核电站一回路氢含量异常分析和处理

0​引言

我国当前正处在核电事业蓬勃发展的时期，核安全作为核电站的生命线，愈发受到人们的高度关注。核电站一回路的水化学状况，对于减少辐射场中放射性物质的积累、保障放射性屏障的完整性发挥着重要作用。而一回路冷却剂氢含量是核电厂水化学监测中一项关键指标，直接关乎核电机组能否实现安全稳定运行。

1​氢含量介绍

1.1 氢含量监测

在核电站正常运 17cm³/kg2<28cm³/kg (STP)，一旦超出这一限值，核 cm3/kg < 15cm3/kg，限运行24h，之 /kg2<17cn 3/kg，则限定运行7 天，随后同样要在 1 监测手段，一方面是主控在线监测氢表， 足；手动取样分析的精度较高，但 正常运行期间的核电站，运行人 流量和运行状态是否正确、仪表 是 否 故 障， 析

1.2 氢含量的作用

回路中的氢含量对水的辐射分 有显著抑制作用。在常规状态下，由辐射分解生成的 H 与 H O 浓度基本相当；而当溶液中添加氢时， 生氢的速率会降低，即水的辐射分解过程受到抑制；反之，若向溶液中引入 H O ，则会加剧水的辐 在压水堆内，水不仅作为冷却剂，还承担着慢化剂的功能。当反应堆处于功率运行状态时， 射线为主的混合射线照射，进而引发水的辐照分解。通过加氢操作，能够有效抑制水的辐射分解， 清除水中的游离氧，降低水中氧化性辐射产物的浓度，从而大幅减轻冷却剂对结构材料的腐蚀，避免氢含量超标带来的危害。

基于上述分析，若氢含量偏低，水在辐射分解过程中会产生较多氧气，这会对一回路设备造成较严重的腐蚀，进而破坏一回路边界的完整性，导致放射性物质外泄。不过，氢含量过高同样会产生不良影响，具体表现如下：

（1）氢脆现象

氢脆现象主要发生于核燃料包壳，核燃料包壳采用锆合金材质。水中的氢气会有一部分穿透氧化膜，扩散至锆金属内部并被吸收。被金属吸收的氢会通过热扩散在金属的低温区域（通常为燃料包壳外表面）聚集，若局部浓集量超过氢在锆中的溶解度时，便会在晶界或晶面上析出氢化锆（ ZrH_1⋅5) ，使锆的脆性增加。氢化锆的形成不仅改变了锆金属的机械性能，还会加速锆合金的腐蚀进程。核燃料包壳作为核电厂的第一道安全防线，如果包壳破损将导致大量放射性物质进入一回路。在 20 世纪 70 年代初期，燃料包壳的轻微破损主要由锆合金的氢脆现象引发，随着技术的进步和监督水平的提升，该问题已得到解决。

（2）氢爆风险

在正常运行工况下，氢气溶于一回路的冷却剂中，不具备氢爆风险。但当核电站发生一回路破口事故时，溶解的氢气会释放并外泄至核岛厂房内。若氢气初始含量较高，其在厂房内的浓度更易达到爆炸极限，一旦发生氢爆，不仅会对周边设备造成严重损坏，甚至破坏安全壳，进而造成事故后果的扩大化。

2​氢含量超过期望值分析

2.1 氢含量调整方式

在核反应堆功率运行阶段，一回路的氢含量调控主要通过化学容积控制系统（RCV）中的容控箱向反应堆冷却剂系统（RCP）注入氢气实现。依据亨利定律，容控箱水中氢气溶解度与容控箱内氢气压力呈正比。正常运行时，容控箱内由氢气覆盖，当需要提高氢含量时，提高容控箱内的压力，水中溶解氢含量上升，以此提高一回路溶解氢含量。但需注意的是，容控箱内除氢气外，还会逐渐积聚从一回路置换出的不凝性气体，这类气体的存在会缓慢降低一回路氢含量。对此，需采用容控箱氢气吹扫工艺：即将不凝气体和浓度较低的氢气排放到废气收集系统，之后再向容控箱内注入 100% 纯度的氢气。因此一般情况只要在容控箱内保证一定的压力和氢气纯度，就可以保证一回路氢含量满足要求。

