小型一体化压水堆严重事故下氢气控制研究.pdf

小型一体化压水堆严重事故下氢气控制研究

摘要

福岛核事故发生后，核电厂严重事故下的氢气风险及控制问题再一次成为业界关注

的热点。近年来，用于核能多样化利用的小型一体化压水堆因其在建设周期、模块化布

置、固有安全性等方面具有显著优势，得到了世界各国的广泛关注。但小型一体化压水

堆在设计上与大型堆有很大不同，且严重事故进程与传统大型压水堆存在较大差异，使

得小型一体化压水堆的氢气源项、氢气在安全壳内的迁移以及对氢气控制系统的要求都

具有显著的特点。因此，针对小型一体化压水堆开展严重事故工况下的氢气源项、氢气

行为及氢气风险控制研究是满足小型一体化压水堆严重事故管理的重要课题之一，可为

小型一体化压水堆的严重事故管理提供技术基础。

本文采用机理性严重事故分析程序SCDAP/RELAP5，以小型一体化压水堆IP200为

研究对象，对典型严重事故序列氢气源项进行了系统性分析。针对SCDAP/RELAP5无

法模拟安全壳内严重事故现象的不足，开发了安全壳内二维氢气分析程序，研究了氢气

在小型一体化压水堆安全壳内的分布与迁移，分析了严重事故下小型一体化压水堆安全

壳内的氢气风险，并对安全壳内氢气燃烧载荷进行了研究。最后从严重事故管理的角度

研究了氢气控制系统的消氢能力，提出了适用于小型一体化压水堆安全壳的氢气控制方

案。

本文的主要研究内容包括：

（1）以小型一体化压水堆IP200为研究对象，利用RELAP5/SCDAP程序建立了适

用于IP200反应堆的堆内严重事故分析模型和堆外抑压水池分析模型。分析了IP200在

典型高压熔堆和低压熔堆事故序列下的热工水力响应、堆芯降级进程、抑压水池压力响

应和氢气产生过程，讨论了破口面积大小对堆芯降级进程和氢气源项的影响，为后续研

究提供了氢气源项和安全壳输入边界。

（2）针对SCDAP/RELAP5程序无法分析安全壳内严重事故现象的局限性，开发了

安全壳二维氢气分析程序，用于分析有抑压水池设计的安全壳内氢气行为。并通过国内

外相关实验验证了程序的准确性。同时，以前文SCDAP/RELAP5程序的计算结果为输

入边界，利用开发的二维安全壳内氢气分析程序分析了严重事故下氢气、水蒸气和空气

在小型一体化压水堆安全壳内的传输、分布和混合过程，计算多种组分的温度、压力和

份额在时间和空间上的变化，获得了氢气释放期间的二维分布场图，直观展示了氢气在

安全壳内的流动分布进程。依据Shapiro图初步分析了氢气释放期间安全壳内不同区域

IX

哈尔滨工程大学博士学位论文

的氢气风险，研究表明由于小型一体化压水堆安全壳的特殊结构，氢气在安全壳内呈均

匀分布，在安全壳的中部、底部环廊和抑压水池气空间均有发生氢气燃烧的风险。

（3）针对安全壳空间内的氢气燃烧问题，对开发的安全壳内氢气分析程序进行功

能拓展，通过添加氢气燃烧反应机理、新增湍流火焰速度封闭模型等内容，完成了适用

于安全壳内氢气燃烧仿真计算的安全壳二维氢气分析程序。并利用德国THAI-HD22实

验数据论证了程序的准确性。在此基础上，针对相当于100%锆-水反应产生的氢气在安

全壳内发生燃烧的事故工况，研究了其对安全壳的压力载荷和热载荷，发现有抑压水池

设计的安全壳能很好的应对氢气燃烧带来的压力陡升，进而保证安全壳的完整性。同时，

从不同氢气浓度和不同燃烧起始点两个角度分析了安全壳内氢气燃烧的后果。

（4）针对安全壳内氢气控制问题，在安全壳二维氢气分析程序的基础上，基于氢-

氧复合反应的单步化学模型新增了非能动复合器功能模块，并利用法国Kali-H2实验验

证了程序的准确性。随后，利用该程序研究了仅安装点火器的氢气控制方案，研究表明

点火器可以有效降低安全壳内氢气浓度，但火焰燃烧温度超过了2500K，存在安全壳热

载荷过高的威胁。针对仅安装点火器控制方案的不足，提出了仅安装非能动氢气复合器

（PassiveAutocatalysticRecombiner,PAR）的控制方案，并针对该方案进行了可行性论

证和改进设计，研究表明PAR可在更宽的浓度范围内进行消氢作业，但仍可能发生氢

气燃烧。针对PAR和点火器的不足，提出了点火器和PAR联