CN104979020A - 小功率核反应堆安全壳氢气风险控制***及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了小功率核反应堆安全壳氢气风险控制***及其控制方法，包括非能动惰性气供应***和钢安全壳***，钢安全壳***包括钢制承压安全壳，在钢制承压安全壳内设置有非能动除氢装置，非能动惰性气供应***包括与钢制承压安全壳内部连通的惰性气储存箱；钢制承压安全壳还连通有排气***，此外，还包括监测安全壳内氢氧浓度的监测***。本发明的优点在于：本发明提供了一套适用于小功率核反应堆的氢气控制***设计新方法，通过向小功率核反应堆的小型钢制安全壳内注入惰性气，并结合非能动氢气消除装置，保证安全壳内的气体混合物处于不可燃状态，从而消除了氢气燃烧***的风险。

Description

小功率核反应堆安全壳氢气风险控制***及其控制方法
技术领域
本发明属于核反应堆安全***设计的事故（包括设计基准事故、超设计基准事故和严重事故）缓解领域的适用于核反应堆安全壳内的氢气风险控制***，尤其适用于小功率核反应堆钢制安全壳内的防止氢燃氢爆问题，具体是小功率核反应堆安全壳氢气风险控制***及其控制方法。
背景技术
在小功率核反应堆严重事故进程中，反应堆堆芯金属材料如锆合金、不锈钢等的氧化过程会产生大量的氢气，在极端严重的事故情况下，堆芯熔融物熔穿压力容器后，产氢主要是由于堆芯熔融物与反应堆厂房基板混凝土相互作用（CCI）。小功率核反应堆所采用的安全壳体积相对较小，氢气释放到安全壳内后，在安全壳内扩散，与水蒸气、空气混合，形成可燃混合气体。可燃混合气体一旦发生***，就可能造成安全设备和***的损坏，破坏安全壳完整性，造成放射性物质的大量释放。
美国三哩岛核电厂严重事故中发生过氢气燃烧，造成一个未超过安全壳设计压力的压力峰，而日本福岛核事故中的氢气***造成反应堆厂房彻底毁坏，产生了严重的放射性后果及恶劣的社会影响。我国国家核***在2004年4月颁布的HAF 102《核动力厂设计安全规定》中要求“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”。核安全与放射性污染防治“十二五”规划及2020 年远景目标要求“完善严重事故下安全壳或其他厂房内消氢***的分析评估，并实施必要的改进”。
针对严重事故下的氢气风险，大型核电厂一般采用非能动氢气催化复合器或者点火器来控制氢气风险。大型干式安全壳型核电厂如法国的M310、EPR，俄罗斯的WWER，中国的二代改进型核电厂都安装了非能动氢气催化复合器。大型钢安全壳式核电厂如美国的AP1000安装了点火器。但非能动氢气催化复合器的消氢速率较慢，不能保证氢气不可燃。而点火器在水蒸气浓度较高（失水事故发生时出现的情况）可能失效，当水蒸气冷凝后，点火器可能成为氢气浓度较高时发生爆燃甚至***的点火源，并不适用于小功率核反应堆的小型安全壳。
对于小功率核反应的安全壳而言，严重事故时应尽可能保证安全壳内不发生任何形式的燃烧，以避免燃烧引起的设备及安全屏障的破坏，消除氢气***的可能性。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种适用于小功率核反应堆的氢气风险控制***，使用惰性气（例如氮气）将小功率核反应堆的小型钢制承压安全壳内的气体惰化，使安全壳内事故下产生的氢气处于不可燃烧的惰性环境下，再结合非能动的氢气消除装置，逐步降低安全壳内的氢气和氧气浓度，进而消除氢爆风险，提高小功率核反应堆对抗严重事故的能力。
本发明的实现方案如下：
