基于核电站安全壳内的氢氧复合催化板的在线定检再生装
置及方法
技术领域
[0001] 本
发明涉及核电站的安保检测领域，具体地讲，是涉及一种基于核电站安全壳内的在役非能动氢复合器的氢氧复合催化板的在线定检再生装置及方法。
背景技术
[0002] 日本福岛核事故以后，为了避免或降低核电站安全壳内氢气爆炸的
风险，目前国际上和国内的二代和三代核电站均采取了相应的措施作为防范，其中一项重要措施便是在安全壳内分布放置数十个非能动氢复合器(PARs)，在设计基准事故和严重事故时不需外接
能源，可自动启动，并将氢气浓度降低至安全
水平以下。非能动氢复合器的基本结构可以概括描述为底部装填催化剂的竖直通道(俗称“烟囱”)；其工作原理为，事故发生后，氢分子和空气中的氧分子在催化剂表面
接触，发生如 的强放热自由基反应，反应释放的大量热量加热竖直通道入口处的空气，为催化元件周围的气流上升提供推动
力，热空气
温度升高、
密度降低而沿通道上升，热空气上升后留下的空间由氢氧复合器下部冷空气流入补充，形成气体自然扩散循环的“烟囱效应”。当使用活性组分为铂或钯的催化剂后，上述反应活化大大减小，从而能够在低温条件下开始反应。反应遵循Langmuir–Hinshelwood两步法机理：首先是反应物向催化剂表面的扩散，然后是
吸附在催化剂上的反应物发生反应。如此
加速实现了氢氧复合器内外气体“非能动”
对流循环，增加单位时间内流过复合器的气体，加速了氢气的催化反应，从而提高复合器的消氢能力，最后反应后的气体经过氢氧复合器顶部排出。非能动氢复合器与安全壳大气环境的
自然对流循环有效地促进了易燃气体混合，避免了氢气的累积。由此可见，催化板是非能动氢复合器的核心部件。
[0003] 在非能动氢复合器的实际使用中，安全壳内存在着复杂的环境条件：温度最高达6
到150℃以上、压力最高达到0.5MPa以上、累积辐照计量大于5×10Gy；安全壳内的气体包
3
括
放射性气溶胶(>50g/m)、水
蒸汽(最高可达60％)、氢气(最高可达10％以上)、空气以及CO等毒化组分。催化板长期处于如此复杂的环境下，可能会导致其性能降低，因此，需要每隔一定时间对安全壳内的复合器催化板进行定期性能检测，测试其氢氧复合性能是否下降，并对性能不能满足非能动氢氧复合要求的催化板进行活化再生。
[0004] 目前现有的氢氧复合催化板的定期性能检测和活化再生的方法和装置都需要将催化板从安全壳内取出，再分别进行检测和再生，换句话说，现有的催化板的定检再生程序都必须等到停堆时才能进行。为了保障发电量和减少
辐射，核
电机组停堆的时间间隔很长，通常至少一年半以上，而现有的定检技术无法实时
跟踪非能动氢复合器催化板长期在安全壳内复杂环境条件下的性能变化。另一方面，即使停堆后取出氢氧复合催化板，也有可能致使工作人员遭受放射性物质产生的辐照，影响健康。
发明内容
[0005] 为克服
现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于核电站安全壳内非能动氢复合器的氢氧复合催化板的在线定检再生装置，主要用以对安全壳内的在役氢氧复合催化板进行氢氧复合性能的在线定期检测和对性能受环境影响而不能满足当前需求的催化板进行在线活化再生。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
[0007] 一种基于核电站安全壳内的氢氧复合催化板的在线定检再生装置，包括设置于安全壳壁上的贯穿
密封件，穿过贯穿密封件设置的用于检测催化板温度的监测系统，穿过贯穿密封件设置的用于通气的引入气管，以及在安全壳外设置于引入气管上的气路系统。
[0008] 进一步地，所述监测系统包括穿过贯穿密封件伸入安全壳内的
热电偶，以及置于安全壳外与热电偶连接的
数据采集系统，其中，热电偶的前端固定于安全壳内安装的非能动氢复合器的氢氧复合催化板上，数据采集系统主要用于采集热电偶测量的数据，以便工作人员实时分析。在进一步地改进中，所述热电偶可以根据催化板的数量对应设置多个，也可以采用具有多点测量功能的热电偶，具体地，热电偶优选K型热电偶。
