小功率核反應(yīng)堆安全殼氫氣風(fēng)險(xiǎn)控制系統(tǒng)及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于核反應(yīng)堆安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)的事故(包括設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故、超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故和嚴(yán)重事故)緩解領(lǐng)域的適用于核反應(yīng)堆安全殼內(nèi)的氫氣風(fēng)險(xiǎn)控制系統(tǒng)，尤其適用于小功率核反應(yīng)堆鋼制安全殼內(nèi)的防止氫燃?xì)浔瑔栴}，具體是小功率核反應(yīng)堆安全殼氫氣風(fēng)險(xiǎn)控制系統(tǒng)及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在小功率核反應(yīng)堆嚴(yán)重事故進(jìn)程中，反應(yīng)堆堆芯金屬材料如鋯合金、不銹鋼等的氧化過程會產(chǎn)生大量的氫氣，在極端嚴(yán)重的事故情況下，堆芯熔融物熔穿壓力容器后，產(chǎn)氫主要是由于堆芯熔融物與反應(yīng)堆廠房基板混凝土相互作用(CCI)。小功率核反應(yīng)堆所采用的安全殼體積相對較小，氫氣釋放到安全殼內(nèi)后，在安全殼內(nèi)擴(kuò)散，與水蒸氣、空氣混合，形成可燃混合氣體。可燃混合氣體一旦發(fā)生爆炸，就可能造成安全設(shè)備和系統(tǒng)的損壞，破壞安全殼完整性，造成放射性物質(zhì)的大量釋放。
[0003]美國三哩島核電廠嚴(yán)重事故中發(fā)生過氫氣燃燒，造成一個(gè)未超過安全殼設(shè)計(jì)壓力的壓力峰，而日本福島核事故中的氫氣爆炸造成反應(yīng)堆廠房徹底毀壞，產(chǎn)生了嚴(yán)重的放射性后果及惡劣的社會影響。我國國家核安全局在2004年4月頒布的HAF 102《核動力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定》中要求“必須考慮嚴(yán)重事故下保持安全殼完整性的措施。特別是必須考慮預(yù)計(jì)發(fā)生的各種可燃?xì)怏w的燃燒效應(yīng)”。核安全與放射性污染防治“十二五”規(guī)劃及2020年遠(yuǎn)景目標(biāo)要求“完善嚴(yán)重事故下安全殼或其他廠房內(nèi)消氫系統(tǒng)的分析評估，并實(shí)施必要的改進(jìn)”。
[0004]針對嚴(yán)重事故下的氫氣風(fēng)險(xiǎn)，大型核電廠一般采用非能動氫氣催化復(fù)合器或者點(diǎn)火器來控制氫氣風(fēng)險(xiǎn)。大型干式安全殼型核電廠如法國的M310、EPR，俄羅斯的WWER，中國的二代改進(jìn)型核電廠都安裝了非能動氫氣催化復(fù)合器。大型鋼安全殼式核電廠如美國的AP1000安裝了點(diǎn)火器。但非能動氫氣催化復(fù)合器的消氫速率較慢，不能保證氫氣不可燃。而點(diǎn)火器在水蒸氣濃度較高(失水事故發(fā)生時(shí)出現(xiàn)的情況)可能失效，當(dāng)水蒸氣冷凝后，點(diǎn)火器可能成為氫氣濃度較高時(shí)發(fā)生爆燃甚至爆炸的點(diǎn)火源，并不適用于小功率核反應(yīng)堆的小型安全殼。
