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用于可燃气体控制的被动自催化重组器

张贴者 The 福斯克Team 于07.11.17

By: Paul McMinn, Sr. 机械Engineer, 福斯克& Associates, LLC

介绍

核工业中的最新事件证明了理解和减轻核反应堆事故条件下可燃气体(氢气和一氧化碳)产生的影响的重要性。降低可燃气体燃烧所带来的风险对于确保公众,工厂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减轻可燃气体对安全壳的风险,但是缓解风险的设备因工厂和国家而异。在世界范围内,使用被动式自动催化重组器(PARs)作为减轻可燃气体围堵风险的工具正变得越来越普遍。 PAR是完全被动的安全系统,通过将氢(H2)或一氧化碳(CO)与催化表面上的氧气结合形成水或二氧化碳来运行。该过程以安全和可控的方式从容器中清除了可燃气体。需要进行特定于工厂的分析,以确定要安装到密闭容器中的PAR的正确数量以及安装它们的最佳位置。

风险性

万一发生核反应堆严重事故,这种情况不太可能发生,可分为两个阶段产生易燃气体。当燃料首先被发现并开始加热时,会通过蒸汽氧化锆燃料包壳而产生氢气。这被称为容器内可燃气体生成阶段,因为它发生在芯材位于反应堆容器内时。另一个易燃气体生成阶段是容器外阶段。该阶段发生在核心材料通过反应堆容器融化并掉落到安全壳的混凝土地板上之后。芯熔体中的金属材料与热分解混凝土产生的氧化性气体的相互作用会产生氢和一氧化碳。容器内相产生可燃气体的速度要快得多,但是容器外相的持续时间要长得多。

易燃气体通过安全壳迁移,并且可以通过各种安全系统的操作进行混合或浓缩。如果可燃气体浓度达到足够的水平,即使是弱火源也可能将其点燃。点燃高浓度的可燃气体会通过静压或动压加载超过结构的容量,从而对安全壳构成挑战。可燃混合物可能产生的静压力负荷的分析是使用绝热等渗完全燃烧(AICC)的假设进行的。但是,由于火焰加速(FA)或从爆燃到爆轰过渡(DDT)产生的有效压力载荷可能会超过使用AICC假设计算得出的压力。

火焰加速是一种现象,其中缓慢移动的火焰前锋过渡到快速移动的火焰前锋。这是由于化学物质和湍流之间复杂的相互作用而引起的,这种相互作用会引起火焰的自增强加速。快速移动爆燃所产生的有效压力载荷要高于缓慢移动爆燃,甚至在适当条件下也可能转变为爆轰。易燃性气体爆炸可能会对安全壳结构和安全壳中的设备造成极大损害,而减轻严重事故造成的放射性释放是必需的。

分析

模块化事故分析程序版本5.04(MAAP5.04)*是用于分析核反应堆严重事故的全部范围的软件[EPRI,2016]。通过适当的建模方法,该软件可用于计算安全壳内的可燃气体的产生,迁移和燃烧风险。 FAI最近使用MAAP5.04来计算为防止重大的可燃气体燃烧事件而需要在大型干式PWR容器中安装的PAR数量。

*模块化事故分析程序(MAAP)严重事故代码是由EPRI(电力研究所)拥有并许可的软件

分析防止可燃气体风险所需的PAR数量的第一步是创建代表核反应堆的详细模型。创建该模型是为了表示反应堆堆芯,一次系统,蒸汽发生器和安全壳建筑物的特定于工厂的配置。由于安全壳的设计和建模对可燃气体的数量和分布有很大的影响,因此特别注意安全壳的表示。

分析的最关键的时间范围是反应堆容器发生故障后约10个小时。 图1用于成功分析的容器和PAR分布的节点化。红色六边形表示PAR的大概位置。在这段时间里,熔融的芯材溢出到反应器腔室的地板上,开始熔化混凝土。该过程在反应堆容器附近的密闭区域中稳定供应可燃氢气和一氧化碳气体。这些热的可燃气体以浮羽的形式从反应堆腔中流出,将高浓度的可燃气体带入安全壳结构的最上部区域。分析了安全壳内可燃气体的积累,以确定局部区域达到支持破坏性燃烧事件的条件的可能性。在整个安全壳结构中计算了三个关键指标,以确定可燃气体燃烧的破坏潜力:(1)AICC压力,(2)FA指数和(3)DDT指数。

结果

运行选定事故序列的几次迭代,以调查位于安全壳内各个位置内的各种数量的PAR。下面显示的是最具挑战性的情况的结果,该情况仍然能够成功缓解可燃气体对安全壳的危害。发现最具挑战性的事故场景类型是仅由风扇冷却器提供安全壳冷却的场景。当有安全壳喷雾剂时,安全壳保持凉爽并充分混合。当没有可用的系统来消除安全壳中的衰减热量时,安全壳气氛会因高浓度的蒸汽而变得惰性,从而阻止氢和一氧化碳易燃。在只有安全壳风扇冷却器的情况下,成功的关键标准是PAR的数量足以将可燃气体的浓度保持在向下火焰蔓延的极限以下。当浓度低于此限制时,点燃只会导致不完全燃烧,不能支持火焰加速或导致压力足以挑战密封性。

下面显示了其中一个序列的示例结果,该序列中的一个具有封闭风扇冷却器,可提供衰减热量的去除。图2至图6显示了整个安全壳内气体种类的分布。从图中可以看出,MCCI开始进入序列的大约20,000秒。 MCCI的发展导致一股热气从反应堆容器周围的环空中升起。炽热的烟羽上升到密闭容器的顶部,沿途夹带冷却气体。这个过程导致了一个相对良好混合的容器。从反应堆腔中冒出的烟流的行为在图8中可见。


图2密闭氢分布图3密闭一氧化碳分布

图4围护氧气分布  图5密闭蒸汽分布

图6 H2 + CO分布 图7密闭温度分布

图7显示了安全壳内整个气体空间的温度分布。整个安全壳上部的温度都很高(高于400 K)。高温和高的总可燃气体浓度足以产生高于1.0的计算出的火焰加速指数。图8中显示了整个安全壳内各个区域的火焰加速指数图。但是,即使计算出的火焰加速指数大于1,可燃气体的浓度也不足以支持向下的火焰传播。尽管可燃气体的总(合并)浓度超过10%,但混合物中的氢气不足,因此无法向下燃烧。因此,该顺序是成功的。 PAR的作用是将可燃气体的浓度保持在支持破坏性燃烧事件的阈值以下。

        

图9容器故障后大约6个小时的收容条件可视化。左图描绘了易燃气体浓度,中图描绘了密度,右图描绘了温度。

概要

在世界范围内,越来越多地使用被动式自动催化复合器(PAR),以减少在核反应堆发生严重事故的可能性极小的情况下由可燃气体产生的风险。通过应用详细的建模和燃烧现象的知识,可以使用MAAP代码优化这些减氢系统的设计。这允许对许多潜在事故类型进行全面分析,以确定在可能的条件下的系统响应。通过适当设计的包括PAR的氢气控制系统,可以减轻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,“ 行动计划 5代码修订版MAAP 5.04用户手册”,FAI / 16-0951,EPRI产品ID:3002007340,帕洛阿尔托,2016年9月。

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话题: 易燃气体, 核电厂, 严重事故, 行动计划

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