最近的帖子

福岛第一核电站爆炸事故调查

惠生·朗迪罗克(Wison Luangdilok)博士, Senior Consulting Engineer, 福斯克& Associates, LLC

抽象

对福岛第一核电站事故中的爆炸进行了调查和讨论,特别是3号机组中最不为人所知的爆炸。进行了分析,以估计3号机组爆炸中燃烧的氢气量,以在爆炸前的条件下发光。估计该数量是单位1爆炸燃烧量的10倍以上。在这项调查中,已经对爆炸和所需条件有了相当深入的了解,可以帮助防止或减轻沸水反应堆严重事故期间此类未来爆炸事件的发生。本文介绍了2019年11月18日至19日在华盛顿特区阿贡国家实验室办公室举行的反应堆安全技术专家小组福岛第一核电站事故取证会议上首次介绍的一些内容。

 

1.引言与背景

在此期间 核事故 该事故于2011年3月11日下午2:46开始,当时15米高的海啸袭击了福岛第一核电站,导致电站停电持续了数天,最终导致1号,2号和3号机组的三个反应堆破损核心崩溃。

2011年3月12日下午3:36,3月上午11:01,分别从1号机组(1F1),3号机组(1F3)和4号机组(1F4)的反应堆建筑顶层发起了三场爆炸。 2011年3月15日分别为2011年14月14日和6:14(日本政府,2011年)。 2号机组(1F2)没有爆炸。电视台从很远的距离将1号和3号机组的爆炸物捕获在摄像机上(没有录制声音),从而可以全面了解爆炸的动态。如果没有这样的视频,将不可能知道1F1和1F3的爆炸动力学非常不同(如图1所示)。

1F4的爆炸动力学仍然未知,因为在发生1F4爆炸时没有视频捕获。一个有趣的转折是,根据TEPCO的调查,在3号机组排气期间,排气中的氢气从3号机组通过连接的排气管线从3号机组迁移到4号机组,到达同一共享的排气管,这是向1F4供油的原因爆炸(Rempe et al。,2017)。据信,由于两个原因,避免了在1F2的潜在爆炸。首先,来自1F1爆炸的压力波导致1F2反应堆建筑物的顶部井喷面板打开,从而使积累的氢气排出建筑物(Rempe等人,2019)。其次,由于1F2处的独特情况,从1F2反应堆建筑物底层圆环室产生的蒸汽被海啸部分淹没(NEA,2015年),有助于使所谓的易燃混合物呈惰性(Sonnenkalb等人,2019年) )。根据目前的了解和发生的方式,反应堆建筑物顶层的爆炸已成为沸水反应堆(BWR)型核电站发生严重反应堆堆芯熔化事故的独特标志。

关于爆炸如何发生以及如何与反应堆内部(容器中产生氢)和一级安全壳(PCV)内部(容器中产生氢)之间发生的事情有关的许多问题,目前尚无明确讨论。答案(Rempe et al。,2017,2019)。专家提出的问题类型包括:(1)点火在何处以及如何发生;(2)氢是否通过PCV顶部的密封变差而泄漏到反应堆建筑物中;(3)氢的积累水平如何?和爆炸前的条件需要引起爆炸中观察到的破坏,(4)什么类型的爆炸前条件才能使1F3爆炸成为蘑菇形的火球,它比1F1快炸弹的能量要大得多,爆燃型爆炸(Yanez等人,2015),(5)PCF喷头故障在1F3爆炸中起什么作用,(6)需要多少船内和船外氢气来为1F3和1F4爆炸的事实是,仅1F3爆炸就在展示强大的蘑菇形火球中如此壮观,而火球本身本身会涉及大量的氢(Rempe等人,2019)。