小功率核反应堆安全壳氢气风险控制***，包括非能动惰性气供应***和钢安全壳***，钢安全壳***包括钢制承压安全壳，在钢制承压安全壳内设置有非能动除氢装置，非能动惰性气供应***包括与钢制承压安全壳内部连通的惰性气储存箱；钢制承压安全壳还连通有排气***，还设置有氢氧浓度监测***。
从上结构中可以看出，在小功率核反应堆严重事故期间，氢气生成后会进入钢制承压安全壳内，并在钢制承压安全壳内聚集，期间，氢气的浓度会逐渐增加，当到达***极限浓度后是非常危险的，而一般安装在钢制承压安全壳内的非能动除氢装置的除氢气的效率很低，远远跟不上氢气的生成速度，因此会使得氢气的浓度逐渐增加，这个时候，我们设置的上述非能动惰性气供应***会对钢制承压安全壳内注入大量的惰性气，而惰性气储存箱内的高压惰性气会进入钢制承压安全壳内，以大量的惰性气的填充，缓解氢气在气体中的含量比例，使得氢气浓度降低到低于4%或将氧气浓度降低到低于5%，这样将可燃气体混合物的状态条件控制在安全的范围内，而注入惰性气和产生的氢气会导致钢制承压安全壳负担巨大的压力，因此，本发明还设置有上述排气***，在钢制承压安全壳内部压力过大时，会启动排气***对钢制承压安全壳内的气体释放，达到卸压的目的。总的来说，本发明的设计原理是，利用高压惰性气的注入，使得钢制承压安全壳内的氧气、氢气的含量比例降低，将可燃气体混合物的状态条件控制在安全的范围内，这样就可以利用非能动除氢装置逐渐消除氢气的含量，达到进一步稳定***的目的，整个***的安全性能大大提高，生产的运行成本也很低，非常适合小功率核反应堆安全壳氢气风险控制。
在本发明的具体实施过程中，惰性气储存箱连通钢制承压安全壳的管线为非动能供气管线，所述非能动惰性气供应***还包括手动截止阀和气动截止阀，手动截止阀和气动截止阀并联后设置在非动能供气管线上。手动截止阀和气动截止阀并联后组成2种开关，气动截止阀为自动开关，手动截止阀为手动开关，手动截止阀和气动截止阀中任意一个打开后，都可以使得非能动惰性气供应***为钢制承压安全壳冲入惰性气，提高安全性，避免气动截止阀失效后，***无法运行，在气动截止阀失效后，可以通过手动控制手动截止阀开启供气。
优选的，手动截止阀和气动截止阀、惰性气储存箱均设置在常规岛厂房内。气动截止阀是一台依靠压缩空气提供动力的截止阀。当接到需要开启的信号时，气动截止阀可以自动打开，当由于某些原因不能打开时，操纵员可以通过并联的手动截止阀打开***。
优选的，为了提高安全性，惰性气储存箱连通钢制承压安全壳的管线为非动能供气管线，在非动能供气管线上还设置有安全壳外隔离阀，安全壳外隔离阀设置在钢制承压安全壳外部。安全壳外隔离阀用于避免正常工况下安全壳的隔离。
优选的，为了提高安全性，惰性气储存箱连通钢制承压安全壳的管线为非动能供气管线，非动能供气管线延伸进钢制承压安全壳内的一段管线上设置有安全壳内隔离阀和单向流动止回阀M。安全壳内隔离阀用于避免正常工况下安全壳的隔离。
还设置有氢氧浓度监测***，氢氧浓度监测***包括设置在钢制承压安全壳内的氢气浓度监测仪表，该氢气浓度监测仪表可实时测量钢制承压安全壳内不同点的氢氧浓度，并将浓度信息传输到数据采集显示器。
所述排气***包括设置在钢制承压安全壳外部的非能动安全壳过滤排气装置，非能动安全壳过滤排气装置与钢制承压安全壳内部连通的管线为排气管线，在排气管线上设置有压差截止阀和单向流动止回阀N。压差截止阀可以在安全壳内外压差大于安全壳设计压力时打开。非能动安全壳过滤排气装置包括气体洗涤器、深度纤维滤网和活性炭过滤床装置，依靠安全壳内外压差驱动，安全壳内的气体能够非能动地排出安全壳，同时去除流出气体的放射性，降低安全壳内的压力，防止安全壳的压力超过安全限值。
单向流动止回阀N和单向流动止回阀M都是气体防止倒流。
