（上海核工程研究设计院有限公司 上海 200233）
摘要：核电厂严重事故后，锆水反应会释放大量氢气，流经环路隔间、蒸发器隔间、稳压器隔间等，最终进入安全壳大厅。为有效控制氢气浓度，防止氢气聚集，在这些隔间内布置点火器，逐步消除流经的氢气，避免发生高氢浓度的爆炸。本文采用试验和软件模拟的方法，分析有限空间内氢气燃烧和爆炸现象，可用于指导实际的核电厂安全壳氢气控制系统设计和点火器布置。
关键词：核电厂；严重事故；氢气；点火器
Abstract: Huge amounts of hydrogen will be released into loop compartment, steam generator compartment, pressurizer compartment, and finally into containment due to the reaction of fuel cladding with water after a severe accident in nuclear power plant. Igniters were installed in these compartments to promote hydrogen burning at the lower level of hydrogen flammability thus prevents accidental hydrogen burning initiation at high hydrogen concentrations. Based on test and numerical simulation, the hydrogen deflagration and detonation phenomenon will be evaluated. This paper can be guide of the design in containment hydrogen control system and the igniter layout.
Key words: reactor; severe accident; hydrogen; igniter
引言
核电站的设计中，对于安全壳内可燃气体的控制从来都是十分重视的，1979年的三哩岛事故和2011 年的福岛事故，更是让世界各国认识到安全壳内可燃气体控制的重要性和紧迫性。10CFR50.34[1]、10CFR 50.44[2]中明确规定了假设相当于100%燃料包壳金属-水反应释放的氢气在安全壳内均匀分布的浓度不超过10%、RG 1.7[3][4]、HAF102[5] 等法规规范都要求控制安全壳内的可燃气体。但是目前国际上针对氢气的控制要求还略显粗糙，如法规中规定的是折算到安全壳大气的均匀浓度。考虑局部的氢气释放和聚积，有可能发生爆炸，威胁安全壳的完整性。因此需要研究局部空间内氢气的燃烧现象。本文采用GOTHIC软件对氢气燃烧和爆炸现象进行研究。
1 氢气燃烧模型（Mechanistic Burn Model）
MECH燃烧模型适用于分散控制体[6]。MECH燃烧模型中氢气燃烧需要满足最低摩尔分数的要求，当摩尔分数满足的情况下，再根据当地的氢气和氧气浓度以及湍流强度进行计算。MECH燃烧模型包括两大子模型：层流燃烧和湍流燃烧。
1.1 层流燃烧
下式为层流燃烧速率计算式：
其中
为层流燃烧速度，单位为cm/s，
为低氢浓度截止因子。
氢气的层流燃烧速度可以通过下列公式进行计算：
1.2 湍流燃烧
对于湍流燃烧，反应物浓度、流体密度、温度等都是影响反应的因素。因此绝大多数的分析程序无法做到完全模拟该现象，只有通过试验验证的简化模型来进行分析研究。
GOTHIC程序用两个试验验证模型来分析湍流燃烧。第一个是涡散模型（eddy dissipation）。此模型的反应速率与湍流参数相关，这些参数通过
模型进行计算。
湍流反应速率：
第二个模拟湍流燃烧的模型和层流燃烧很相像，叫湍流火焰速度模型（turbulent flame speed）。
该模型基于一个假设：湍流燃烧速率由燃料和助燃剂的混合速率所决定，即湍流时间尺度。
此模型有两个限制燃烧的工况：
（1）第一个工况类似于冷萃，当混合气体的温度快速下降，化学反应速率也急速下降，最终影响燃烧。该工况的限制燃烧公式引入一个无量纲参数Dahmkohler数（湍流与化学反应的时间尺度之比），公式如下：
（2）第二种工况是当湍流强度非常的高，火焰很强，以至于化学反应无法在湍流漩涡里持续进行。该工况下的湍流燃烧速率由下式表示：
2 氢点火器氢气燃爆试验台架及参数
为研究在有限空间内氢点火器的消氢效果，进行了氢气点火试验。
2.1 台架介绍
试验采用2m3试验容器为试验台架，外侧为保温层，可以有效防止外界环境对试验各项参数的影响，上部设有安全阀，确保试验罐体的安全。罐内共设置三层温度测点和三层氢浓度测点，用于监测罐体内的温度及氢浓度分布情况，设有一个测压口监测压力变化。
图1 氢点火器点火试验台架示意图
2.2 试验参数
表1为点火试验时的各项参数情况。本试验点火器运行方式和氢气注入方式是为了模拟真实核电站发生事故后可能的实际情况，根据严重事故管理导则，点火器在大规模氢气释放前已经开启，并处于持续运行状态。
表1 点火试验参数设置
3 结果及分析
本文基于上述氢气点火器试验，采用GOHIC建模模拟的方法，进行试验工况的模拟计算分析。
图2是试验流量和GOTHIC输入流量的对比，为保证可对比性，GOTHIC模型中的输入流量完全按照试验实际流量参数进行设置。
图2 试验流量与GOTHIC流量
鉴于温度仪表和压力仪表的取样反应灵敏度远不足，本文选取相对应位置的氢浓度进行对比。
图3是试验罐体点火器上部取样点的氢浓度对比值，从图中可以看出，在第一次氢气燃爆之前，试验氢浓度（由于氢浓度测量系统为抽出式测量，因此存在一定的时间上的偏差）和GOTHIC的氢浓度曲线基本吻合。但是第一次氢气燃爆之后，GOTHIC的氢浓度一直处于较低状态，表明氢气燃爆之后，处于氢气持续燃烧状态，而试验中的氢浓度却在短时间内再度聚集，从图4压力趋势可以发现，GOTHIC程序与试验结果对比，第一次压力峰值产生的时间吻合，但是试验过程中第二次氢气聚集实际存在，并且很明显产生了第二次的氢气爆燃现象。
图3 试验氢浓度和GOTHIC氢浓度
图4 试验压力和GOTHIC压力
根据上述对比情况可以得出，GOTHIC程序及所选用的燃烧模型适用于氢气燃烧现象的分析，特别是在初始状态到开始氢气燃爆阶段的分析得到了试验很好的印证，可以使用GOTHIC程序作为分析手段研究点火器点火燃烧氢气的现象。
参考文献
[1]10CFR 50.34(f)，“三哩岛相关额外要求”，2003
[2]10CFR 50.44，“轻水堆可燃气体控制系统准则”，2003
[3]RG 1.7，“失水事故后安全壳内可燃气体浓度的控制”，1978
[4]RG 1.7，“安全壳内可燃气体浓度的控制”，2007
[5]HAF102，“核动力厂设计安全规定”，2004
[6]GOTHIC Containment analysis package technical manual version 7.2b, EPRI, March 2009
论文作者:潘如东,宋春景
论文发表刊物:《电力设备》2017年第33期
论文发表时间:2018/4/19
标签：氢气论文; 湍流论文; 浓度论文; 点火器论文; 模型论文; 层流论文; 工况论文; 《电力设备》2017年第33期论文;