爆炸的动力学可以与必要的爆炸前条件联系在一起,而爆炸前的条件可以进一步与在事故过程中通过堆芯融化现象为爆炸提供燃料所需的船内和船外氢气产生的程度有关。 1F3爆炸的动力学与1F1完全不同,这表明爆炸前的条件可能非常不同。 1号机组的爆炸是从反应堆建筑的顶层水平引导的。爆炸炸毁了建筑物的屋顶和壁板,但混凝土柱完好无损。根据建筑物损坏的严重程度,3号机组的爆炸更加活跃。 1F1爆炸的燃烧过程是迅速爆燃积聚在反应堆厂房操作室(5楼)中的预混合氢气。爆炸的视频表明,在1F1反应堆建筑物初次爆裂后,凝结冲击波(持续约0.5秒的时间)以大约声速传播到室外。爆燃不够快,无法过渡到爆炸。最初爆炸后约一秒钟,爆炸“烟熏”的颜色看起来很浅,表明主要是灰尘。由于当时盛行风,“烟”在垂直方向上散布在建筑物附近,并朝北。

1F3处的爆炸是多模式燃烧。爆炸似乎至少涉及两种燃烧模式。第一种模式可能是爆燃,但是在操作室5楼积聚了富含氢气(可能还有CO)的气氛。第一种燃烧模式发生在反应堆建筑物内部,只有在1F3反应堆建筑物初次爆裂之前,它才在可用的视频中看不到。 1F3反应堆建筑物爆裂后,反应堆建筑物的顶层变为无屋顶,第二种燃烧模式在反应堆建筑物顶部的露天中开始。第二种模式是在露天中以反应堆建筑物上方不断上升和膨胀的球形火球的形式燃烧富含氢气(可能还有CO)的气云。上升的火球把大物体扔向天空。大块的混凝土和设备也被扔进乏燃料池。火球在3秒内达到了约120 m的大直径。 1F3爆炸的动力学如图2所示。

第二种燃烧方式是垂直定向的,几乎是完美的球形火球出现在建筑物上方,并向高空射击(大约是通风口烟囱高度的三倍)。大块的材料似乎被火球抬起。与1F1爆炸不同,可用的1F3爆炸损坏图像表明建筑物顶层的混凝土柱受到了严重损坏。与第一种燃烧模式相比,火球产生的“烟雾”的灰尘和碎屑颜色较暗,后者为白色,并保持在靠近建筑物的较低高度。

福岛爆炸图

 

图1福岛第一核电站事故中水电爆炸

1f3爆炸草图

Fig. 2 从实际图像中每隔1秒间隔绘制1F3爆炸的草图

1F3爆炸要比1F1爆炸强大得多的事实要求整个爆炸中涉及的可燃气体的数量也必须更大。在1F1爆炸中,爆燃显然烧掉了最初存在于反应堆大楼5楼的全部可燃气体混合物。在1F3爆炸中,假定了最初存在的可燃气体-空气混合物的类似爆燃,因为直到1F3反应堆建筑物初次爆破之前,视频中都看不到这种燃烧方式。然后可以预期,如果在第一次爆燃中要消耗掉大部分可燃气体混合物,爆炸将结束。但是,1F3爆炸并非如此。在反应堆建筑物爆裂之后,在反应堆建筑物上方约9秒钟内立即有一个巨大的火球燃烧。为此,必须仍然有大量未燃烧的可燃气体(1F1爆炸中不存在)准备为火球加油。

严重事故专家之间经常讨论这个问题(Rempe et al。,2019)。爆炸之前和爆炸期间,突然的PCV减压(据信这是PCV上盖密封失效的结果)能否提供必要的燃料? 1F3爆炸的时间在1F3 PCV压力开始从大约0.52 MPa显着下降到大约0.39 MPa的时间范围内。在爆炸前约6分钟的10:55至11:02,干井压力从0.52 MPa下降至0.48 MPa。爆炸前这6分钟内的平均降压速度为95 Pa /秒。 1F3爆炸持续了大约9秒钟,总压力降仅为885 Pa,不足以给观察到的巨大火球加油。然后,从上午11:02到上午11:15爆炸后,干井压力继续从0.48 MPa进一步下降到0.39 MPa。爆炸后这13分钟内的平均降压速率为115 Pa /秒。但是,爆炸后的PCV减压并没有助长爆炸。