[0009] 为了便于引入的气体受催化板作用，所述引入气管的一端伸入并固定于非能动氢复合器的底部，另一端穿过贯穿密封件与气路系统连通；为了避免供气温度降低，所述引入气管位于安全壳内的部分的外层包覆有
隔热保温层。
[0010] 为了提高改造后安全壳的密封抗压能力，所述贯穿密封件包括由
水硬性胶凝材料制成的内层，以及包覆在该内层外部并与安全壳连接的
法兰，其中，所述水硬性胶凝材料由CaO粉末与SiO2粉末按物质的量2:1～3:1的比例混合均匀后，加水搅匀并硬化而成。
[0011] 具体地，所述气路系统包括设置于引入气管位于安全壳外上的单向
阀、
开关阀
门、压力计和切换阀门，分别与切换阀门连接的定检气路和再生气路。
[0012] 更进一步地，所述定检气路和再生气路均包括
串联在切换阀门和供气源之间的氢气阻火器、
单向阀、流量
控制器、
电磁阀，其中，定检气路的供气源为氢气体积浓度小于4％的氢气和空气的混合气体，再生气路的供气源为氢气体积浓度小于4％的氢气和氮气的混合气体。
[0013] 为了便于供气加热，所述引入气管位于安全壳外的部分的外层包覆有加热包层。
[0014] 具体地，所述加热包层包括设置于引入气管外壁的电热丝，将电热丝和引入气管外壁包覆的
外壳体，以及设置于外壳体内的温度
传感器。
[0015] 为了防止安全壳内气体倒流入引入气管，所述安全壳上还设有压力计，需在管路压力大于安全壳内压力时方能打开阀门引入混合气体，以保障安全。
[0016] 基于上述装置的构造，本发明还提供了一种基于核电站安全壳内的氢氧复合催化板的在线定检方法，包括：
[0017] (S101)采用上述装置，将切换阀门调整至定检气路连通状态，并打开各阀门引入定检混合气体；
[0018] (S102)通过引入气管向非能动氢复合器通入定检混合气体，持续至少半小时；
[0019] (S103)由热电偶测量的该时间段内的氢氧复合催化板的温度上升幅度判定该氢氧复合催化板的性能是否正常，若温度明显上升，则说明该催化板性能正常，若温度没有明显上升，则说明该催化板被毒化，性能不正常。其中，所谓温度明显上升是指温度上升幅度大于或等于30℃，故温度上升幅度小于30℃则为没有明显上升。
[0020] 基于上述装置的构造，基于核电站安全壳内的氢氧复合催化板的在线再生方法，包括：
[0021] (S201)采用上述装置，将切换阀门调整至再生气路连通状态，并打开各阀门引入再生混合气体；
[0022] (S202)通过加热包层设定加热温度为250～350℃；
[0023] (S203)通过引入气管向非能动氢复合器通入加热后的再生混合气体，持续至少一小时，以对被毒化的氢氧复合催化板进行活化再生；
[0024] (S204)采用前述的在线定检方法，对再生后的催化板再次进行检测，如果检测其性能正常，则可正常使用，如果检测其性能不正常，则重复对其进行活化再生，若多次活化再生后其性能仍被检测为不正常，则说明该催化板上的催化剂失效，需待停堆后更换。
[0025] 需要特别说明的，关于向安全壳内通入氢气混合气体的安全问题。首先，安全壳3
内总体积约50000m，按标准的混合气体通入流量300L/min计算，氢浓度3％的混合气体需要持续通入154天才能使安全壳内平均氢浓度达到爆炸极限4％，因此例行定检再生过程不会造成爆炸威胁；其次，管路上设置的单向阀、压力计等配件也能有效地保障氢安全；最后，核电机组内必然安装有安全壳在线测氢装置，如法国Areva公司的HERMITIS系统，能够对安全壳内氢气浓度进行在线检测，一旦氢浓度上升过快，或接近爆炸极限，即
马上停止通入混合气体，保障安全。
[0026] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0027] (1)本发明基于核电站安全壳进行改进，利用消氢反应的化学原理，通过测量催化板在反应时的温度变化来判断其催化性能是否正常，构思新颖巧妙，并利用了贯穿密封件将装置与安全壳的有机结合，保证了安全壳的抗压