为了进入钢制承压安全壳内的氢气能均匀的充斥在整个钢制承压安全壳内，避免局部区间的氢气含量过高，因此惰性气储存箱连通钢制承压安全壳的管线为非动能供气管线，非动能供气管线延伸到钢制承压安全壳内的一端为端口A，端口A位于钢制承压安全壳的中心，且端口A的喷射方向朝向型钢制承压安全壳底面。从端口A喷出的惰性气会沿钢制承压安全壳中轴线向下移动，带动钢制承压安全壳底部区域的氢气运动，使得整个钢制承压安全壳内的气体形成环流，从而避免局部区间的氢气含量过高。
小功率核反应堆安全壳氢气风险控制***的控制方法，包括以下步骤：
步骤1：在小功率核反应堆严重事故期间，当堆芯出口温度达到设计定值时，非能动惰性气供应***中的惰性气储存箱释放其内部的惰性气进入到钢制承压安全壳内，惰性气注入的速率应保证在氢气大量释放到安全壳前，将安全壳内的氧气浓度降低到5%或5%以下，使钢制承压安全壳的内部环境处于惰化状态；设计定值一般为650℃，也可以是其他设计参数。
步骤2：氢气开始向安全壳释放后，当安全壳内氢气浓度达到非能动除氢装置的启动阈值之后，非能动除氢装置自动启动，钢制承压安全壳内的氢气和氧气开始在催化剂的作用下发生反应，消耗氢气的同时，降低安全壳内氧气的含量，进一步降低安全壳内的氧气浓度，非能动除氢装置在安全壳处于惰化环境时依然可以正常运行，直到安全壳内的氢气或氧气浓度低于其工作范围；
步骤3：在步骤1或步骤2运行过程中，当钢制承压安全壳内的压力大于钢制承压安全壳的设计压力时，排气***启动，将钢制承压安全壳内的气体排出。
当氢氧浓度监测***检测到安全壳内的氧气浓度降低到5%以下或氢气浓度降低到4%以下，关闭非能动惰性气供应***。
步骤1的具体步骤为：堆芯出口温度达到设计定值时，自动开启气动截止阀，若气动截止阀失效时，则手动开启与气动截止阀并联的手动截止阀；设置在非动能供气管线上的安全壳外隔离阀和安全壳内隔离阀均为气动隔离阀，常规状态为失效关模式，在气动截止阀或手动截止阀打开时，惰性气储存箱内的压缩空气会驱动安全壳外隔离阀和安全壳内隔离阀打开。
步骤3的具体步骤为：设置在排气***中的压差截止阀、在接收到钢制承压安全壳内的压力大于设计压力信息时，压差截止阀打开，钢制承压安全壳内气体从钢制承压安全壳内进入到非能动安全壳过滤排气装置，气体通过非能动安全壳过滤排气装置的过滤后排出，设置在排气***中的压差截止阀、在接收到钢制承压安全壳内的压力小于设计压力信息时，压差截止阀关闭。
所述惰性气储存箱内存放的是氮气或氦气或氖气或它们的组合气体。
本发明的优点在于：本发明提供了一套适用于小功率核反应堆的氢气控制***设计新方法，通过向小功率核反应堆的小型钢制安全壳内注入惰性气，并结合非能动氢气消除装置，保证安全壳内的气体混合物处于不可燃状态，从而消除了氢气燃烧***的风险。
附图说明
图1为本发明的***结构图。
图中的附图标记分别表示为：1、惰性气储存箱；2、手动截止阀；3、气动截止阀；4、安全壳外隔离阀；5、安全壳内隔离阀；6、单向流动止回阀M；7、非能动安全壳过滤排气装置；8、压差截止阀；9、单向流动止回阀N；10、钢制承压安全壳；11、非能动除氢装置；12、氢氧浓度监测仪表；13、数据采集显示器；14、常规岛厂房。
具体实施方式
实施例1
如图1所示。
小功率核反应堆安全壳氢气风险控制***，其特征在于：包括非能动惰性气供应***和钢安全壳***，钢安全壳***包括钢制承压安全壳10，在钢制承压安全壳内设置有非能动除氢装置11，非能动惰性气供应***包括与钢制承压安全壳10内部连通的惰性气储存箱1；钢制承压安全壳10还连通有排气***。