本文分析了福岛第一核电站3号机组发生的爆炸,目的是估计爆炸期间燃烧的氢气量。当前的理解是,从3号机组产生的氢气为3号机组和4号机组的爆炸提供了燃料,并且氢气是通过船内金属氧化和船外核与混凝土的相互作用而产生的。 1F3爆炸的燃烧模式仍未得到很好的理解,了解这一点的关键是知道爆炸中燃烧的氢气量。如果可以估计爆炸中燃烧的氢气量,则可以更好地理解爆炸机理。

FAI的核技术公告-立即订阅

 

2. 1F3爆炸中燃烧的氢气的估计

在碳氢化合物燃料爆炸研究领域,存在一种相对准确的方法,该方法将球形火球的大小(半径)与燃烧的燃料量相关联(图3)。最大火球半径R(以米为单位)与碳氢燃料质量Mhc(以公吨为单位)的函数关系可以通过以下表示爆炸模式爆炸的方程方便地表示出来(Dorofeev等,1995):

R=33 MHC 0.32                   

(1)

在此,碳氢燃料是指汽油,煤油或柴油。实际上,每千克这些碳氢燃料的燃烧热彼此非常接近。这些燃料的燃烧热的平均值为43.11 MJ / kg。

最大火球半径图

图3富含碳氢化合物燃料的云爆炸形成的最大火球半径

将碳氢化合物燃料的相关性应用于氢燃料的准确性尚不清楚。为了处理燃烧热值明显不同的燃料,最大火球半径应以释放的总燃烧热而不是燃料质量来表示。公式(1)可以根据释放在火球中的总燃烧能量的方式进行重铸,如下所示(Luangdilok,2019):

eg 2(2)

 

哪里qHC 是碳氢燃料的平均燃烧热(43.11 MJ / kg), h =碳氢化合物火焰产生的辐射热损失的分数qH2 是燃烧热,MH2 是燃烧的氢气量。该方程表示由于爆炸模式火球爆炸而引起的最大火球半径与燃料质量的关系。

对于1F3爆炸,火球半径R是根据图2中的示意图中描绘的视频快照确定的。 (2)对于MH2 (公吨)

eq 3

(3)

可以使用Dorofeev等人从燃料质量中计算出烃类火球产生的辐射热损失比例。 (1995年)的相关性可以推导为

eq 4

(4)

Molina等人广泛研究了源自喷嘴的甲烷喷射火焰和氢气喷射火焰的辐射热损失。 (2007)。对于宽范围的火焰长度和燃料喷射速度,氢火球产生的辐射热损失分数比甲烷火焰的辐射热损失分数小约0.03,即XH2 = XHC -0.03。

接下来,需要确定接近完美的球形火球的正确大小。为此,选择53.125 m的火球半径作为最佳估计值。接近完美的球形火球的这一特定时刻发生在图2所示的快照之间,分别为1秒和2秒。 1秒快照中的火球接近完全长大的球形,而2秒快照中的火球已经完全长大,并略微伸长为椭圆形。注意,对火球形状和大小的分析是基于此处未提供的实际高分辨率照片。假定正确的火球大小在这两个快照之间的中间。使用qHC = 43.11 MJ / kg,qH2= 120 MJ / kg,R = 53.125 m,来自公式4是0.0775,根据等式估算1F3爆炸燃烧的氢气量。 3为〜1540公斤。该估计值对所选火球的大小敏感,并且与该估计值相关的不确定性在 下载250公斤,大约是1秒和2秒之间火球大小的范围。

 

3. 1F3爆炸的讨论

在爆炸过程中,上升的火球形成是典型的燃烧条件,在这种情况下,燃料的释放和点火同时发生(Dorofeev等,1995)。点火时可燃气体与空气混合不充分。气体与环境空气混合时会继续燃烧。上升的火球形成。然后,在上升的火球下方形成一个强对流柱(如1F3爆炸(图2)和Wang等人(2017)的LNG管道爆炸试验(图3)所示)。

