小型堆严重事故下安全壳内氢气行为分析
王坤，张钒，袁名礼，赵新文，骨浩
（1.海军工程大学核能科学与工程系.期北武汉430033：2.92730部队）
摘要：采用MELCOR程序，对小型堆破口叠加全部电源丧失的典型严重事放进行计算，并对安全壳内发生氢气燃烧、爆炸的可能性进行分析.结果表明：主管道直径3.72%的破口叠加全部电源丧失后，增局部空间、屏蔽水箱内出现氢气燃烧，但由于小塑堆安全壳净容积较小，水蒸气含量较高，氧气含量较 芯视露，出现熔堆事放：同时普水反应产生的大量氯气进人安全壳，使安全壳内氢气含量上升，在安全壳少，不会导致氢气爆你，
关键竭：小型堆：MELCOR：严重事放：氢气燃瓷、爆炸
文章编号：0258-0918（2016)04-0510-10
中国分类号：TL4 TL354文章标惠码：A
Analysis ofHydrogen Combustion andExplosionforSerious AccidentofSmallReactors
WANG Kun ZHANG Fan' YUAN Ming-li? ZHAO Xin-wen' XU Hao²
(1. Departmret of Nusleer Euengy Scienoe end Enginetring Navol University ofEngineering Wuhan 430033 China;2. 92730 foeees)
Abstract: Using MELCOR code the bination of LOCA and blackout accidentsequence in small reactors under full power operation was calculated and the probabilityof hydrogen bustion and explosion was analysed. The results show that these severeaccidents lead to the bareness of the reactor core and the CMAs at last. At the same time hydrogen produced by zirconium and water reaction leaks and increases in thecontainment so hydrogen bustion will happen at local space of the containment andthe block tank. But hydrogen explosion will not happen as the high mole fraction of thesteam and low mole fraction of oxygen in small volurme of the containment.
Key words; Small reactor; MELCOR;Severe accident; Hydrogen bustion and explosion
下，安金壳内H摩尔份额上升，存在H燃烧 小酸口叠加全部电源丧失的严重事故情况或爆炸的可能：H：爆炸会造成安全壳结构破坏，大量放射性物质释放，产生严重的事故后构、设计、运行功率等各方面存在差别，严重 果.小型核动力反应堆与核电厂反应堆在结事故情况下安全壳内氢气行为也不相同，因此小型核动力堆安全壳内氢气爆炸可能性分析，对事故应急具有十分重要的意义.
MELCOR为国际通用、计算压水堆和沸水堆严重事故的一体化程序，其中氢气燃烧模块是专门针对严重事放下安全壳内高压情况开发的半机理、半经验的计算模块，可进行事故下的氢气燃烧、爆炸模拟.本论文中研究的小型动力 维堆型为压水堆，应用MELCOR程序进行严重事故下氢气行为的仿真计算是适用的.
本文研究的小型动力堆虽然为典型双环路率密度高、设备余度低；控制棒材料与核电站 压水堆，但较核电厂压水堆体积小、功率低、功不同：且压力容器外有屏藏水箱将压力容器与安全壳隔离：安全壳容积相对较小，内部没有明显的隔间：“堆坑”为压力容器壁、压力容器支撑裙对小型堆的特殊性，本论文以MELCOR1.8.5程 与舱底底板围成的狭小空间，无混凝土材料.针序为基础进行了二次开发，建立堆芯、系统主要设备、回路、安全壳模型对小型堆典型严重事故一一全部电源丧失叠加破口事故”下的氢气 行为进行了计算.由于所得结果具有一致性，本文以冷管段当量直径为主管道直径3.72%的破口叠加全部电源丧失事故为例，对事故下安全壳内氢气行为进行了研究，研究结论可为事故应急提供技术支持.
1计算模型
1.1安全壳内控制体划分
电站具有较大差异，核电站安全壳空间容积较 小型动力堆安全壳内设备、空间划分与核大，内部存在多个隔间，且各隔间不能互相贯通.本论文所研充小型动力堆安全壳内净容积较小，安全壳内部由隔板分为三层，各层最大高度相同，但三层间并未完全隔断，内部气体可以 互相流通，压力容器外设有屏蔽水箱，将压力
容器与安全壳完全隔离开.如图1所示.