密封性，还通过气路系统的设置对供气进行有效的调节控制，充分保障了装置的使用安全性，由此整体实现了无需取出催化板而直接在安全壳内对催化板进行定检再生操作的效果，方便实用，不仅能够明显提高检测效率，有效避免了核电站停堆带来的损失和不利影响，而且极大地减少了工作人员遭受辐照的时间，安全可靠，在本领域有很大的推广应用价值。
[0028] (2)本发明通过设置能够对催化板进行实时在线检测，以及时准确地发现催化板的性能下降问题，消除催化板的安全隐患，保障核电站设施的安全。
[0029] (3)通过本发明的使用，不仅工作人员不需要进入安全壳取出催化板进行定检再生操作，减少在安全壳内受辐照时间，而且也不必担心取出的催化板沾染放射性物质而对其产生的辐照，极大地保障了工作人员的健康。
[0030] (4)本发明引入的混合气体均控制在安全范围以内，并且结合气路系统的各种阀门、计量器等配件也能够充分保障引入混合气体的氢安全问题。
[0031] (5)本发明在安全壳外部的引入气管上设置加热包层，在活化再生时直接对混合气体加热使之达到需要的温度，并且通过安全壳内的引入气管上设置的隔热保温层减少了温度在传输过程中的损失，促进催化板的还原，提高反应效率。
附图说明
[0032] 图1为本发明的结构示意图。
[0033] 图2为定检过程中合格催化板的进出口氢浓度变化曲线和温度变化曲线。
[0034] 上述附图中，附图标记对应的部件名称如下：
[0035] 1-贯穿密封件，2-引入气管，3-热电偶，4-加热包层，5-隔热保温层，6-安全壳，7-非能动氢复合器，8-氢氧复合催化板，10-供气源，11-电磁阀，12-流量控制器，13-单向阀，14-氢气阻火器，15-切换阀门，16-压力计，17-开关阀门。
具体实施方式
[0036] 下面结合附图和
实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
[0037] 实施例
[0038] 如图1所示，该基于核电站安全壳内的氢氧复合催化板的在线定检再生装置，主要用于直接在安全壳6内对非能动氢复合器7的氢氧复合催化板8进行定期性能检测和活化再生，是一套非常方便实用的装置，包括贯穿密封件1、监测系统和气体引入系统三大部分，气体引入系统又包括引入气管2和用于供气和控制的气路系统，其中，检测系统的探测部分和引入气管均贯穿安全壳壁伸入安全壳内，贯穿密封件直接安装在安全壳壁上，在前述二者贯穿处与安全壳壁固定连接并使其密封，以保障改进后的安全壳性能。安全壳是现有技术中一个很复杂的构造，因此本发明对安全壳本身不作赘述，只介绍本发明涉及到的相关结构，如用于检测安全壳内压的压力计、用于检测安全壳内氢气浓度在线检测的测氢装置等。氢氧复合催化板简称催化板。上述各部分的具体构造分别如下：
[0039] 监测系统，主要用于检测氢氧复合催化板的温度，具体包括穿过贯穿密封件伸入安全壳内的热电偶3，以及置于安全壳外与热电偶连接的数据采集系统，其中，为了准确检测到催化板反应时的温度变化，热电偶的前端固定于安全壳内安装的非能动氢复合器的氢氧复合催化板上，数据采集系统主要用于采集热电偶测量的数据，以便工作人员实时分析。在进一步地改进中，所述热电偶可以根据催化板的数量对应设置多个，也可以采用具有多点测量功能的热电偶，具体地，热电偶优选K型热电偶。
[0040] 引入气管，主要用于将定检再生用的混合气体通入催化板处，因此其一端伸入并固定于非能动氢复合器的底部，出气口朝向催化板，另一端穿过贯穿密封件与气路系统连通。为了便于供气加热，引入气管位于安全壳外的部分的外层包覆有加热包层4。具体地，该加热包层包括设置于引入气管外壁的电热丝，将电热丝和引入气管外壁包覆的外壳体，以及设置于外壳体内的温度传感器，可根据加热需求设置电热丝的发热温度。为了避免供气温度降低，引入气管位于安全壳内的部分的外层包覆有隔热保温层5，其由隔热保温材料制成。
