CN104951648A - 用于估算核电站严重事故后氧气浓度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及核电站安全领域，特别涉及一种用于估算核电站严重事故后氧气浓度的方法。该方法基于目前压水堆核电站普遍采用的非能动氢气复合器系统和氢气浓度监测系统，采用简化的计算方法，用来估算严重事故后安全壳内的氧气浓度，为核电站发生严重事故后的氢气风险评价和严重事故管理提供依据。

Description

用于估算核电站严重事故后氧气浓度的方法

技术领域

本发明涉及核电站安全领域，特别涉及一种用于估算核电站严重事故后氧气浓度的快速计算方法。

背景技术

核电站发生严重事故后，堆芯燃料包壳的金属锆会和高温的水蒸气发生锆水反应产生大量氢气。压力容器失效之后，堆芯熔融物和安全壳底板发生堆芯熔融物-混凝土(MCCI)反应，也会持续的释放出氢气。氢气在安全壳内的积聚到一定程度，有可能发生燃烧、爆炸，氢气爆炸带来的冲击波会威胁安全壳内的完整性。为了防止由于氢气爆炸导致的安全壳失效，核电站普遍设置了氢气控制系统和氢气监测系统，分别来消除安全壳内的氢气和监测氢气浓度，为严重事故管理提供依据。

随着氢气控制系统的工作，安全壳内的氧气也会随着不断消耗，氧气浓度不断降低。虽然氢气不断产生，在没有氧气的情况下，仍不会产生氢气爆炸风险。因此，估算严重事故后安全壳内的氧气浓度对严重事故后氢气风险的判断有一定意义。但由于核电站发生严重事故后，安全壳内放射性水平较高，无法将安全壳内的气体取样测量其氧气含量，因此给严重事故管理带来了盲区。

目前国内二代、二代加核电站(如岭澳核电站、秦山二期核电站)和三代核电站(如EPR、ACP1000)普遍采用非能动氢气复合器(详见“一种无须外部提供能源的氢与氧复合装置”，专利号：200620116543.0)来控制安全壳内的氢气浓度，使安全壳内的氢气浓度维持在10％以下，防止发生氢气爆炸。非能动氢气复合器是一种非能动的装置，采用催化复合的方法来使氢气和氧气发生反应，从而达到消除氢气的目的。氢气复合器的外形结构见附图1，防护壳2设在底座5上，底座5上设有进风孔4，在防护壳2的上端侧壁上设有出风口1，防护壳外壁设有固定架3，催化床为无底的抽屉式结构，抽屉6内设有催化剂金属网板8，抽屉6外壁固定有把手7。氢气复合器的消氢速率与安全壳内的温度、压力、氢气氧气浓度有关。

为了监测严重事故后安全壳内的氢气浓度，通常采用氢气监测装置来测量氢气浓度。其中一种氢气监测装置采用氢气催化复合的方法(详见“一种测量核电厂安全壳内氢气浓度的方法”，发明申请号201210400679.4)，其原理与非能动氢气复合器一致，通过使氢气氧气发生催化复合反应，测量核电厂环境温度T1和化合反应温度T2，根据温升计算氢气浓度。该方法流程见图2。

发明内容

本发明的目的在与针对目前严重事故下安全壳内氧气浓度监测手段的不足，提供了一种用于估算核电站严重事故后氧气浓度的方法,该方法基于目前压水堆核电站普遍采用的非能动氢气复合器系统和氢气浓度监测系统，采用简化的计算方法，用来估算严重事故后安全壳内的氧气浓度，为核电站发生严重事故后的氢气风险评价和严重事故管理提供依据。

为达到上述目的，本发明提供了一种用于估算核电站严重事故后氧气浓度的方法，包括以下步骤：

(S101)根据安全壳体积、正常运行压力、温度计算氧气初始总摩尔数N_O20；

(S102)根据氢气测量系统测量得到的氢气浓度X_H2推算由于非能动氢气复合器的复合反应导致的氧气消耗速率N’_O2；

(S103)根据氧气消耗速率N’_O2计算安全壳剩余氧气摩尔数N₀₂；

(S104)根据安全壳内温度T、压力P和安全壳剩余氧气摩尔数N₀₂计算氧气浓度X_O2。

进一步，如上所述的用于估算核电站严重事故后氧气浓度的方法，步骤(S101)中，在计算氧气初始总摩尔数N_O20时，按照安全壳大气100％湿度和理想气体模型计算。

进一步，如上所述的用于估算核电站严重事故后氧气浓度的方法，每隔一段时间重复步骤(S102)～步骤(S104)，对氧气浓度进行一次计算，第n次计算与第n-1次计算的时间差为时间步长DT(n)。

进一步，如上所述的用于估算核电站严重事故后氧气浓度的方法，第n次计算时氧气消耗速率根据氢气测量系统测量得到的氢气浓度X_H2(n)乘以系数A确定，即N’_O2(n)＝A×X_H2(n)，

其中，系数A根据安全壳内非能动氢气复合器的数目和消氢能力计算得到。若核电厂有氢气复合器台数为k，在氢气浓度为X₀时，每台氢气复合器的消氢速率为M,则系数A＝0.5×k×M/X₀。

进一步，如上所述的用于估算核电站严重事故后氧气浓度的方法，第n次计算时安全壳剩余氧气摩尔数通过以下公式计算：

进一步，如上所述的用于估算核电站严重事故后氧气浓度的方法，在计算第n步氧气浓度X_O2(n)时，通过以下公式计算：

$X_{O2}\left(n\right)=\frac{N_{O2}\left(n\right)\·R\·T\left(n\right)}{P\left(n\right)\·V}$

