严重事故氢气监测仪定期试验现场监督

丁 超，徐 朋，杨志义

（1.生态环境部核与辐射安全中心，北京 100082；2.生态环境部华东核与辐射安全监督站，上海 200233）

福岛核事故后，国家核安全局对安全壳内的氢气浓度监测提出了明确的法规要求，《福岛核事故后核电厂改进行动通用技术要求（试行）》［1］规定:严重事故下氢气监测与控制系统应能全程监测安全壳内的氢气浓度，并设置相应的报警装置，以便确定核电厂状态，为事故管理期间进行决策提供尽可能可靠的信息。国内主流采用非能动的催化剂复合原理，对严重事故下安全壳内氢气浓度进行监测。

1 严重事故氢气测量系统定期试验程序及原理

1.1 系统组成

每台机组配置6块严重事故氢表，分别布置在严重事故下可能发生氢气聚集的潜在位置，详见表1。氢气浓度监测系统重点关注安全壳内穹顶的氢气浓度。穹顶设置的2个氢气传感器分别在不同的系统机柜上进行信号处理。因此，一个机柜失电时，不影响另一个机柜对氢气浓度信号的处理，做到系统独立冗余。每个机组对应6 个催化式氢气传感器，两套氢浓度监测仪。两套氢浓度监测仪的供电与测量通道独立，以保证充分的可靠性。装置安全分级为NC级，抗震1类，质保等级QA3。

1.2 测量与试验原理

催化式氢气传感器采用氢氧复合原理，使氢气在催化剂的作用下发生氢氧化合反应，反应式为:

该反应是一种放热反应，空气中的H2浓度越大，反应产生的热量越多，催化反应的温度越高。催化式氢气传感器通过测量催化反应的温升直接表征氢气浓度。温度测量系统通过K型铠装热电偶提供稳定、可靠的一次测量信号，由引线远传到安全壳外的测量柜中，完成氢气浓度换算，得到氢气浓度信号。

1.3 定期试验程序

每个大修周期都进行一次定期试验检测，以确定功能的完好。定期试验需人为地形成气体流通的测量环境，通过标准气钢瓶为催化式氢气传感器配气进行检测。

试验区域分为两部分:A区为R厂房安全壳内氢表位置；B区为电气L厂房机柜位置，如图1 和图2 所示。试验流程如图3 所示。试验时，标准浓度氢气通过进气装置以一定的流速流进氢表传感器，从而人为地形成一个自然扩散的测量环境。检测人员通过对比标准氢气浓度与处理机柜上显示的浓度对氢浓度传感器进行定期现场试验。

图1 安全壳内氢表位置Fig.1 Location of hydrogen monitor in containment

图2 电气厂房机柜位置Fig.2 Location of cabinet in electric building

图3 氢浓度监测仪定期试验流程图Fig.3 Flow chart of periodic test of hydrogen concentration monitors

2 现场监督及问题分析

现场监督员根据大修前的选点计划，对安全壳氢浓度监测仪校验定期试验进行现场监督。现场监督发现，在机组第二次大修期间，出现了严重事故氢表未通过试验验收准则而被判定为需要更换的情况。现场监督员组织试验负责人员、核安全工程师根据试验程序与相关设计资料、厂家文件，对试验的过程与问题进行了深入讨论与研究。

监督发现，根据《安全壳内氢气浓度监测仪技术规格书》的要求，严重事故氢表的响应时间应为1 min（浓度为90%时），见表2。但是，在定期试验程序中没有任何项目对氢表的响应时间作校验。

表2 严重事故氢气监测仪主要设计指标Table 2 Main design parameter of hydrogen monitor for severe accident

在试验中，标准浓度氢气长时间被通入判定为不可用的氢表，但是氢表传感器没有发生相应的催化反应，机柜侧没有相应浓度指数。由于严重事故氢表的工作原理与非能动氢气复合器相同，根据氢气复合器国内外的运行经验反馈，氢表在运行及大修期间的可靠性必须有技术手段保证。

2.1 国内核电厂经验反馈

福岛核事故后，国内所有压水堆核电厂都安装配置了非能动氢气复合器。根据核电厂内部经验反馈，岭澳核电厂、三门核电厂都出现过由于大修与调试期间装有催化剂的复合器未做任何的遮盖防护，安全壳内的灰尘或其他有毒杂质覆盖催化剂表面，导致大比例的氢气复合器未能通过性能试验的验收准则而被判定为功能失效的情况。目前，已改进核电厂大修期间非能动氢气复合器的保护程序。