[0041] 气路系统，主要用于控制供气和保证安全，具体包括设置于引入气管位于安全壳外上的单向阀13、开关阀门17、压力计16和切换阀门15，分别与切换阀门连接的定检气路和再生气路。其中，所述定检气路和再生气路均包括串联在切换阀门和供气源10之间的氢气阻火器14、单向阀13、流量控制器12、电磁阀11，其中，定检气路的供气源为氢气体积浓度小于4％的氢气和空气的混合气体，再生气路的供气源为氢气体积浓度小于4％的氢气和氮气的混合气体。通常为保障安全，在通入气体需使管路压力大于安全壳内压力，即引入气管上设置的压力计的读数大于安全壳上设置的压力计的读数。上述在描述中涉及的“串联”的含义与
电路布置中的对应概念雷同。
[0042] 贯穿密封件，主要用于密封热电偶和引入气管贯穿安全壳的
位置，以保证安全壳的抗压密封性，具体包括由水硬性胶凝材料制成的内层，以及包覆在该内层外部并与安全壳连接的法兰，其中，所述水硬性胶凝材料由CaO粉末与SiO2粉末按物质的量2:1～3:1的比例混合均匀后，加入适量水搅匀(按前述比例通常约为2～3物质的量，根据实际粘稠度判定，不限于此)，并在一段时间(至少半小时，根据实际粘稠度确定)后硬化得到。由于水硬性胶凝材料具有强度高、粘附性好的特性，可以紧密填充在热电偶和引入气管贯穿的空隙处，确保密封效果，进而提升整个装置的抗压和抗高温性能。
[0043] 基于上述装置的构造，本实施例提供了如下在线定检方法和在线再生方法：
[0044] 该基于核电站安全壳内的氢氧复合催化板的在线定检方法，包括：
[0045] (S101)采用上述装置，将切换阀门调整至定检气路连通状态，打开该气路的电磁阀引入定检混合气体，当引入气管上的压力计读数达到要求后，打开开关阀门使定检混合气体进入安全壳内；其中，定检混合气体为氢浓度为2.5％的低浓度氢空混合气；
[0046] (S102)通过引入气管向非能动氢复合器通入定检混合气体，控制气体通入流量维持在300L/min左右，持续至少半小时；
[0047] (S103)由热电偶测量的该时间段内的氢氧复合催化板的温度上升幅度判定该氢氧复合催化板的性能是否正常，若温度明显上升(变化幅度≥30℃)，则说明该催化板性能正常，若温度没有明显上升(变化幅度小于30℃)，则说明该催化板被毒化，性能不正常。如图2所示，为典型的向催化板通入2.5％的氢空混合气的温度变化曲线，由图中可以看出即使在低氢浓度下，性能正常的催化板也能在半小时内上升约60℃，温度变化明显。
[0048] 当检测出的性能不正常(被毒化)的催化板数量会致使设备存在安全威胁时，可采用如下方法对被毒化的催化板进行活化再生，具体地，该基于核电站安全壳内的氢氧复合催化板的在线再生方法，包括：
[0049] (S201)采用前述装置，将切换阀门调整至再生气路连通状态，打开该气路的电磁阀引入再生混合气体，当引入气管上的压力计读数达到要求后，打开开关阀门使再生混合气体进入安全壳内；其中，再生混合气体为氢浓度为3％的低浓度氢氮混合气；
[0050] (S202)通过加热包层设定加热温度为250～350℃，优选为300℃；
[0051] (S203)通过引入气管向非能动氢复合器通入加热后的再生混合气体，控制气体通入流量维持在300L/min左右，持续至少一小时，以对被毒化的氢氧复合催化板进行活化再生；
[0052] (S204)为确保再生效果，采用前述的在线定检方法，对再生后的催化板再次进行检测，如果检测其性能正常，则可正常使用，如果检测其性能不正常，则重复对其进行活化再生，若多次活化再生后其性能仍被检测为不正常，则说明该催化板上的催化剂失效，需待停堆后更换。
[0053] 上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，应用于其他安全壳内装置的性能检测和维护上的技术方案，以及在此
基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。
