在核电商用历史上共发生了三起严重事故，除切尔诺贝利核电厂堆芯直接炸毁外，另外两起事故都在堆芯熔化过程中产生了大量氢气。本文以AP1000为对象，通过保守假设分析氢气在爆燃情况下的安全壳压力，结果表明不会导致安全壳发生超压失效。

关键词 严重事故；氢气爆燃；理论分析

中图分类号TL4 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2014）123-0119-02

0 引言

在核电厂发生严重事故情况下，反应堆内的锆和其它金属的氧化反应可能产生大量的氢气。如果氢气释放到安全壳内的大空间，将与氧气充分混合，氢气在达到一定浓度后可能发生燃烧、爆燃甚至爆炸，可能会危及安全壳的完整性。如果氢气爆炸导致安全壳失效，将造成严重的放射性释放后果。因此，氢气问题是严重事故分析中的一个重要研究领域。

本文以AP1000为研究对象，通过保守假设堆芯熔化产生相当于100%活性区锆包壳与水反应形成氢气量，计算该条件下氢气爆燃可能形成的安全壳压力，分析安全壳在该条件下失效的可能性。

1分析过程与结果

氢气-空气-蒸汽的混合物可按下列模式进行燃烧：扩散火焰、慢速和加速爆燃以及爆炸。扩散火焰是静止的，并且主要对附近的结构或者设备施加热负荷。爆燃或爆炸为预混合气体的燃烧，又可分为慢速爆燃和加速爆燃。其中慢速爆燃不会产生动力载荷，加速爆燃将会产生冲击波和动力载荷。

在氢气行为研究的基础上，我国针对核电厂严重事故下缓解氢气燃烧和爆炸风险的要求，制定了核安全法规和标准，提出了氢气控制系统的设计要求。法规中明确要求核电厂设计中事故下安全壳内氢气平均浓度不能超过10%，由此避免安全壳内产生氢气爆炸的可能性。根据参考文献[1]，AP1000不可能在安全壳内直接发生氢气爆炸，但可能发生氢气爆燃-爆炸转变，本文主要针对爆燃产生的压力，不考虑爆燃-爆炸转变。

氢气爆燃产生的安全壳压力瞬态采用绝热等容完全燃烧的方法保守计算安全壳的压力，计算的基本思想如下：首先确定在事故前安全壳初始条件，以得到安全壳内干燥空气和蒸汽的初始摩尔数。由理想气体公式计算干燥空气摩尔数

，由氢气质量可以得到氢气的摩尔数（nH2），则干燥

空气混合物中氢气所占的份额为，在氢气燃

烧前总压力（P0）和相对湿度（）是输入参数，根据此参数可计算蒸汽分压。先假定一个蒸汽分压（PPst），则饱和温度

（Tsat）可由饱和压力（Psat）得到，不可凝气体分压

（PPnc）由理想气体方程得到，将总压力

（PPst+PPnc）与P0比较，从而迭代得到蒸汽的初始分压。由于相对湿度越大，氢气爆燃后压力越高，因此分析中值取1。

在确定氢气燃烧前的安全壳条件后，可由氢气燃烧前后的能量平衡方程得到绝热等容完全燃烧条件下的温度，绝热、等容和完全燃烧压力由绝热、等容和完全燃烧温度（Tf）以及燃烧后安全壳内的摩尔数（nf）代入理想气体方程得到，根据参考文献[3]，AP1000安全壳内自由容积约为58000m3，100%活性区锆包壳反应产生的氢气量为788kg，将这些数值代入上述公式，并根据文献中典型的事故序定安全壳的初始条件，同时将不可凝气体物性考虑为温度的函数，即可计算安全壳内氢气爆燃产生的安全壳压力。详细的计算条件和计算结果见

表1。

安全壳容积 5.8622E+04m3

氢气质量 7.8800E+02kg

安全壳初始条件：

空气压力 1.2188E+05Pa

蒸汽压力 1.7137E+05Pa

氢气压力 2.1712E+04Pa

燃烧前压力 3.1496E+05Pa

燃烧前温度 3.8856E+02K

蒸汽摩尔份额 0.5498

氢气摩尔份额 0.0681

氧气摩尔份额 0.0764

氢气体积浓度 6.8%

燃烧前后气体组成：

质量（kg） 比热（J/kg-K）

氮气 初始 4.7064E+04 7.4503E+02

最终 4.7064E+04 8.5140E+02

二氧化碳 初始 3.8925E+03 7.3981E+02

最终 3.8925E+03 1.0112E+03

蒸汽 初始 5.7279E+04 1.4329E+03

最终 6.4371E+04 1.7628E+03

氧气 初始 1.4155E+04 6.7648E+02

最终 7.8506E+03 8.1068E+02

氢气 初始 7.8800E+02 1.0444E+04

最终 0.0000E+00

燃烧后安全壳压力和温度

安全壳峰值压力 0.724MPa（90.3psig）

安全壳峰值温度 640℃（913.6K）

表1 氢气等容绝热燃烧计算

计算结果表明安全壳峰值压力为0.72MPa，超过安全壳设计压力，但低于安全壳的Service Level C压力，可以认为安全壳不会发生氢气爆燃条件下的超压失效。

2 结论

AP1000核电厂不会直接在安全壳内发生氢气爆炸。本文采用绝热等容完全燃烧方法保守的估算AP1000在100%活性区锆包壳反应产生氢气量的条件下安全壳内可能形成的压力，分析表明该压力峰值小于安全壳的Service Level C压力，因此，可以认为安全壳不会发生超压失效。

参考文献

[1]郑金辉，董长根.AP1000防止氢气爆炸的优越性.科技与生活，2012（18）.

[2]林诚格.非能动安全先进核电厂AP1000[M].北京：原子能出版社，2008.

[3]孙汉虹.第三代核电技术AP1000[M].北京：中国电力出版社，2010.