另外,当爆炸产物仍然含有大量的燃料,并继续与周围的空气一起燃烧时,也可以在爆炸的过浓燃料-空气混合物爆炸后产生上升的火球。这两种模式(包括两者的组合)已用作1F3爆炸的可能解释。以下给出的讨论为确定哪一个是可能的提供了基础。

分析结果表明,在1F3蘑菇形火球爆炸中必须包含大量的氢或氢当量。但是,爆炸所需的氢气量太大,无法在仅持续9秒的持续时间的火球爆炸过程中释放出来。结果表明,1F3爆炸的可能燃烧方式是,爆炸前大量未混合的富氢气体泄漏并充满了反应堆建筑物4层和5层的大气,氢气浓度约为75%。由于PCV减压,在爆炸过程中直接释放了一些氢气,但是这种额外的来源并不重要,因为所需的氢气总量或氢气当量很大。

 

4。结论

福岛3号机组发生巨大的蘑菇状火球爆炸,很可能是大量未混合的富氢气体累积的表现,在事故发生时泄漏并充满了反应堆4层和5层建筑物的大气,约占75%。爆炸前的H2浓度。据估计,在第3单元爆炸中燃烧的氢气量是在第1单元爆炸中燃烧的氢气量的10倍以上,即1540 kg对130 kg(Yanez et al,2015)。

有关更多此类内容,请订阅我们的核技术公告。我们的“核技术通报”是一个关于核安全最新进展的论坛。它解决了订户在紧急救援系统设计,工厂安全等问题,实践和最新实验室设备方面的担忧。 

订阅我们的核技术公告

 

参考资料

Dorofeev,S.B.等,1995,异质富燃料云的爆燃和爆炸引起的火球,《消防安全期刊》,25,323-336。

日本政府,2011年,向国际原子能机构核安全部长级会议的报告,东京电力公司福岛核电站事故。

华盛顿州,Luangdilok,2019年。1F3爆炸燃烧了多少氢气? NURETH-18会议录,俄勒冈州波特兰,3464-3472。

Molina,A.,Schefer,R.W.,Houf,W.G.,2007,大规模氢气喷射火的辐射分数和光学厚度。进程燃烧研究所31,2565–2572。

NEA,2015年,福岛第一核电站事故(BSAF项目)第一阶段总结报告基准研究,NEA / CSNI / R(2015)18

伦佩·J·科拉迪尼·M·法默·M·加伯·J·冈特·R·哈拉·T·卢安迪洛克·W·鲁兹·卢茨卢克特·D·米佐卡米Robb,K.,Plys,M.,Tateiwa,K.,Yamanaka,Y.,2017年,《第一法庭取证评估的安全性见解》。 J.母校和能源10,18-34。

Rempe,J.ed.,2019年,《美国在2019年福岛第一核电站评估中支持考试的努力》,为美国能源部编写。 ANL / LWRS-19 / 08,八月。

Sonnenkalb,M.等人,2019年,《经合组织/核能机构对福岛第一核电站事故(BSAF)事故的基准研究的概述和结果》,第二阶段-NURETH-18程序第2单元的严重事故分析结果俄勒冈州波特兰,1119-1132年。

Wang,K.,Liu,Z.,Qian,X.,Huang,P.,2017,基于大规模试验和PHAST的LNG爆炸性火球在开放空间中的热辐射危害的长期后果和脆弱性评估。损失前刊在过程中。印度河46、13-22。

Yanez,J.,Kuznetsov,M.,Souto-Iglesias,A.,2015年,福岛第一核电站事故中氢爆炸的分析。诠释J.Hydrogen Energy 40,8261-8280。

话题: 核工程, 核电厂, 核安全, 福岛,

cta-bg.jpg

我的灰尘可燃吗?

帮助您决定的流程图
现在就下载