从以上结构中可以看出，在小功率核反应堆严重事故期间，氢气生成后会进入钢制承压安全壳内，并在钢制承压安全壳内聚集，期间，氢气的浓度会逐渐增加，当到达***极限浓度后是非常危险的，而一般安装在钢制承压安全壳10内的非能动除氢装置11的除氢气的效率很低，远远跟不上氢气的生成速度，因此会使得氢气的浓度逐渐增加，这个个时候，我们设置的上述非能动惰性气供应***会对钢制承压安全壳内注入大量的惰性气，而惰性气储存箱1内的高压惰性气会进入钢制承压安全壳10内，以大量的惰性气的填充，缓解氢气在气体中的含量比例，使得氢气浓度降低到低于4%或将氧气浓度降低到低于5%，这样将氢气的***条件控制在安全的范围内，而一味的注入惰性气和产生的氢气会导致钢制承压安全壳负担巨大的压力，因此，本发明还设置有上述排气***，在钢制承压安全壳内部压力过大时，会启动排气***对钢制承压安全壳内的气体释放，达到卸压的目的。总的来说，本发明的设计原理是，利用高压惰性气的注入，使得钢制承压安全壳内的氧气、氢气的含量比例降低，将可燃气体混合物的状态条件控制在安全的范围内，这样就可以利用非能动除氢装置逐渐消除氢气的含量，达到进一步消除氢气风险的目的，整个***的安全性能大大提高，非常适合小功率核反应堆安全壳氢气风险控制。氢氧浓度监测***包括设置在钢制承压安全壳内的氢气浓度监测仪表，该氢气浓度监测仪表可实时测量钢制承压安全壳内不同点的氢氧浓度，并将浓度信息传输到数据采集显示器。
实施例2
在实施例1的基础上，在本发明的具体实施过程中，惰性气储存箱连通钢制承压安全壳10的管线为非动能供气管线，所述非能动惰性气供应***还包括手动截止阀2和气动截止阀3，手动截止阀2和气动截止阀3并联后设置在非动能供气管线上。手动截止阀2和气动截止阀3并联后组成2种开关，气动截止阀3为自动开关，手动截止阀2为手动开关，手动截止阀2和气动截止阀3中任意一个打开后，都可以使得非能动惰性气供应***为钢制承压安全壳冲入惰性气，提高安全性，避免气动截止阀3失效后，***无法运行，在气动截止阀3失效后，可以通过手动控制手动截止阀2开启供气。
实施例3
在实施例2的基础上，优选的，手动截止阀2和气动截止阀3、惰性气储存箱均设置在常规岛厂房14内。气动截止阀3是一台依靠压缩空气提供动力的截止阀。当接到需要开启的信号时，气动截止阀3可以自动打开，当由于某些原因不能打开时，操纵员可以通过并联的手动截止阀打开***。
实施例4
在实施例3的基础上，优选的，为了提高安全性，惰性气储存箱连通钢制承压安全壳10的管线为非动能供气管线，在非动能供气管线上还设置有安全壳外隔离阀4，安全壳外隔离阀4设置在钢制承压安全壳10外部。安全壳外隔离阀4用于避免正常工况下安全壳的隔离。
优选的，为了提高安全性，惰性气储存箱连通钢制承压安全壳10的管线为非动能供气管线，非动能供气管线延伸进钢制承压安全壳10内的一段管线上设置有安全壳内隔离阀5和单向流动止回阀M6。安全壳内隔离阀5用于避免正常工况下安全壳的隔离。
实施例5
在实施例4的基础上，所述排气***包括设置在钢制承压安全壳10外部的非能动安全壳过滤排气装置7，非能动安全壳过滤排气装置7与钢制承压安全壳10内部连通的管线为排气管线，在排气管线上设置有压差截止阀8和单向流动止回阀N9。压差截止阀可以在安全壳内外压差大于安全壳设计压力时打开。非能动安全壳过滤排气装置7包括气体洗涤器、深度纤维滤网和活性炭过滤床装置，依靠安全壳内外压差驱动，安全壳内的气体能够非能动地排出安全壳，同时去除流出气体的放射性，降低安全壳内的压力，防止安全壳的压力超过安全限值。
单向流动止回阀N和单向流动止回阀M都是气体防止倒流。