[0005]對于小功率核反應(yīng)的安全殼而言，嚴(yán)重事故時(shí)應(yīng)盡可能保證安全殼內(nèi)不發(fā)生任何形式的燃燒，以避免燃燒引起的設(shè)備及安全屏障的破壞，消除氫氣爆炸的可能性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的主要目的是提供一種適用于小功率核反應(yīng)堆的氫氣風(fēng)險(xiǎn)控制系統(tǒng)，使用惰性氣(例如氮?dú)?將小功率核反應(yīng)堆的小型鋼制承壓安全殼內(nèi)的氣體惰化，使安全殼內(nèi)事故下產(chǎn)生的氫氣處于不可燃燒的惰性環(huán)境下，再結(jié)合非能動的氫氣消除裝置，逐步降低安全殼內(nèi)的氫氣和氧氣濃度，進(jìn)而消除氫爆風(fēng)險(xiǎn)，提高小功率核反應(yīng)堆對抗嚴(yán)重事故的能力。
[0007]本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方案如下: 小功率核反應(yīng)堆安全殼氫氣風(fēng)險(xiǎn)控制系統(tǒng)，包括非能動惰性氣供應(yīng)系統(tǒng)和鋼安全殼系統(tǒng)，鋼安全殼系統(tǒng)包括鋼制承壓安全殼，在鋼制承壓安全殼內(nèi)設(shè)置有非能動除氫裝置，非能動惰性氣供應(yīng)系統(tǒng)包括與鋼制承壓安全殼內(nèi)部連通的惰性氣儲存箱；鋼制承壓安全殼還連通有排氣系統(tǒng)，還設(shè)置有氫氧濃度監(jiān)測系統(tǒng)。
[0008]從上結(jié)構(gòu)中可以看出，在小功率核反應(yīng)堆嚴(yán)重事故期間，氫氣生成后會進(jìn)入鋼制承壓安全殼內(nèi)，并在鋼制承壓安全殼內(nèi)聚集，期間，氫氣的濃度會逐漸增加，當(dāng)?shù)竭_(dá)爆炸極限濃度后是非常危險(xiǎn)的，而一般安裝在鋼制承壓安全殼內(nèi)的非能動除氫裝置的除氫氣的效率很低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上氫氣的生成速度，因此會使得氫氣的濃度逐漸增加，這個(gè)時(shí)候，我們設(shè)置的上述非能動惰性氣供應(yīng)系統(tǒng)會對鋼制承壓安全殼內(nèi)注入大量的惰性氣，而惰性氣儲存箱內(nèi)的高壓惰性氣會進(jìn)入鋼制承壓安全殼內(nèi)，以大量的惰性氣的填充，緩解氫氣在氣體中的含量比例，使得氫氣濃度降低到低于4%或?qū)⒀鯕鉂舛冉档偷降陀?%，這樣將可燃?xì)怏w混合物的狀態(tài)條件控制在安全的范圍內(nèi)，而注入惰性氣和產(chǎn)生的氫氣會導(dǎo)致鋼制承壓安全殼負(fù)擔(dān)巨大的壓力，因此，本發(fā)明還設(shè)置有上述排氣系統(tǒng)，在鋼制承壓安全殼內(nèi)部壓力過大時(shí)，會啟動排氣系統(tǒng)對鋼制承壓安全殼內(nèi)的氣體釋放，達(dá)到卸壓的目的。總的來說，本發(fā)明的設(shè)計(jì)原理是，利用高壓惰性氣的注入，使得鋼制承壓安全殼內(nèi)的氧氣、氫氣的含量比例降低，將可燃?xì)怏w混合物的狀態(tài)條件控制在安全的范圍內(nèi)，這樣就可以利用非能動除氫裝置逐漸消除氫氣的含量，達(dá)到進(jìn)一步穩(wěn)定系統(tǒng)的目的，整個(gè)系統(tǒng)的安全性能大大提高，生產(chǎn)的運(yùn)行成本也很低，非常適合小功率核反應(yīng)堆安全殼氫氣風(fēng)險(xiǎn)控制。
[0009]在本發(fā)明的具體實(shí)施過程中，惰性氣儲存箱連通鋼制承壓安全殼的管線為非動能供氣管線，所述非能動惰性氣供應(yīng)系統(tǒng)還包括手動截止閥和氣動截止閥，手動截止閥和氣動截止閥并聯(lián)后設(shè)置在非動能供氣管線上。手動截止閥和氣動截止閥并聯(lián)后組成2種開關(guān)，氣動截止閥為自動開關(guān)，手動截止閥為手動開關(guān)，手動截止閥和氣動截止閥中任意一個(gè)打開后，都可以使得非能動惰性氣供應(yīng)系統(tǒng)為鋼制承壓安全殼沖入惰性氣，提高安全性，避免氣動截止閥失效后，系統(tǒng)無法運(yùn)行，在氣動截止閥失效后，可以通過手動控制手動截止閥開啟供氣。
