在核電站嚴(yán)重事故(SA)下，由于高溫下堆芯分解和氧化導(dǎo)致的鋯金屬與水的反應(yīng)，以及熔化的堆芯殘骸與混凝土的反應(yīng)，將生成大量的氫氣。由于其較高的溫度和壓力，氫氣的爆燃和爆炸可定義為對(duì)反應(yīng)殼建筑完整性的主要威脅之一。1979年美國(guó)三哩島核事故、1986年蘇聯(lián)切爾諾貝利核事故及2011年日本福島核事故均導(dǎo)致國(guó)際上對(duì)氫氣特性及其控制的研究。

氫氣的危害由嚴(yán)重事故序列、設(shè)備特性及反應(yīng)殼隔間的結(jié)構(gòu)和容積等多種因素決定。為監(jiān)測(cè)和消除安全殼內(nèi)的爆炸風(fēng)險(xiǎn)，有必要采用一套安全殼內(nèi)的氫氣控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)在安全殼內(nèi)堆芯分解或熔化的情形下，具有氫氣濃度監(jiān)控和氫氣控制的功能，限制安全殼內(nèi)的氫氣濃度，從而避免安全殼整體發(fā)生危險(xiǎn)。氫氣控制系統(tǒng)由氫氣監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)和氫氣消除子系統(tǒng)組成。

基準(zhǔn)事故下測(cè)量安全殼內(nèi)氫氣濃度是有效預(yù)防和緩解核事故的措施之一。國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)要求所有新建核電站都必須安裝氫氣控制系統(tǒng)。在中國(guó)，根據(jù)GB13627《核電廠事故監(jiān)測(cè)儀表準(zhǔn)則》的規(guī)定，進(jìn)行氫氣濃度的測(cè)量是探測(cè)安全殼破裂可能性，實(shí)施核事故的緩解和長(zhǎng)期監(jiān)視的措施之一。同時(shí)，在中國(guó)核安全法規(guī)中，也包括了新建核電站必須考慮嚴(yán)重事故條件下的氫氣控制措施的安全要求。但是，目前已用在核電站安全殼內(nèi)的氫氣濃度測(cè)量系統(tǒng)均尚未得到嚴(yán)重事故條件的充分驗(yàn)證。

安全殼內(nèi)氫氣濃度測(cè)量方法及其原理

安全殼內(nèi)氫氣濃度測(cè)量方法從技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑上可分為抽氣取氣樣法和直接測(cè)量方法2類。

抽氣取氣樣法

氣體抽出式測(cè)量方法采用的氫氣傳感器安裝在安全殼外，并且氣體的預(yù)處理和分析都在安全殼外完成。安全殼內(nèi)少量的高溫高壓高放射性氣體被抽送到安全殼外，進(jìn)行降溫、除濕、降壓、穩(wěn)流和過(guò)濾等預(yù)處理。經(jīng)過(guò)預(yù)處理的低溫、低壓、清潔的氣體，可以送入分析儀器進(jìn)行氫氣濃度測(cè)定。這種方式對(duì)氫氣傳感器的要求相對(duì)較低，有利于其選型和應(yīng)用，普通的商用儀表經(jīng)過(guò)抗震設(shè)計(jì)后即可應(yīng)用在此類系統(tǒng)中。此外，由于樣品含量的分析是在安全殼外進(jìn)行的，因此該方法并不一定要經(jīng)過(guò)嚴(yán)重事故條件的驗(yàn)證。

不過(guò)，在氣體抽出式測(cè)量方法中，由于氣體在傳輸和預(yù)處理過(guò)程中的冷卻和水蒸氣的冷凝，導(dǎo)致氫氣相對(duì)于樣品氣的含量大大上升。因此，與安全殼內(nèi)的實(shí)際氫氣濃度相比，抽出式測(cè)量方式測(cè)得的氫氣體積濃度明顯偏高。也就是說(shuō)，水蒸氣的含量直接影響測(cè)量的準(zhǔn)確性，并且水蒸氣含量越大，測(cè)量偏差就越大。因此，如何通過(guò)數(shù)據(jù)補(bǔ)償?shù)姆绞綄?duì)測(cè)量值進(jìn)行修正，這對(duì)于保持氣體測(cè)量狀態(tài)一致性，消除水蒸氣含量對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，以保證準(zhǔn)確測(cè)量而言是很重要的。