为了进入钢制承压安全壳内的氢气能均匀的充斥在整个钢制承压安全壳10内，避免局部区间的氢气含量过高，因此惰性气储存箱连通钢制承压安全壳10的管线为非动能供气管线，非动能供气管线延伸到钢制承压安全壳10内的一端为端口A，端口A位于钢制承压安全壳10的中心，且端口A的喷射方向朝向型钢制承压安全壳10底面。从端口A喷出的惰性气会沿钢制承压安全壳10中轴线向下移动，带动钢制承压安全壳10底部区域的氢气运动，使得整个钢制承压安全壳10内的气体形成环流，从而避免局部区间的氢气含量过高。
实施例6
在实施例1或实施例2或实施例3或实施例4或实施例5的基础上，小功率核反应堆安全壳氢气风险控制***的控制方法，包括以下步骤：
步骤1：在小功率核反应堆严重事故期间，当堆芯出口温度达到设计定值时，非能动惰性气供应***中的惰性气储存箱释放其内部的惰性气进入到钢制承压安全壳内，惰性气注入的速率应保证在氢气大量释放到安全壳前，将安全壳内的氧气浓度降低到5%或5%以下，使钢制承压安全壳的内部环境处于惰化状态；设计定值一般为650℃，也可以是其他设计参数。
步骤2：氢气开始向安全壳释放后，当安全壳内氢气浓度达到非能动除氢装置11的启动阈值之后，非能动除氢装置11自动启动，钢制承压安全壳内的氢气和氧气开始在催化剂的作用下发生反应，消耗氢气的同时，降低安全壳内氧气的含量，进一步降低安全壳内的氧气浓度，非能动除氢装置在安全壳处于惰化环境时依然可以正常运行，直到安全壳内的氢气或氧气浓度低于其工作范围；
步骤3：在步骤1或步骤2运行过程中，当钢制承压安全壳内的压力大于钢制承压安全壳的设计压力时，排气***启动，将钢制承压安全壳内的气体排出。
当氢氧浓度监测***检测到安全壳内的氧气浓度降低到5%以下或氢气浓度降低到4%以下，关闭非能动惰性气供应***。
步骤1的具体步骤为：堆芯出口温度达到设计定值时，自动开启气动截止阀3，若气动截止阀失效时，则手动开启与气动截止阀并联的手动截止阀；设置在非动能供气管线上的安全壳外隔离阀4和安全壳内隔离阀5均为气动隔离阀，常规状态为失效关模式，在气动截止阀或手动截止阀打开时，惰性气储存箱内的压缩空气会驱动安全壳外隔离阀4和安全壳内隔离阀5打开。
步骤3的具体步骤为：设置在排气***中的压差截止阀、在接收到钢制承压安全壳内的压力大于设计压力信息时，压差截止阀打开，钢制承压安全壳内气体从钢制承压安全壳内进入到非能动安全壳过滤排气装置，气体通过非能动安全壳过滤排气装置的过滤后排出，设置在排气***中的压差截止阀、在接收到钢制承压安全壳内的压力小于设计压力信息时，压差截止阀关闭。
所述惰性气储存箱内存放的是氮气或氦气或氖气或它们的组合气体。
如上所述，则能很好的实现本发明。

Claims (11)

1.小功率核反应堆安全壳氢气风险控制***，其特征在于：包括非能动惰性气供应***和钢安全壳***，钢安全壳***包括钢制承压安全壳（10），在钢制承压安全壳内设置有非能动除氢装置（11），非能动惰性气供应***包括与钢制承压安全壳（10）内部连通的惰性气储存箱（1）；钢制承压安全壳（10）还连通有排气***。
2.根据权利要求1所述的小功率核反应堆安全壳氢气风险控制***，其特征在于：惰性气储存箱连通钢制承压安全壳（10）的管线为非动能供气管线，所述非能动惰性气供应***还包括手动截止阀（2）和气动截止阀（3），手动截止阀（2）和气动截止阀（3）并联后设置在非动能供气管线上。
3.根据权利要求2所述的小功率核反应堆安全壳氢气风险控制***，其特征在于：手动截止阀（2）和气动截止阀（3）、惰性气储存箱均设置在常规岛厂房（14）内。
4.根据权利要求1或2或3所述的小功率核反应堆安全壳氢气风险控制***，其特征在于：惰性气储存箱连通钢制承压安全壳（10）的管线为非动能供气管线，在非动能供气管线上还设置有安全壳外隔离阀（4），安全壳外隔离阀（4）设置在钢制承压安全壳（10）外部。
