在核电站严重事故(SA)下，由于高温下堆芯分解和氧化导致的锆金属与水的反应，以及熔化的堆芯残骸与混凝土的反应，将生成大量的氢气。由于其较高的温度和压力，氢气的爆燃和爆炸可定义为对反应壳建筑完整性的主要威胁之一。1979年美国三哩岛核事故、1986年苏联切尔诺贝利核事故及2011年日本福岛核事故均导致国际上对氢气特性及其控制的研究。


氢气的危害由严重事故序列、设备特性及反应壳隔间的结构和容积等多种因素决定。为监测和消除安全壳内的爆炸风险，有必要采用一套安全壳内的氢气控制系统。该系统在安全壳内堆芯分解或熔化的情形下，具有氢气浓度监控和氢气控制的功能，限制安全壳内的氢气浓度，从而避免安全壳整体发生危险。氢气控制系统由氢气监测子系统和氢气消除子系统组成。


基准事故下测量安全壳内氢气浓度是有效预防和缓解核事故的措施之一。国际原子能机构(IAEA)要求所有新建核电站都必须安装氢气控制系统。在中国，根据GB13627《核电厂事故监测仪表准则》的规定，进行氢气浓度的测量是探测安全壳破裂可能性，实施核事故的缓解和长期监视的措施之一。同时，在中国核安全法规中，也包括了新建核电站必须考虑严重事故条件下的氢气控制措施的安全要求。但是，目前已用在核电站安全壳内的氢气浓度测量系统均尚未得到严重事故条件的充分验证。


安全壳内氢气浓度测量方法及其原理


安全壳内氢气浓度测量方法从技术实现途径上可分为抽气取气样法和直接测量方法2类。


抽气取气样法


气体抽出式测量方法采用的氢气传感器安装在安全壳外，并且气体的预处理和分析都在安全壳外完成。安全壳内少量的高温高压高放射性气体被抽送到安全壳外，进行降温、除湿、降压、稳流和过滤等预处理。经过预处理的低温、低压、清洁的气体，可以送入分析仪器进行氢气浓度测定。这种方式对氢气传感器的要求相对较低，有利于其选型和应用，普通的商用仪表经过抗震设计后即可应用在此类系统中。此外，由于样品含量的分析是在安全壳外进行的，因此该方法并不一定要经过严重事故条件的验证。


不过，在气体抽出式测量方法中，由于气体在传输和预处理过程中的冷却和水蒸气的冷凝，导致氢气相对于样品气的含量大大上升。因此，与安全壳内的实际氢气浓度相比，抽出式测量方式测得的氢气体积浓度明显偏高。也就是说，水蒸气的含量直接影响测量的准确性，并且水蒸气含量越大，测量偏差就越大。因此，如何通过数据补偿的方式对测量值进行修正，这对于保持气体测量状态一致性，消除水蒸气含量对测量结果的影响，以保证准确测量而言是很重要的。


直接测量法


直接测量方式中采用的氢气分析传感器或氢气敏感元件安装在安全壳内，通常不能直接输出氢气浓度信号，需要安全壳外的信号处理设备配合完成氢气浓度分析。由于安全壳内环境条件的特殊性和严酷性，普通商用的氢气分析传感器不能被直接应用。因此，安装在安全壳内的氢气传感器需要进行特殊设计和研制，经过完整的环境条件鉴定试验，以确保在事故工况下设备的可用性，之后设备才可以应用于核电厂安全壳内。鉴定试验通常包括热老化、辐照老化、抗地震、高温、高压、气溶胶、喷淋试验等。


根据测量原理的不同，直接测量方式可分为3类:热催化电极电阻变化法，氢氧催化反应温度变化法以及吸氢材料电阻变化法。其中，热催化电极电阻变化法与氢氧催化反应温度变化法均采用催化原理促使氢氧反应，其差别在于氢气敏感材料不同和催化实现方式不同。


热催化电极电阻法


热催化电极电阻法的氢气敏感元件是由涂有催化剂的铂电极和参比电极组成，当探头接触到氢气和氧气的混合物时，在铂电极表面发生催化复合反应，氢气与氧气发生复合反应时产生反应热，反应热导致电极电阻变化，电阻变化值是氢气存在的特征信号。这一信号被送到安全壳外的惠斯通电桥(见图1)上完成氢气浓度的分析。惠斯通电桥可以增加测量的灵敏度，并进行温度补偿。其中的1～2个电阻为“活性的”，暴露在环境条件中。剩余的电阻为“参照的”，通过氢气无法渗透的绝缘层进行钝化。直流电能作用于相对称的2个节点上，并通过剩余的节点测量桥电压。为达到催化反应的合适温度，保持较高的催化复合效率，并减少水蒸气对催化反应的影响，对催化电极持续采用外部供电进行加热，采用多孔金属材料的探头外罩，气体通过渗透方式扩散到氢气敏感材料中。但是，这种方法不适用于较高的氢气浓度条件，因为在此条件下，加热过程可能会造成氢气爆炸。

图1惠更斯电桥原理示意图


吸氢材料电阻变化法


吸氢材料电阻变化法的氢气敏感元件是钯镍合合金或钯银合金类吸氢材料，其测量原理如图2所示。在有氢气的氛围下，氢气具有选择性地通过钯镍合金薄膜或钯银合金薄膜并被吸附在合金晶格内，造成合金薄膜的电阻或电容变化，变化信号通过安全壳外的惠斯通电桥转换后完成氢气浓度分析。与热催化电极电阻法类似，吸氢材料吸氢时放热，吸氢后需加热才能解吸氢气，并且这种方法同样也需要外部供电。

图2吸氢材料电阻变化法的原理示意图


氢氧催化反应温度变化法

氢氧催化反应温度变化法的氢气敏感元件是催化剂，其测量原理如图3所示。区别于上述直接测量方法，这种方法不需要对传感器供电，采用非能动的测量方式，在安全壳内环境条件下在催化剂的作用下自然发生氢气与氧气的化合反应，反应放出的热量造成催化反应温度变化，温度测量信号作为氢气浓度的特征信号被直接用于分析氢气浓度，温度测量信号传输到安全壳外，由信号处理单元完成信号接收和程序计算，计算结果为安全壳内氢气浓度。这种方式无需采用惠斯通电桥进行信号转化，测量直接迅速。