一种防止氢爆的缓解核电严重事故装置及缓解方法

摘要

本发明公开了属于核电站安全设备与技术领域的一种防止氢爆的缓解核电严重事故装置及缓解方法。氢气吸附装置安装于安全壳的内壁面和上部空间，利用碳纳米纤维材料的物理吸附特性，在不借助外部动力的情况下对氢气进行吸收和储存，当安全壳内部产生大量氢气时，装置通过持续吸附和点燃氢气，降低安全壳内部的氢气浓度，避免其爆炸的危险，同时还降低安全壳内部的压力，从而达到缓解反应堆严重事故的目的。该装置运行过程不需要外部动力的供给，该装置能长期稳定运行、性能可靠、后备安全性好、实施方便、控制简单、符合当前新型核电堆型的设计要求。

说明书

技术领域

本发明属于核电站安全设备与技术领域，特别涉及一种防止氢爆的缓解核电严重事故装置及缓解方法。

背景技术

安全壳是核反应堆的最后一道屏障，具有后备的安全性，因此安全壳内部可燃气体的控制是严重事故管理的重要内容。我国岭澳二期工程和秦山二期扩建工程已经把增加安全壳消氢系统作为安全壳内可燃气体控制的重要措施，美国三里岛事故验证了安全壳及其安全措施对防护核电站的极端重要性，2011年日本福岛核电站所发生的接二连三的氢爆，更说明了防止氢燃氢爆的重要性。为了保证安全壳能够在核电站严重事故下行使安全功能，避免其失效，一般采取保守的设计、甚至加厚安全壳厚度来实现。在法国的第三代新型压水堆中还采取了双层安全壳来实现这一目标。美国西屋公司的AP1000则在其外增加了非能动的安全冷却设施。在先进反应堆的研究和设计中，人们越来越关注严重事故的预防和缓解措施，采用可靠性高的安全措施则是一个重要的标志。所以，要解决在严重事故工况下的事故缓解问题，必须有一种能够在发生严重事故的工况下，能够快速直接地实现对核电中能量传递、放射性释放等关键要素的控制，以保证核电站乃至周围环境的安全的设施。

在2004年颁布的HAF102对未来核动力厂的安全目标和纵深防御概念规定了五个层次的防御目标，其中第四层次防御的目的是针对可能超过设计基准的严重事故，并保证尽可能低的放射性释放。这一层次最重要的目的是保护包容功能。因此必须考虑严重事故下保持安全壳完整性的措施，特别是必须考虑预计发生的各种可燃气体的燃烧效应。

当前世界上对安全壳内氢气浓度的控制和设计，主要围绕以下几个方面来进行：

1)设置反应堆堆腔淹没系统，国外研究表明，如果有反应堆堆腔淹没系统，在事故发生后前40h内安全壳内的氢浓度始终小于4％。

2)设置安全壳消氢系统，即通过分析选取在堆芯熔化事故中氢气产生最严重、最苛刻的几种典型事故工况(结合PSA、事故包络性及工程判断选择事故序列)，计算安全壳内的氢气产量和氢浓度分布，再设置一定数量的非能动氢复合器或点火器，布置在安全壳内自由空间和氢局部浓度可能超过限值的设备隔间里进行消氢。

3)选择大容量的安全壳容积。

4)在压力容器顶部、稳压器上封头引出混合气体排放管线，经卸压箱及时排放到安全壳内自由空间。

5)设置安全壳内蒸汽浓度增加系统，以抑制氢气的爆燃或爆炸。

目前核电站中防止氢爆的方法主要采用了氢气复合器(PAR)和点火器两种方式或两种方式相结合。如田湾核电站采用了44台PAR，EPR设计采用47台PAR，而秦山二期采用44台点火器，AP-1000设计采用2台PAR，64台点火器。PAR采用非能动运行模式，符合未来先进性核电机组简化运行的理念，但在假定100％燃料覆层与水反应的严重事故下，由于锆-水反应能快速产生氢气，使得采用PAR的系统在安全壳内某些局部区域(如蒸汽发生器隔间)，不能防止局部氢气浓度超过爆燃低限，而且PAR价格很昂贵。对于氢点火器则需要动力供应，且存在电气接线复杂以及有可能增加安全壳贯穿件数量的缺点，同时不完全符合第三代核电非能动的特点。

虽然现在对PAR+氢点火器的这个方案也有了新的进展，但不管是哪一种方案，引进的代价都很昂贵，而其系统实现复杂。因此，在核电日益发展的今天，设计开发出先进的、具有中国自主知识产权的“防止氢爆的缓解核电严重事故装置及缓解方法”，就具有重大的现实价值。

发明内容

本发明的目的是公开一种防止氢爆的缓解核电严重事故装置及缓解方法。本发明的技术方案如下：

所述缓解核电严重事故装置由氢气吸附装置1、氢气储存箱2、压差式止回阀3、最终氢气储存箱4、氢气吸附装置导出管5和导管9组成；氢气吸附装置1设置在安全壳的内壁面和上部空间，其上部为临时氢气储存箱11，下部为碳纳米纤维材料10，氢气储存箱2设置在安全壳上部壁面，氢气吸附装置导出管5连接着临时氢气储存箱和氢气储存箱2，压差式止回阀3通过导管9连接着氢气储存箱2和最终氢气储存箱4。