5.根据权利要求1或2或3所述的小功率核反应堆安全壳氢气风险控制***，其特征在于：惰性气储存箱连通钢制承压安全壳（10）的管线为非动能供气管线，非动能供气管线延伸进钢制承压安全壳（10）内的一段管线上设置有安全壳内隔离阀（5）和单向流动止回阀M（6）。
6.根据权利要求1或2或3所述的小功率核反应堆安全壳氢气风险控制***，其特征在于：所述排气***包括设置在钢制承压安全壳（10）外部的非能动安全壳过滤排气装置（7），非能动安全壳过滤排气装置（7）与钢制承压安全壳（10）内部连通的管线为排气管线，在排气管线上设置有压差截止阀（8）和单向流动止回阀N（9）。
7.根据权利要求1或2或3所述的小功率核反应堆安全壳氢气风险控制***，其特征在于：惰性气储存箱连通钢制承压安全壳（10）的管线为非动能供气管线，非动能供气管线延伸到钢制承压安全壳（10）内的一端为端口A，端口A位于钢制承压安全壳（10）的中心，且端口A的喷射方向朝向型钢制承压安全壳（10）底面。
8.根据权利要求1或2或3所述的小功率核反应堆安全壳氢气风险控制***，其特征在于：还设置有氢氧浓度监测***，氢氧浓度监测***包括设置在钢制承压安全壳（10）内的氢气浓度监测仪表（12），该氢气浓度监测仪表（12）可实时测量钢制承压安全壳（10）内不同点的氢氧浓度，并将浓度信息传输到数据采集显示器（13）。
9.小功率核反应堆安全壳氢气风险控制***的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：在小功率核反应堆严重事故期间，当堆芯出口温度达到设计定值时，非能动惰性气供应***中的惰性气储存箱释放其内部的惰性气进入到钢制承压安全壳内，惰性气注入的速率应保证在氢气大量释放到安全壳前，将安全壳内的氧气浓度降低到5%或5%以下，使钢制承压安全壳的内部环境处于惰化状态；
步骤2：氢气开始向安全壳释放后，当安全壳内氢气浓度达到非能动除氢装置（11）的启动阈值之后，非能动除氢装置（11）自动启动，钢制承压安全壳内的氢气和氧气开始在催化剂的作用下发生反应，消耗氢气的同时，降低安全壳内氧气的含量，进一步降低安全壳内的氧气浓度，非能动除氢装置在安全壳处于惰化环境时依然可以正常运行，直到安全壳内的氢气或氧气浓度低于其工作范围；
步骤3：在步骤1或步骤2运行过程中，当钢制承压安全壳内的压力大于钢制承压安全壳的设计压力时，排气***启动，将钢制承压安全壳内的气体排出，降低安全壳内压力。
10.根据权利要求9所述的小功率核反应堆安全壳氢气风险控制***的控制方法，其特征在于：步骤1的具体步骤为：堆芯出口温度达到设计定值时，自动开启气动截止阀（3），若气动截止阀失效时，则手动开启与气动截止阀并联的手动截止阀；设置在非动能供气管线上的安全壳外隔离阀（4）和安全壳内隔离阀（5）均为气动隔离阀，常规状态为失效关模式，在气动截止阀或手动截止阀打开时，惰性气储存箱内的压缩空气会驱动安全壳外隔离阀（4）和安全壳内隔离阀（5）打开。
11.根据权利要求9所述的小功率核反应堆安全壳氢气风险控制***的控制方法，其特征在于：步骤3的具体步骤为：设置在排气***中的压差截止阀、在接收到钢制承压安全壳内的压力大于设计压力信息时，压差截止阀打开，钢制承压安全壳内气体从钢制承压安全壳内进入到非能动安全壳过滤排气装置，气体通过非能动安全壳过滤排气装置的过滤后排出，设置在排气***中的压差截止阀、在接收到钢制承压安全壳内的压力小于设计压力信息时，压差截止阀关闭。
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