2.2 国际监管组织同行评估

世界经合组织/核能署（OECD/NEA）组织美国、法国、英国、俄罗斯等国核电监管组织对核电厂技术问题进行交流与评价，形成多国设计评价机制（Multinational Design Evaluation Programme，MDEP）。在该机制下，国际核电监管同行对于大修期间非能动氢气复合器的防护问题进行了多次讨论评估，细化了氢复合器的保护程序，明确了复合器恢复时间管理［2］。

2.3 国内外相关试验验证

此外，对于氢氧复合反应催化剂在严重事故下的可靠性问题，国外IRSN 的H2PAR 装置、法国CEA 的KALI 台架、美国SNL 的Surtsey 台架、欧盟THAI+台架等，以及国内中国船舶718研究所、核动力院等单位都做过针对非能动氢气复合器在严重事故下可靠性的试验，部分试验结果证明了杂质等因素会对催化剂消氢作用的启动时间产生影响［3,4］。

3 严重事故氢气测量系统的设计要求

3.1 系统组成与设计标准

严重事故氢表独立于原先应对设计基准事故的氢气测量系统，采用安全壳内直接测量的方式，设备的主要设计参数见表2。设计指标中对于氢表响应时间有明确要求，即1 min内，测量值应达到氢浓度量程的90%。

3.2 在严重事故管理中的作用

根据核安全导则《核动力厂反应堆安全壳系统的设计》（HAD 102/06—2010）［5］的要求，为了跟踪严重事故的演变过程，反应堆安全壳系统应设置仪表测量可燃气体的浓度，以便评价快速燃爆或爆燃的可能性。因此，反应堆安全壳系统的设计应结合严重事故管理导则，确定氢气测量系统的功能与要求。

在严重事故管理导则中，氢气的控制与监测是重要的组成部分，涉及的导则包括《严重事故导则SAG-7:降低安全壳内氢气浓度》《严重威胁导则SCG-3:控制氢气可燃性》《计算辅助CA-3:安全壳内氢气可燃性判断》《计算辅助CA-7:安全壳降压时氢气风险评价》。

氢气监测系统作为追踪事故进程和安全壳内状态与风险的具体手段，为主控室和技术支持中心提供更精确、现实的氢气数据。例如，我们可以根据安全壳降压时氢气风险评价辅助图（如图4 所示），控制安全壳内喷淋的开启时间［6,7］。因此，严重事故氢气监测仪设计功能的验证与维护必须得到保证。

图4 安全壳降压时氢气风险评价辅助图Fig.4 Auxiliary graph for hydrogen risk assessment as containme nt depressurization

4 核安全监管要点

针对以上核安全监督发现的问题，设计单位给出了解释说明与整改方案。首先，在出厂验收中，严重事故氢表已按照技术规格书的要求进行过对传感器响应时间的校验试验，并且严重事故氢表经过严重事故环境试验鉴定，满足严重事故设备可用性的设计要求。此外，设计单位督促供货商在运行维护手册中增加对氢表传感器的吹扫维护内容，尽可能避免传感器催化剂受灰尘等杂质污染。

根据以上问题分析可知:安全壳氢浓度检测仪在严重事故下的响应时间是衡量其功能有效性的重要指标，须采取有效措施予以维护和定期试验验证。依据相关法规与导则要求，核安全监管主要关注重点有:（1）严重事故氢表响应时间的定期试验验证情况，或以其他方式、手段验证其响应时间的情况，保证在运行周期内功能满足设计要求；（2）严重事故氢表更换时间的合理性分析，应根据严重事故环境鉴定及出厂响应时间验证，确定严重事故氢表的更换周期，结合现实情况予以分析说明；（3）严重事故氢表为福岛核事故后的改进措施，应进一步重视其在运行维护中的经验反馈，积累可靠性数据，为设计管理提供依据及支撑。

5 结论

（1）严重事故氢浓度监测仪采用催化剂氢氧复合原理在安全壳内直接测量氢气浓度，其响应时间为一项重要的功能指标；

（2）核电厂应采取合理有效的方式，在运行维护周期内对严重事故氢表的响应时间予以验证校核；

（3）核电厂应对严重事故氢表更换周期的合理性进行进一步分析明确，保证其在运行阶段的可用性及可靠性。