我国自主研发的第三代核反应堆，除通过调整化容控制系统中容控箱压力实现氢含量调控外，还可通过调整化容控制系统（RCV）内加氢站（由喷射泵与气体分离器构成）的喷射泵喷射压力，或对气体分离器进行排气操作，实现对一回路氢含量的调节。

2.2 异常现象及分析

某三代核电厂的一台机组在换料大修后运行一个月后，在执行一回路换水操作后一回路氢含量无法恢复至换水前的初始值，且后续出现氢含量持续缓慢下降的现象。

针对一回路氢含量异常，根据影响一回路氢含量的因素及实际运行经验，开展一系列排查，共分析出 11种潜在可能原因，主要内容详见脑图：

排查行动：日常用超声波流量计测量，入口流体流量正常（约3m3/h)；大修计划检查内部状态，重点查喷嘴处螺旋体1.暗射磊吸气能力降低 结论：无法排除，需大修检查螺旋体状态排查行动：向厂家澄清，静止设备失效可能性低2.混合管混合能力隆低结论：无法排除，需大修检查状态排查行动：多次排气，效果与前期分析一致，排气可改善加氢但非主因3.氧气在T部氢气分惠器聚积影响加氢效果O 结论：需进一步分析氮气聚集原因排查行动：调整氢表流量至接近要求上限，经其他仪表交叉比对无异常4.氢表管线压力低导致测量不准 结论：排除排查行动：核实为汽水混合，因管径小暂无设备测流量6.汽水分离器至暗射泵管线堵塞 结论：无法排除，需大修解体检查，可能性低8.稳压器连续排气O 排查行动:发现一回路冷却剂疏水箱水装量上涨趋势变缓，怀疑连续除气管线堵塞排查行动：现场查漏，未发现氢气异常9.加氢站等相关设备外温导致加氢能力降低○ 结论：排除排查行动:NA11.分离器抽汽管线堵塞 结论：无

该电厂根据上述可能影响一回路氢含量的因素逐项开展排查 通过排除法基本锁定导致氢含量降低的原因为加氢站喷射泵吸气效率降低。 充泵进行切换试验时，保持两台上充泵运行，以增加通过加氢站氢 加氢原理及机组历史运行经验，增加氢气混合管段的通流流量 本次试验时两台上充泵并列运行三十多小时，一回路氢含量却并 根据此现象 判断没有充足的氢气进入混合管段，导致氢含量无法上升，进一步佐证了加氢站喷射泵吸氢效率下降。

该电厂联系专业研究机构对喷射泵开展建模分析，研究结果表明喷射泵内部旋芯（喷射泵内部的小部件）的角度变化对喷射泵的吸气效率影响显著，结合双上充泵启动运行数十小时后一回路氢含量无明显变化的现象，综合分析，判断加氢站喷射泵吸气效率不足导致一回路氢含量下降的可能性最高。

2.3 故障处理

该三代核电厂化容控制系统加氢 间无法开展检修，为保证一回路氢含量不低于技术规范规定的限值，电厂采用 高值，同时定时对加氢站气体分离器进行排气的方式维持一回路氢含量在技 体分离器 可排出一回路水中溶解的氮气和辐照产生的其他气体，以提高喷射泵吸入的氢气纯度）

3​结语

经过异常分析与处理，发现该三代核电机组化学和容积控制系统的加氢站喷射泵设计上存在薄弱点，该薄弱点在机组运行期间一旦性能下降将对一回路氢含量产生显著影响，可能导致机组被迫停运检修。该薄弱点被识别后，该三代核电厂已发起设备改进换型消除该隐患，进一步提高了机组运行的可靠性。

核电厂在运行期间必须严格遵守技术规范的要求，对氢含量的变化需要保持足够的关注度，在出现异常时，能够及时分析处理，这样才能保证核电机组长期安全稳定运行。

参考文献：

[1] 王本振．压水堆核电站氧化运行前一回路氢浓度控制要求及策略［J］．中国核科学技术进展报告（第五卷），2017(10):41-43.