其中，P(n)为第n步计算时安全壳压力，T(n)为第n步计算时安全壳温度，P(n)、T(n)分别由安全壳压力、温度监测仪表得到，V为安全壳体积，R为气体常量。

本发明的有益效果如下：通过本发明所提供的计算方法，在核电站发生严重事故后，在无法获得安全壳内氧气浓度的情况下，可以方便的估算出核电站严重事故后安全壳内的氧气浓度，从而能够判断出安全壳内有无氢气燃烧、爆炸风险，为严重事故管理、氢气风险的判断提供依据。

附图说明

图1为目前国内外普遍采用的非能动氢气复合器结构图；

图2为目前国内采用的氢气测量装置原理流程图；

图3为本发明实施例中严重事故后氧气浓度估算的简易计算方法流程图；

图4为本发明实施例中计算氧气初始总摩尔数N_O20流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例。所述实施例的流程图在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图3所示，为本发明示例的严重事故后氧气浓度估算的简易计算方法流程，包括以下步骤：

步骤(S101)，根据安全壳体积、正常运行压力、温度计算氧气初始总摩尔数N_O20。

本发明的实施例中，提出了计算氧气初始总摩尔数的方法，包括以下几个步骤，如图4所示：

步骤(S201)，计算当前温度下的饱和蒸汽压P_steam，此为公知技术；

步骤(S202)，计算当前压力下的空气分压P_air＝P-P_steam，其中P为安全壳正常运行压力；

步骤(S203)，计算氧气初始总摩尔数其中V为安全壳体积，R为气体常量。

步骤(S102)，根据氢气浓度测量得到的氢气浓度X_H2推算由于非能动氢气复合器的复合反应导致的氧气消耗速率N’_O2；

在本发明的一个实施例中，在计算时每隔一段时间对氧气浓度进行一次估算，即每隔一段时间重复步骤(S102)～步骤(S104)，第n次计算与第n-1次计算的时间差为时间步长DT(n)。

在本发明的一个实施例中，第n次计算时氧气消耗速率根据氢气测量系统测量得到的氢气浓度X_H2(n)乘以系数A确定，即N’_O2(n)＝A×X_H2(n)。其中系数A根据安全壳内氢气复合器的数目和消氢能力计算得到。假如某核电厂有氢气复合器台数为k，在氢气浓度为X₀时，每台氢气复合器的消氢速率为M,则系数A＝0.5×k×M/X₀。

步骤(S103)，根据氧气消耗速率计算安全壳剩余氧气摩尔数N₀₂；

在本发明的一个实施例中，第n次计算时安全壳剩余氧气摩尔数通过以下公式计算：

步骤S104，根据安全壳内温度T、压力P和安全壳剩余氧气摩尔数计算结果计算氧气浓度X_O2。

在本发明的一个实施例中，在计算第n步氧气浓度X_O2(n)时，通过以下公式计算：

$X_{O2}\left(n\right)=\frac{N_{O2}\left(n\right)\·R\·T\left(n\right)}{P\left(n\right)\·V}$

其中，P(n)为第n步计算时安全壳压力，T(n)为第n步计算时安全壳温度，P(n)、T(n)分别由安全壳压力、温度监测仪表得到，V为安全壳体积，R为气体常量。

通过本发明，在核电站发生严重事故后，在无法获得安全壳内氧气浓度的情况下，可以方便的估算出核电站严重事故后安全壳内的氧气浓度，从而能够判断出安全壳内有无氢气燃烧、爆炸风险，为严重事故管理、氢气风险的判断提供依据。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种多样变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (6)

1.一种用于估算核电站严重事故后氧气浓度的方法,其特征在于，包括以下步骤：

(S101)根据安全壳体积、正常运行压力、温度计算氧气初始总摩尔数N_O20；

(S102)根据氢气测量系统测量得到的氢气浓度X_H2推算由于非能动氢气复合器的复合反应导致的氧气消耗速率N’_O2；

(S103)根据氧气消耗速率N’_O2计算安全壳剩余氧气摩尔数N₀₂；

(S104)根据安全壳内温度T、压力P和安全壳剩余氧气摩尔数N₀₂计算氧气浓度X_O2。

2.如权利要求1所述的用于估算核电站严重事故后氧气浓度的方法，其特征在于，步骤(S101)中，在计算氧气初始总摩尔数N_O20时，按照安全壳大气100％湿度和理想气体模型计算。

3.如权利要求1所述的用于估算核电站严重事故后氧气浓度的方法，其特征在于，每隔一段时间重复步骤(S102)～步骤(S104)，对氧气浓度进行一次计算，第n次计算与第n-1次计算的时间差为时间步长DT(n)。

4.如权利要求3所述的用于估算核电站严重事故后氧气浓度的方法，其特征在于，第n次计算时氧气消耗速率根据氢气测量系统测量得到的氢气浓度X_H2(n)乘以系数A确定，即N’_O2(n)＝A×X_H2(n)，

其中，系数A根据安全壳内非能动氢气复合器的数目和消氢能力计算得到，若核电厂有氢气复合器台数为k，在氢气浓度为X₀时，每台氢气复合器的消氢速率为M,则系数A＝0.5×k×M/X₀。

5.如权利要求4所述的用于估算核电站严重事故后氧气浓度的方法，其特征在于，第n次计算时安全壳剩余氧气摩尔数通过以下公式计算：

6.如权利要求5所述的用于估算核电站严重事故后氧气浓度的方法，其特征在于，在计算第n步氧气浓度X_O2(n)时，通过以下公式计算：

$X_{O2}\left(n\right)=\frac{N_{O2}\left(n\right)\·R\·T\left(n\right)}{P\left(n\right)\·V}$

其中，P(n)为第n步计算时安全壳压力，T(n)为第n步计算时安全壳温度，P(n)、T(n)分别由安全壳压力、温度监测仪表得到，V为安全壳体积，R为气体常量。