在核電站嚴重事故(SA)下，由于高溫下堆芯分解和氧化導致的鋯金屬與水的反應，以及熔化的堆芯殘骸與混凝土的反應，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反應殼建筑完整性的主要威脅之一。1979年美國三哩島核事故、1986年蘇聯切爾諾貝利核事故及2011年日本福島核事故均導致國際上對氫氣特性及其控制的研究。


氫氣的危害由嚴重事故序列、設備特性及反應殼隔間的結構和容積等多種因素決定。為監測和消除安全殼內的爆炸風險，有必要采用一套安全殼內的氫氣控制系統。該系統在安全殼內堆芯分解或熔化的情形下，具有氫氣濃度監控和氫氣控制的功能，限制安全殼內的氫氣濃度，從而避免安全殼整體發生危險。氫氣控制系統由氫氣監測子系統和氫氣消除子系統組成。


基準事故下測量安全殼內氫氣濃度是有效預防和緩解核事故的措施之一。國際原子能機構(IAEA)要求所有新建核電站都必須安裝氫氣控制系統。在中國，根據GB13627《核電廠事故監測儀表準則》的規定，進行氫氣濃度的測量是探測安全殼破裂可能性，實施核事故的緩解和長期監視的措施之一。同時，在中國核安全法規中，也包括了新建核電站必須考慮嚴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的氫氣濃度測量系統均尚未得到嚴重事故條件的充分驗證。


安全殼內氫氣濃度測量方法及其原理


安全殼內氫氣濃度測量方法從技術實現途徑上可分為抽氣取氣樣法和直接測量方法2類。


抽氣取氣樣法


氣體抽出式測量方法采用的氫氣傳感器安裝在安全殼外，并且氣體的預處理和分析都在安全殼外完成。安全殼內少量的高溫高壓高放射性氣體被抽送到安全殼外，進行降溫、除濕、降壓、穩流和過濾等預處理。經過預處理的低溫、低壓、清潔的氣體，可以送入分析儀器進行氫氣濃度測定。這種方式對氫氣傳感器的要求相對較低，有利于其選型和應用，普通的商用儀表經過抗震設計后即可應用在此類系統中。此外，由于樣品含量的分析是在安全殼外進行的，因此該方法并不一定要經過嚴重事故條件的驗證。


不過，在氣體抽出式測量方法中，由于氣體在傳輸和預處理過程中的冷卻和水蒸氣的冷凝，導致氫氣相對于樣品氣的含量大大上升。因此，與安全殼內的實際氫氣濃度相比，抽出式測量方式測得的氫氣體積濃度明顯偏高。也就是說，水蒸氣的含量直接影響測量的準確性，并且水蒸氣含量越大，測量偏差就越大。因此，如何通過數據補償的方式對測量值進行修正，這對于保持氣體測量狀態一致性，消除水蒸氣含量對測量結果的影響，以保證準確測量而言是很重要的。


直接測量法


直接測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，通常不能直接輸出氫氣濃度信號，需要安全殼外的信號處理設備配合完成氫氣濃度分析。由于安全殼內環境條件的特殊性和嚴酷性，普通商用的氫氣分析傳感器不能被直接應用。因此，安裝在安全殼內的氫氣傳感器需要進行特殊設計和研制，經過完整的環境條件鑒定試驗，以確保在事故工況下設備的可用性，之后設備才可以應用于核電廠安全殼內。鑒定試驗通常包括熱老化、輻照老化、抗地震、高溫、高壓、氣溶膠、噴淋試驗等。


根據測量原理的不同，直接測量方式可分為3類:熱催化電極電阻變化法，氫氧催化反應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溫度變化法均采用催化原理促使氫氧反應，其差別在于氫氣敏感材料不同和催化實現方式不同。


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，當探頭接觸到氫氣和氧氣的混合物時，在鉑電極表面發生催化復合反應，氫氣與氧氣發生復合反應時產生反應熱，反應熱導致電極電阻變化，電阻變化值是氫氣存在的特征信號。這一信號被送到安全殼外的惠斯通電橋(見圖1)上完成氫氣濃度的分析?；菟雇姌蚩梢栽黾訙y量的靈敏度，并進行溫度補償。其中的1～2個電阻為“活性的”，暴露在環境條件中。剩余的電阻為“參照的”，通過氫氣無法滲透的絕緣層進行鈍化。直流電能作用于相對稱的2個節點上，并通過剩余的節點測量橋電壓。為達到催化反應的合適溫度，保持較高的催化復合效率，并減少水蒸氣對催化反應的影響，對催化電極持續采用外部供電進行加熱，采用多孔金屬材料的探頭外罩，氣體通過滲透方式擴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，因為在此條件下，加熱過程可能會造成氫氣爆炸。

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鈀鎳合金薄膜或鈀銀合金薄膜并被吸附在合金晶格內，造成合金薄膜的電阻或電容變化，變化信號通過安全殼外的惠斯通電橋轉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


氫氧催化反應溫度變化法

氫氧催化反應溫度變化法的氫氣敏感元件是催化劑，其測量原理如圖3所示。區別于上述直接測量方法，這種方法不需要對傳感器供電，采用非能動的測量方式，在安全殼內環境條件下在催化劑的作用下自然發生氫氣與氧氣的化合反應，反應放出的熱量造成催化反應溫度變化，溫度測量信號作為氫氣濃度的特征信號被直接用于分析氫氣濃度，溫度測量信號傳輸到安全殼外，由信號處理單元完成信號接收和程序計算，計算結果為安全殼內氫氣濃度。這種方式無需采用惠斯通電橋進行信號轉化，測量直接迅速。