图1小题动力唯安全壳内部空间分层示意图Fig. 1 Layer Diagram of Small Reactors Containment
正因为小型动力堆安全壳内净容积小，设备布置密度高，安全壳内控制体划分的敏感性较小，结论具有一致性，限于篇幅本文采用两种计算方案，方案一采用集总参数法分析安全壳 内氢气行为，忽略安全壳的实际分层，将安全壳内部净空间作为一个控制体.方案二依照小型堆安全壳内部实际分层，去除安全壳内设备所占空间后，将各层净空间分别划分为800、801、802三个控制体（如图1所示），各层间的流通 面积按照实际流通面积计算.
以上方案一控制体划分相对简单，CPU时间较短，但是忽略了各类气体因密度不同造成的空间效应.方案二采用分层方法，控制体划 分相对复杂，CPU时间较长，但能够真实反应小型动力堆安全壳内部各层气体摩尔份额，计算结果更加详细.通过两种方案分别对破口叠加全部电源丧失严重事故进行计算，验证集总参数法是否可用于本文研究的小型动力堆的破 口叠加全部电源丧失严重事故计算，满足核应急早期适时、超时需求.
1.2事故假设与初始条件
本论文中的事故很设与初始条件如下：
（1）事故触发前反应堆满功率运行，平衡衰变热，功率不均匀因子为寿期初值，放射性累积取寿期末数据（更保守）.
3.72%，破口位置位于主闸阀和压力容器之间， （2）破口当量直径为主管道直径的破口无法隔离.
（3）断电后，控制棒下落，反应堆立即停
堆，主泵情转随后停转，能动设备与安全设施均无法投人.
（4）整个事故进程中无人为干预.
1.3安全壳内氢气常烧、爆炸判据
根据MELCOR1.8.5中BUR程序模型（用于模拟严重事故下安全壳内气体燃烧），安全壳内是否发生氢气燃烧、爆炸，取决于安全壳判据为LeChatelier公式. 内各类气体的摩尔份额，以及点火条件，其燃烧
（1）小型堆安全壳内无点火器，所以在LeChatelier公式中，燃烧发生的条件如下：
式中；Xco为CO的摩尔份额：Xu为H的摩尔份额；Xco为CO的摩尔份额；Xo为O的 摩尔份额；Xno为HO的摩尔份额：L为无点火器条件下燃烧发生的最小H，摩尔份额；山c0u为无点火器条件下燃烧发生的最小CO摩尔份额；Xox为燃烧发生的最小O摩尔份额. 尔份额；XMs为HO加上CO的最大引燃摩
小型堆堆坑无混凝土材料，在整个事故过程中不存在MCCI反应，没有CO和CO：产序模型，严重事故高压情况下，L取值为 生，所以Xco、Xco取值为0.又根据BUR程0.07，Xo取值为0.05，XMSCIG取值为0.55.所以上述燃烧条件简化为：
2事故进程
(1)
(2)
(3)
(4)
表1主要事件的时间序列Tablel Time of the Accident
（2）同上无点火器条件下爆炸发生条件如下：
事故触发后，全部电源丧失，控制棒夹持件新电松开，控制棒自动下落，反应堆立即停堆，主冷却剂泵情转随后停止，冷却剂从破口处向安全壳泄漏，泄漏率与破口当量直径有关，高 温高压的冷却剂泄漏至安全壳后会立即部分闪蒸，安全壳温度、压力迅速上升；堆芯水位逐渐下降，系统压力降低，堆芯冷却剂开始沸腾、燃料棵露、堆内传热恶化，堆芯温度升高；锆水反应开始，燃料包壳、控制棒、燃料和支撑结构 等开始熔化，事故进一步发展，燃料元件坍场、堆芯下板高温失效，堆芯内的熔融物坍塌，下封头变失效，熔融物进人堆坑.事故过程中水蒸气、氢气、放射性气体、气溶胶随破口进人 安全壳.
本文采用两种方案计算小型堆破口叠加全部电源丧失事故，安全壳内都会出现氢气燃烧过程，但始终不会发生氢气爆炸过程.安全壳 分层方案能够体现出安全壳内部不同位置氢气燃烧情况存在差异，但两种方案所得事故主要事件的时间序列基本一致.事故主要事件的时间序列见表1.