所述最终氢气储存箱4内设置有点火器7、安全阀6和氢气浓度测量仪8。

所述最终氢气储存箱4的体积为100m³。

所述氢气浓度测量仪8用于测量最终氢气储存箱4的氢气浓度。

所述安全阀6为杠杆式安全阀。

当安全壳内部有氢气产生时，安全壳内部压力提高，此时氢气吸附装置1中的碳纳米纤维材料10就会吸附氢气和释放氢气，释放的氢气进入临时氢气储存箱11，之后通过上部的氢气吸附装置导出管5进入氢气储存箱2；当氢气储存箱2与最终氢气储存箱4之间的压力差超过压差式止回阀3的开启压力时，压差式止回阀3的阀门打开，氢气通过导管9和压差式止回阀3输出至最终氢气储存箱4中；当最终氢气储存箱4的氢气浓度位于4.1％-6％之间时，点火器7点燃氢气，从而降低了最终氢气储存箱4的氢气浓度。

当最终氢气储存箱4的压力超过安全阀6的起跳压力时，安全阀6的阀门打开。

所述安全阀6的起跳压力为安全壳工作压力上限的1-1.25倍。

本发明的有益效果包括：1)该装置运行过程不需要外部动力的供给，能长期稳定运行，性能可靠，可以适应一定的压力，符合当前新型核电堆型的设计要求；2)该装置采用的碳纳米纤维材料具有独特晶格及网孔排列结构，其储氢容量大、吸收和释放氢气速度快、对于少量的气体杂质不敏感、可重复使用；3)该装置被设计成内置式，但同时与外部的辅助设备相结合，从而有效地节省了安全壳内部空间，也方便于对整体系统的控制。4)该装置的后备安全性好，实施方便，控制简单。

附图说明

图1a为防止氢爆的缓解核电严重事故装置示意图。

图1b为氢气吸附装置导出管的局部放大图。

附图标记：1-氢气吸附装置 2-氢气储存箱 3-压差式止回阀 4-最终氢气储存箱 5-氢气吸附装置导出管 6-安全阀 7-点火器 8-氢气浓度测量仪 9-导管 10-碳纳米纤维材料 11-临时氢气储存箱

图2为氢气吸附装置结构示意图。

图3为碳纳米纤维材料的内部细微结构图。

具体实施方式

如图1a所示为防止氢爆的缓解核电严重事故装置示意图，如图1b所示为氢气吸附装置导出管的局部放大图。所述缓解核电严重事故装置由氢气吸附装置1、氢气储存箱2、压差式止回阀3、最终氢气储存箱4、氢气吸附装置导出管5和导管9组成；氢气吸附装置1设置在安全壳的内壁面和上部空间，氢气储存箱2设置在安全壳上部壁面，氢气吸附装置导出管5连接着氢气吸附装置1和氢气储存箱2，压差式止回阀3通过导管9连接着氢气储存箱2和最终氢气储存箱4；最终氢气储存箱4内设置有点火器7、安全阀6和氢气浓度测量仪8。

如图2所示为氢气吸附装置结构示意图。氢气吸附装置1由密封外壁包围而成，其上部为临时氢气储存箱11，下部为碳纳米纤维材料10，临时氢气储存箱连接着氢气吸附装置导出管5。

如图3所示为碳纳米纤维材料的内部细微结构图。碳纳米纤维材料作为炭基材料的一种，具有独特晶格及多网孔排列结构，由于这些层板之间的氢的结合是不牢固的，降压时能够通过膨胀来放出氢气。目前已经开发出能吸附氢的纤维状的炭，纤维直径约100纳米，在常温下，碳纳米纤维材料吸氢速度很快，可在3-4个小时之内完成；碳纳米纤维材料的放氢速度也很快，在0.5-1个小时之内即可完成。碳纳米纤维材料储氢容量很大，研究发现其吸附率为8wt％。基于物理吸附的机理吸附储氢，可以做到吸放氢条件温和。碳纳米纤维材料对氢气的吸附与脱附只取决于压力的变化，压力降低时，碳纳米纤维材料的释放能力加强，进而其吸附能力加强。碳纳米纤维材料对于少量的气体杂质不敏感，且可重复使用，理论寿命是无限的。对于碳基储氢吸附剂的起码要求是比表面积高，吸附分子和固体表面原子之间的相互作用可表述为Lenard-Jones势函数使用碳纳米纤维材料进行氢气的吸附能有效降低事故状态下安全壳内部的氢气浓度。

当安全壳内部有氢气产生时，安全壳内部压力提高，此时氢气吸附装置1中的碳纳米纤维材料10就会吸附氢气和释放氢气，释放的氢气进入临时氢气储存箱11，之后通过上部的氢气吸附装置导出管5进入氢气储存箱2；当氢气储存箱2与最终氢气储存箱4之间的压力差超过压差式阀门3的开启压力时，压差式止回阀3的阀门打开，氢气通过导管9和压差式止回阀3输出至最终氢气储存箱4中。

氢气储存箱4的体积为100m³，有效地避免了爆炸的产生。

氢气浓度测量仪8用于测量最终氢气储存箱4的氢气浓度。

安全阀6为杠杆式安全阀。

对于处于安全壳内部的氢气而言，在完全干燥的条件下，当干式安全壳内的氢气体积浓度高于4.1％时，氢气才会连续燃烧；当干式安全壳内的氢气体积浓度高于6％时，氢气才会连续爆燃；当干式安全壳内的氢体积浓度达到13％，氢爆炸才会发生。所以当最终氢气储存箱4的氢气浓度位于4.1％-6％之间时，点火器7点燃氢气，从而减小了最终氢气储存箱4的氢气浓度。

当最终氢气储存箱4的压力超过安全阀6的起跳压力时，安全阀6的阀门打开，从而降低氢气储存箱4的压力。

安全阀6的起跳压力为安全壳工作压力上限的1-1.25倍。