因為氫具有易燃、易爆的危險特性，CSNS氫循環(huán)的真空系統(tǒng)設(shè)計，不僅要滿足真空性能方面的要求，還需要采取一系列氫安全的防護措施，即氫安全設(shè)計方法，以保障真空系統(tǒng)的安全運行。首先，簡要介紹了中國散裂中子源氫循環(huán)系統(tǒng)的原理及氫循環(huán)真空系統(tǒng)的組成，然后針對氫的危險特性及氫安全的相關(guān)知識，從氫安全設(shè)計的角度出發(fā)，詳細介紹了爆炸性環(huán)境的分區(qū)及真空系統(tǒng)的安全設(shè)計方法。

　　引言

　　中國散裂中子源(CSNS)是建設(shè)在廣東省東莞市的，是由1.6 GeV的高能質(zhì)子轟擊重金屬靶而產(chǎn)生強流中子，并利用中子研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和運動的大科學裝置。CSNS主要由質(zhì)子加速器、中子靶站和中子散射譜儀等三大部分組成，其質(zhì)子束流功率為100 kW，有效脈沖中子通量達2.0×10¹⁶ n/(cm²⋅ s)，脈沖重復頻率為25 Hz。建成后，CSNS將成為發(fā)展中國家的第一臺散裂中子源，并將與英國ISIS、美國SNS、日本J-PARC的散裂中子源相并列，成為世界四大主要脈沖散裂中子源科學研究中心之一。

　　CSNS 低溫氫循環(huán)系統(tǒng)采用低溫超臨界氫(約1.5 MPa，約20 K)為工質(zhì)，為靶站慢化器提供慢化中子所必須的制冷能力，并盡量避免低溫設(shè)備的運行對中子通量穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。氫氣是一種無色、無嗅、無毒、易燃易爆的氣體，和氟、氯、氧、一氧化碳混合均有爆炸的危險。氫燃燒時火焰是透明的，因此其存在不易被感官發(fā)現(xiàn)。氫雖然無毒，在生理上對人體是惰性的，但若空氣中氫含量增高，將引起缺氧性窒息。與所有低溫液體一樣，直接接觸液氫將引起凍傷。液氫外溢并突然大面積蒸發(fā)還會造成環(huán)境缺氧，并有可能和空氣一起形成爆炸混合物，引發(fā)燃燒爆炸事故。因此，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認為對CSNS氫循環(huán)的真空系統(tǒng)設(shè)計時，需要考慮氫安全方面的設(shè)計，以保障真空系統(tǒng)的安全、可靠運行。

1、CSNS低溫氫循環(huán)系統(tǒng)

　　CSNS氫循環(huán)系統(tǒng)是一個閉式循環(huán)，采取強迫流循環(huán)冷卻的方式。超臨界氫在氫循環(huán)泵的驅(qū)動下，經(jīng)氫氦換熱器放熱降溫，分別由兩條低溫氫傳輸管道進入CM和DM慢化器，在慢化器中吸熱升溫后回到主路，經(jīng)加熱器、壓力緩沖器、循環(huán)泵到正仲氫轉(zhuǎn)化反應(yīng)器，在這里正氫轉(zhuǎn)化成99%的仲氫后，再回到氫氦換熱器，完成一個循環(huán)。氫循環(huán)系統(tǒng)的主要設(shè)備包括氫-氦換熱器、壓力緩沖器、循環(huán)泵、正仲氫轉(zhuǎn)化反應(yīng)器以及低溫傳輸管線等，其中換熱器、加熱器、循環(huán)泵和正仲氫轉(zhuǎn)化器都放置于密閉的氫循環(huán)冷箱中，壓力緩沖器為便于維修和更換，單獨放置在壓力緩沖器冷箱中，如圖1所示。低溫系統(tǒng)的平均工作溫度為20 K，如果不采取真空隔熱措施，相對于300 K大氣環(huán)境的漏熱太大，難以保證系統(tǒng)的正常運行。因此為減少低溫系統(tǒng)的漏熱，需要設(shè)計相應(yīng)的真空系統(tǒng)，以保障氫循環(huán)系統(tǒng)在低溫狀態(tài)下持續(xù)、可靠地運行。

圖1　氫循環(huán)系統(tǒng)流程圖

2、CSNS氫循環(huán)真空系統(tǒng)

　　CSNS氫循環(huán)系統(tǒng)的真空系統(tǒng)包含氫循環(huán)冷箱真空系統(tǒng)、壓力緩沖器冷箱真空系統(tǒng)、低溫傳輸管線的真空系統(tǒng)及管道置換真空等。氫循環(huán)冷箱和壓力緩沖器冷箱均為圓柱形筒體結(jié)構(gòu)，兩條低溫氫傳輸管線均為雙通道管線，隔熱真空層內(nèi)為并列的兩條氫管道，一來一回。表1給出了各部分真空室的尺寸及相關(guān)技術(shù)要求。