直接測(cè)量法

直接測(cè)量方式中采用的氫氣分析傳感器或氫氣敏感元件安裝在安全殼內(nèi)，通常不能直接輸出氫氣濃度信號(hào)，需要安全殼外的信號(hào)處理設(shè)備配合完成氫氣濃度分析。由于安全殼內(nèi)環(huán)境條件的特殊性和嚴(yán)酷性，普通商用的氫氣分析傳感器不能被直接應(yīng)用。因此，安裝在安全殼內(nèi)的氫氣傳感器需要進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)和研制，經(jīng)過(guò)完整的環(huán)境條件鑒定試驗(yàn)，以確保在事故工況下設(shè)備的可用性，之后設(shè)備才可以應(yīng)用于核電廠安全殼內(nèi)。鑒定試驗(yàn)通常包括熱老化、輻照老化、抗地震、高溫、高壓、氣溶膠、噴淋試驗(yàn)等。

根據(jù)測(cè)量原理的不同，直接測(cè)量方式可分為3類:熱催化電極電阻變化法，氫氧催化反應(yīng)溫度變化法以及吸氫材料電阻變化法。其中，熱催化電極電阻變化法與氫氧催化反應(yīng)溫度變化法均采用催化原理促使氫氧反應(yīng)，其差別在于氫氣敏感材料不同和催化實(shí)現(xiàn)方式不同。

熱催化電極電阻法

熱催化電極電阻法的氫氣敏感元件是由涂有催化劑的鉑電極和參比電極組成，當(dāng)探頭接觸到氫氣和氧氣的混合物時(shí)，在鉑電極表面發(fā)生催化復(fù)合反應(yīng)，氫氣與氧氣發(fā)生復(fù)合反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生反應(yīng)熱，反應(yīng)熱導(dǎo)致電極電阻變化，電阻變化值是氫氣存在的特征信號(hào)。這一信號(hào)被送到安全殼外的惠斯通電橋(見(jiàn)圖1)上完成氫氣濃度的分析。惠斯通電橋可以增加測(cè)量的靈敏度，并進(jìn)行溫度補(bǔ)償。其中的1～2個(gè)電阻為“活性的”，暴露在環(huán)境條件中。剩余的電阻為“參照的”，通過(guò)氫氣無(wú)法滲透的絕緣層進(jìn)行鈍化。直流電能作用于相對(duì)稱的2個(gè)節(jié)點(diǎn)上，并通過(guò)剩余的節(jié)點(diǎn)測(cè)量橋電壓。為達(dá)到催化反應(yīng)的合適溫度，保持較高的催化復(fù)合效率，并減少水蒸氣對(duì)催化反應(yīng)的影響，對(duì)催化電極持續(xù)采用外部供電進(jìn)行加熱，采用多孔金屬材料的探頭外罩，氣體通過(guò)滲透方式擴(kuò)散到氫氣敏感材料中。但是，這種方法不適用于較高的氫氣濃度條件，因?yàn)樵诖藯l件下，加熱過(guò)程可能會(huì)造成氫氣爆炸。

圖1惠更斯電橋原理示意圖

吸氫材料電阻變化法

吸氫材料電阻變化法的氫氣敏感元件是鈀鎳合合金或鈀銀合金類吸氫材料，其測(cè)量原理如圖2所示。在有氫氣的氛圍下，氫氣具有選擇性地通過(guò)鈀鎳合金薄膜或鈀銀合金薄膜并被吸附在合金晶格內(nèi)，造成合金薄膜的電阻或電容變化，變化信號(hào)通過(guò)安全殼外的惠斯通電橋轉(zhuǎn)換后完成氫氣濃度分析。與熱催化電極電阻法類似，吸氫材料吸氫時(shí)放熱，吸氫后需加熱才能解吸氫氣，并且這種方法同樣也需要外部供電。

圖2吸氫材料電阻變化法的原理示意圖

氫氧催化反應(yīng)溫度變化法

氫氧催化反應(yīng)溫度變化法的氫氣敏感元件是催化劑，其測(cè)量原理如圖3所示。區(qū)別于上述直接測(cè)量方法，這種方法不需要對(duì)傳感器供電，采用非能動(dòng)的測(cè)量方式，在安全殼內(nèi)環(huán)境條件下在催化劑的作用下自然發(fā)生氫氣與氧氣的化合反應(yīng)，反應(yīng)放出的熱量造成催化反應(yīng)溫度變化，溫度測(cè)量信號(hào)作為氫氣濃度的特征信號(hào)被直接用于分析氫氣濃度，溫度測(cè)量信號(hào)傳輸?shù)桨踩珰ね?，由信?hào)處理單元完成信號(hào)接收和程序計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為安全殼內(nèi)氫氣濃度。這種方式無(wú)需采用惠斯通電橋進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)化，測(cè)量直接迅速。