(5)
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事政进程 安全壳分层时间/ 集总参数法时间/新电，反应准停地 0 0包壳最损开始 5 773 5 773屏蓝水箱氢气首次赠烧 193 7 142安全壳上层氢气首次赠烧 安全亮中层氢气首孜燃烧 7 252 7 138安全壳下层氢气首次誉货 8 589
事波进程 安全壳分层时间/ 集总参数法时间/s安全壳爆安全壳失效 下封头失 13 250 48 853 12 805 48 853
7142s后，屏蔽水箱内H摩尔份额达到0.096，O：摩尔份额达到0.113.HO摩尔份额达到0.337，满足屏藏水箱内气体燃凳条件，首 次出现氢气燃烧：但事故后期水蒸气摩尔份额增加，逐渐超过氢气燃烧阔值，抑制了氢气的燃烧，燃烧过程不再发生.如图4，事故情况下，堆芯内部发生错水反应产生氢气泄漏到安全壳 内，氢气摩尔份额增加，水蒸气冷凝沉降摩尔份额降低.在事故触发7138s时，H摩尔份额为0.100，O：摩尔份额为0.083、HO摩尔份额为0.484，满足安全壳内气体燃烧条件，开始 出现氢气燃烧过程；但事故后期燃烧过程消耗了0，O：的摩尔份额不能满足气体燃烧条件，燃烧过程不再发生.
3计算结果分析
体的摩尔份额，轴为时间.其中各类气体摩 两种方案所得结果如图2所示，y轴为气尔份额满足阔值条件的部分用不同阴影把曲线与x输部分描黑，故各类气体阴影重叠区即表现象. 示满足燃烧、爆炸网值，存在氢气燃烧、爆炸
集总参数计算方案中有安全壳和屏蔽水箱两个控制体，安全壳与屏蔽水箱之间由波动管连通，事故下氢气会经由波动管进人屏蔽水箱， 也可能导致屏蔽水箱内出现氢气燃烧或爆炸.图2、图4利用模型中的燃烧阔值分别对以上控制体燃烧情况进行分析.如图2，事故触发
图2屏蔽水箱内燃烧发生情况分析Fig. 2 Analysis Disgram of Fire In Block Tank
3.1集总参数法计算方案所得结果
图3、图5分别为氢气爆炸可能性分析.事故开始阶段，水蒸气摩尔份额大于0.3，高于爆炸商值，但满足燃烧阔值，安全壳内发生氢气 燃烧过程消耗氧气；事故后期O：的摩尔份额低于0.09，不能满足爆炸阔值.所以在整个事
故过程中安全壳内不会发生氢气爆炸，
图6为事故过程中安全壳内气体压力随时间变化图，安全壳内发生几次氢气燃烧过程造 成其内部出现压力脉冲，但安全壳压力峰值仅为安全壳最大设计压力的35%，不会导致安全
图3屏散水箱内爆炸可能性分析
Fig. 3 Analysis Diagram of Explosion In Bloek Tank
Fig. 4 Analysis Diagram of Fire In Containment
图4安全壳内微烧发生情况分析
如图10，事故触发7252s，安全壳上层802号控制体内H、O、HO摩尔份额分别为0.1、0.127、0.263，满足安全壳上层气体燃烧条 件，开始出现燃烧过程，以后又先后发生了五次氢气燃烧过程，如图8，事故触发8589s，安全壳下层800号控制体内H、O：、HO摩尔份额分别为0.1、0.125、0.248，满足安全壳下层气体燃烧条件，开始出现氢气燃烧过程，事故后期 又先后发生了两次氢气燃烧过程.对比图10、图8，虽然破口位置处于中层，但氢气、水蒸气密度小，会先向上层聚集，随即水蒸气在上层结
壳超压，放射性物质和气溶胶仍然被包容在安全壳内部.
3.2安全壳分层计算方案所得结果
安全壳分层计算方案中包含屏蔽水箱和安全壳底层、中层、上层四个控制体，图7、图8、图9、图10利用模型中的燃烧阔值分别对以上四个控制体的燃烧情况进行分析.如图7，事 故触发7193s时，屏蔽水箱内H、O、HO摩尔份额分别为0.100、0.113、0.33，满足屏蔽水箱气体燃烧条件，开始出现氯气燃烧过程，接着又相继出现四次氢气燃烧过程.
