作者:Paul McMinn，资深机械工程师，Fauske & Associates, LLC
介绍
核工业最近发生的事件表明，了解和减轻在核反应堆事故条件下产生可燃气体(氢和一氧化碳)的影响的重要性。减轻可燃气体燃烧带来的风险对于确保公众、核电站人员和反应堆的安全至关重要。
世界各地的核监管机构都要求降低可燃气体对安全壳的风险，但用于降低风险的设备因工厂和国家而异。被动自催化重组(PARs)的使用在世界范围内越来越普遍，作为一种减轻可燃气体控制风险的工具。PARs是完全被动的安全系统，它通过将氢气(H2)或一氧化碳(CO)与催化表面的氧气结合，形成水或二氧化碳。该过程以安全可控的方式从容器中去除可燃气体。需要对工厂进行具体分析，以确定要安装在安全壳内的par的适当数量和安装它们的最佳位置。
风险
在核反应堆发生严重事故的可能性不大的情况下，可燃气体可以在两个不同的阶段产生。当燃料首次暴露并开始加热时，可以通过蒸汽氧化锆燃料包层产生氢。这被称为容器内可燃气体产生阶段，因为它发生时，核心材料在反应堆容器内。另一种可燃气体产生阶段是出船阶段。这一阶段发生在核心材料已经融化通过反应堆容器，并已落在安全壳的混凝土地板上。氢和一氧化碳都是由核心熔体中的金属材料与混凝土热分解产生的氧化气体相互作用产生的。船内阶段产生可燃气体的速度要快得多，但船外阶段的过程持续时间要长得多。
易燃气体通过安全壳迁移，通过各种安全系统的操作可以混合或浓缩。如果可燃气体浓度达到足够的水平，即使是微弱的火源也能点燃它们。高浓度可燃气体的着火可能会对安全壳构成挑战，因为静态或动态压力载荷超过了结构的承受能力。利用绝热等容完全燃烧(AICC)假设，分析了可燃混合物产生的静压载荷。然而，由于火焰加速(FA)或爆燃至爆震过渡(DDT)产生的有效压力载荷可能超过AICC假设计算的压力。
火焰加速是一种现象，缓慢移动的火焰锋过渡到快速移动的火焰锋。这是由于复杂的化学反应和湍流的相互作用而产生的自我强化的火焰传播加速度。快速爆燃比慢速爆燃产生更高的有效压力载荷，在适当的条件下甚至可以过渡到起爆。易燃气体爆炸对安全壳结构和安全壳内的设备都具有极大的破坏性，而安全壳内的设备是减轻严重事故中放射性泄漏所必需的。
分析
模块化事故分析程序5.04版(MAAP5.04)*是一款分析核反应堆中严重事故的全范围的软件[EPRI, 2016]。通过适当的建模方法，该软件可用于计算可燃气体在围堰内的生成、迁移和燃烧风险。FAI最近使用MAAP5.04计算需要安装到大型干式压水堆安全壳内的par数目，以防止发生重大可燃气体燃烧事件。
*模块化事故分析程序(MAAP)严重事故代码是由EPRI(电力研究所)拥有和授权的软件
分析防止可燃气体风险所需的par数量的第一步是创建一个代表核反应堆的详细模型。创建这个模型是为了表示反应堆核心、主系统、蒸汽发生器和安全壳的具体配置。特别注意安全壳建筑的表现，因为安全壳设计和建模对可燃气体的数量和分布有很大的影响。
分析中最关键的时间框架是反应堆容器故障后持续约10小时的一段时间。
在这段时间内，熔融的芯材溢出到反应堆空腔的地板上，并开始熔化混凝土。这个过程会在反应堆容器附近的受限区域产生稳定供应的可燃氢和一氧化碳气体。这些炽热的可燃气体以浮力羽状物的形式从反应堆腔体中流出，将高浓度的可燃气体带入安全壳结构的最上层。对容器内可燃气体的积累进行了分析，以确定局部区域实现支持破坏性燃烧事件的条件的潜力。通过计算整个容器结构的三个关键指标来确定可燃气体燃烧的破坏性潜力:(1)AICC压力，(2)FA指数，(3)滴滴涕指数。
结果
对选定的事故序列进行多次迭代，以调查封隔器中不同位置的不同数量的par。下面显示的是最具挑战性的案例的结果，该案例仍然成功地减轻了可燃气体对遏制的风险。最具挑战性的事故场景是仅由风扇冷却器提供安全壳冷却的场景。当安全壳喷雾可用时，安全壳保持凉爽和混合良好。当没有系统从安全壳中去除衰变热时，安全壳的大气被高浓度的蒸汽惰性，防止氢和一氧化碳成为可燃气体。在只有安全壳风扇冷却器的情况下，成功的关键标准是，par的数量足以保持可燃气体浓度低于向下火焰传播的限制。当浓度低于这一限制时，点火只会导致不完全燃烧，不能支持火焰加速或造成足够高的压力，以挑战遏制。
样本结果如下所示，其中一个序列的安全壳风扇冷却器提供衰变热去除。图2至图6显示了整个容器内气体种类的分布。从图中可以看出，MCCI在近20000秒的序列中开始。MCCI的进程导致一股热气从反应堆容器周围的环空上升。热烟流上升到容器的顶部，一路带着较冷的气体。这一过程导致了相对混合的遏制。从反应堆空腔中放射出的羽流的行为如图8所示。
图7显示了容器内整个气体空间的温度分布。整个容器上部的温度相当高(超过400k)。高温和高可燃气体总浓度足以产生计算出的火焰加速指数超过1.0。图8显示了整个容器内不同区域的火焰加速指数图。然而，即使计算火焰加速指数在1以上，可燃气体浓度不足以支持火焰向下传播。尽管总(合)可燃气体浓度超过10%，但混合物中氢气不足，且不向下易燃。因此，这个序列是成功的。PARs的工作原理是将可燃气体浓度保持在支持破坏性燃烧事件的阈值以下。
图9容器故障约6小时后的密封条件可视化左图表示可燃气体浓度，中间图表示密度，右图表示温度。
总结
在世界范围内，被动自催化重组器(PARs)被越来越多地用于降低在核反应堆发生严重事故时产生可燃气体的风险。这些减氢系统的设计可以通过应用详细的建模和燃烧现象的知识，使用MAAP代码进行优化。这允许对许多潜在的事故类型进行综合分析，以确定系统在可能条件下的响应。通过合理设计的包括par在内的氢气控制系统，可以降低由于氢气和一氧化碳燃烧而导致的安全壳失效的风险。
参考文献
EPRI，“MAAP5代码修订MAAP 5.04用户手册”，FAI/16-0951, EPRI产品ID: 3002007340，帕洛阿尔托，2016年9月。