[0010]優(yōu)選的，手動截止閥和氣動截止閥、惰性氣儲存箱均設(shè)置在常規(guī)島廠房內(nèi)。氣動截止閥是一臺依靠壓縮空氣提供動力的截止閥。當(dāng)接到需要開啟的信號時(shí)，氣動截止閥可以自動打開，當(dāng)由于某些原因不能打開時(shí)，操縱員可以通過并聯(lián)的手動截止閥打開系統(tǒng)。
[0011]優(yōu)選的，為了提高安全性，惰性氣儲存箱連通鋼制承壓安全殼的管線為非動能供氣管線，在非動能供氣管線上還設(shè)置有安全殼外隔離閥，安全殼外隔離閥設(shè)置在鋼制承壓安全殼外部。安全殼外隔離閥用于避免正常工況下安全殼的隔離。
[0012]優(yōu)選的，為了提高安全性，惰性氣儲存箱連通鋼制承壓安全殼的管線為非動能供氣管線，非動能供氣管線延伸進(jìn)鋼制承壓安全殼內(nèi)的一段管線上設(shè)置有安全殼內(nèi)隔離閥和單向流動止回閥M。安全殼內(nèi)隔離閥用于避免正常工況下安全殼的隔離。
[0013]還設(shè)置有氫氧濃度監(jiān)測系統(tǒng)，氫氧濃度監(jiān)測系統(tǒng)包括設(shè)置在鋼制承壓安全殼內(nèi)的氫氣濃度監(jiān)測儀表，該氫氣濃度監(jiān)測儀表可實(shí)時(shí)測量鋼制承壓安全殼內(nèi)不同點(diǎn)的氫氧濃度，并將濃度信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集顯示器。
[0014]所述排氣系統(tǒng)包括設(shè)置在鋼制承壓安全殼外部的非能動安全殼過濾排氣裝置，非能動安全殼過濾排氣裝置與鋼制承壓安全殼內(nèi)部連通的管線為排氣管線，在排氣管線上設(shè)置有壓差截止閥和單向流動止回閥N。壓差截止閥可以在安全殼內(nèi)外壓差大于安全殼設(shè)計(jì)壓力時(shí)打開。非能動安全殼過濾排氣裝置包括氣體洗滌器、深度纖維濾網(wǎng)和活性炭過濾床裝置，依靠安全殼內(nèi)外壓差驅(qū)動，安全殼內(nèi)的氣體能夠非能動地排出安全殼，同時(shí)去除流出氣體的放射性，降低安全殼內(nèi)的壓力，防止安全殼的壓力超過安全限值。
[0015]單向流動止回閥N和單向流動止回閥M都是氣體防止倒流。
[0016]為了進(jìn)入鋼制承壓安全殼內(nèi)的氫氣能均勻的充斥在整個(gè)鋼制承壓安全殼內(nèi)，避免局部區(qū)間的氫氣含量過高，因此惰性氣儲存箱連通鋼制承壓安全殼的管線為非動能供氣管線，非動能供氣管線延伸到鋼制承壓安全殼內(nèi)的一端為端口 A，端口 A位于鋼制承壓安全殼的中心，且端口 A的噴射方向朝向型鋼制承壓安全殼底面。從端口 A噴出的惰性氣會沿鋼制承壓安全殼中軸線向下移動，帶動鋼制承壓安全殼底部區(qū)域的氫氣運(yùn)動，使得整個(gè)鋼制承壓安全殼內(nèi)的氣體形成環(huán)流，從而避免局部區(qū)間的氫氣含量過高。
[0017]小功率核反應(yīng)堆安全殼氫氣風(fēng)險(xiǎn)控制系統(tǒng)的控制方法，包括以下步驟:
步驟1:在小功率核反應(yīng)堆嚴(yán)重事故期間，當(dāng)堆芯出口溫度達(dá)到設(shè)計(jì)定值時(shí)，非能動惰性氣供應(yīng)系統(tǒng)中的惰性氣儲存箱釋放其內(nèi)部的惰性氣進(jìn)入到鋼制承壓安全殼內(nèi)，惰性氣注入的速率應(yīng)保證在氫氣大量釋放到安全殼前，將安全殼內(nèi)的氧氣濃度降低到5%或5%以下，使鋼制承壓安全殼的內(nèi)