AP1000安全壳内氢气风险缓解措施研究

During severe accidents in a Pressurised Water Reactor(PWR), hydrogen will concentrate in containment locally, then prone to combustion and explosion, which will destroy the the structural integrity of the containment. This project will study the hydrogen risk mitigation measures in AP1000 containment with numerical simulation and experiment. The main contents include: (1) constructing a model on steam condensation on AP1000 steel containment wall; (2) studying the basic mechanism of hydrogen transport, mixing and distribution in AP1000 steel containment with numerical simulation and experimental measurement; (3) analysing AP1000 hydrogen recombiner and igniter layout scheme, giving reasonable improvement suggestions; (4) With numerical simulation and experimental measurement, studying the impact on the hydrogen risk mitigation effect of inerting gas injecting time, flux during different severe accidents, giving an appropriate post-inerting scheme. In this project, the hydrogen risk mitigation measures in AP1000 severe accidents are studied, which provide theoretical guidance for the safe design of nuclear power plants, take on important academic significance and engineering value.

压水堆严重事故过程中氢气在安全壳内局部浓集，易发生燃烧和爆炸，破坏安全壳的完整性。本项目将数值模拟和实验验证相结合，对AP1000安全壳内氢气风险缓解措施进行研究，包括：（1）建立水蒸汽在AP1000钢制安全壳内壁的凝结模型；（2）数值模拟和实验测量相结合，分析AP1000安全壳内氢气传输、混合的基本机理和浓度分布；（3）对AP1000的氢气复合器和点火器布置方案进行分析，提出合理的改进建议；（4）数值模拟和实验验证相结合，研究不同事故工况下惰化气体注入时间、流量等对氢气风险缓解效果的影响，提出合理的事故后惰化方案。本项目对AP1000严重事故下氢气风险缓解措施的研究，为核电站的安全设计提供理论指导，既有重要学术意义，又有重大工程价值。

AP1000核电厂在严重事故下，由于冷却剂丧失导致锆合金包壳与水蒸气反应生成的大量氢气通过破口释放到安全壳空间，可能发生燃烧或爆炸，威胁安全壳的完整性，导致放射性向环境泄漏。因此，有必要对AP1000的氢气风险缓解措施进行研究。. 本项目研究了两个事故工况：（1）1#蒸汽发生器隔间内冷管段小破口叠加ADS4失效事故；（2）1#蒸汽发生器隔间内的冷管道大破口叠加重力注射失效事故。. 首先采用严重事故程序计算得到氢气源项、水蒸气源项、安全壳压力和气体温度等参数。然后采用GASFLOW程序对事故下氢气的扩散行为、氢气的体积分数和氢气风险等进行数值分析。研究表明：氢气流动的主要路径为“源项隔间→安全壳穹顶空间→底部隔间”，在安全壳内形成明显的层状分布；氢气点火器和非能动氢气复合器能够在氢气大量释放阶段消耗掉大部分氢气，可以有效降低安全壳顶部以及非源项隔间的氢气浓度，但源项隔间仍具有燃爆转变的风险。通过在1#SG隔间添加氢气点火器，可控制1#SG隔间氢气风险，因此可在氢气富集区域合理加装点火器以控制局部氢气风险。. 在相同事故工况下，在安全壳缩比实验台架上对安全壳内的氢气（用氦气代替氢气）传输和分布进行了实验研究。结果表明：氢气在安全壳内确实有分层现象，氢气的流动路径、浓度分布与理论分析结果一致。. 最后，假定氢气点火器失去电源，非能动复合器功能正常，研究了惰化气体注入位置、注入速率和初始注入时间等因素对氢气风险的影响。研究表明，惰化气体注入的位置在破口附近下部比较适宜，惰化气体的气流加强了氢气的扩散与混合，降低了安全壳内的局部氢气浓度；惰化气体开始注射的时间应提前于氢气释放高峰阶段，而惰化气体结束注射的时间应推后于氢气释放高峰阶段；同时应当选取合适的注入速率来确保惰化气体注入的持续时间。. 对AP1000氢气风险缓解措施的研究，既可为核电站的安全设计提供理论指导，又有工程价值。