表1　各真空室的尺寸及真空度、漏率要求

　　根據(jù)以上各部分真空室的尺寸及真空度要求，計算出真空室的容積、內(nèi)表面積，結(jié)合容器內(nèi)設(shè)備的材料及表面積，計算出真空室的總放氣量。再根據(jù)真空設(shè)計手冊的選配、配泵方法，計算出所選真空泵的抽速。最終選擇渦輪分子泵作為主泵，機械泵為前級泵。具體技術(shù)參數(shù)如表2列。重點介紹真空系統(tǒng)的氫安全設(shè)計方法，因此，對于真空泵的選擇及計算過程不在此詳述。

表2　各真空室的真空泵技術(shù)參數(shù)表

3、真空系統(tǒng)的氫安全設(shè)計方法

　　3.1、氫氣的危險特性

　　氫氣的燃點為560 ℃，溫度組別為T1，氣體類別為礦井外ⅡC類氣體。氫氣與空氣混合的燃燒極限為4%~74.2%，爆炸極限為18.3%~59%，氫的最大安全間隙為0.5 mm，最小引爆火花能量為0.019 mJ。氫氣燃燒需要滿足兩個條件：(1)氫氣和氧氣(或空氣)形成爆炸性氣體環(huán)境；(2)有點火源(點火能量>0.019 mJ)的存在。

　　3.2、環(huán)境分區(qū)

　　爆炸性氣體環(huán)境根據(jù)爆炸性氣體混合物出現(xiàn)的頻繁程度和持續(xù)時間，危險性由強到弱依次分為0區(qū)、1區(qū)和2區(qū)三種區(qū)域。0區(qū)是指連續(xù)出現(xiàn)或長期出現(xiàn)爆炸性氣體混合物的環(huán)境；1區(qū)指在正常運行時可能出現(xiàn)爆炸性氣體混合物的環(huán)境；2區(qū)指在正常運行時不可能出現(xiàn)爆炸性氣體混合物的環(huán)境，或即使出現(xiàn)也僅是短時存在的爆炸性氣體混合物的環(huán)境。在現(xiàn)實生產(chǎn)中，0區(qū)環(huán)境是極個別的，大多數(shù)情況屬于1區(qū)、2區(qū)環(huán)境。而在進行氫安全設(shè)計時，應(yīng)采取合理措施盡量避免0區(qū)的出現(xiàn)，減少1區(qū)的存在。

　　CSNS氫循環(huán)真空系統(tǒng)均位于靶站大廳三層平臺上的氫設(shè)備間內(nèi)，因為采取了一系列的氫安全措施，氫設(shè)備間內(nèi)屬于ⅡC類，2區(qū)的爆炸性環(huán)境。因此，真空系統(tǒng)相應(yīng)的可能引起點火的電氣設(shè)備(機械泵、真空規(guī)、閥門等)均應(yīng)采用滿足ⅡC類，2區(qū)環(huán)境的防爆設(shè)備。機械泵的環(huán)境分區(qū)，需要從外部環(huán)境和內(nèi)部環(huán)境兩方面來考慮。

　　(1)外部環(huán)境的分區(qū)，不管是作為分子泵的前級泵，還是單獨的管路置換泵，均位于氫設(shè)備間內(nèi)，因此均為ⅡC類，2區(qū)環(huán)境，相當于歐洲ATEX 標準中的IIC、Cat3。選擇歐洲的泵(萊寶、浦發(fā)、愛德華等)時應(yīng)滿足ATEX標準的IIC、Cat3；

　　(2)內(nèi)部環(huán)境的選擇上，機械泵如果作為分子泵的前級泵，不管是氫循環(huán)冷箱的分子泵組，還是低溫氫管道的分子泵組，抽的普通空氣，在正常情況下不可能出現(xiàn)爆炸性混合氣體，因此應(yīng)該為ⅡC類，2區(qū)環(huán)境。

　　對于氫管路置換用的機械泵，需要分兩種情況考慮：

　　(1)系統(tǒng)運行之前，往系統(tǒng)內(nèi)充入氫氣。如果直接用氫置換空氣，必然會出現(xiàn)氫氣與空氣的混合物，此時機械泵內(nèi)為IIC類，0區(qū)環(huán)境；

　　(2)系統(tǒng)停機后將氫排出系統(tǒng)，如果抽完真空后直接放入空氣，也會在某些局部或死角出現(xiàn)氫氣與空氣的混合物，此時機械泵內(nèi)為IIC類，1區(qū)環(huán)境。

　　在進行氫安全設(shè)計，會采取措施避免以上兩種情況的出現(xiàn)。一般使用符合安全要求的惰性氣體(其氧氣體積分數(shù)不得超過3%)，在充入氫氣之前先用惰性氣體置換三次，每次抽真空至10 Pa以下。在系統(tǒng)停機后，也是先用惰性氣體置換三次，每次抽真空至10 Pa以下，然后再充入惰性氣體至大氣壓以上進行保壓，直到下次系統(tǒng)重新開機。

　　3.3、具體的設(shè)計方法

　　低溫系統(tǒng)正常運行時，氫冷箱、壓力緩沖器冷箱及低溫氫傳輸管線的隔熱真空必須好于5×10^-3 Pa。因此，在系統(tǒng)運行初始階段，當以上各出的真空度均達到5×10^-3 Pa時，真空系統(tǒng)發(fā)出真空OK信號。真空系統(tǒng)配置了四級質(zhì)譜儀(RGA)，用于監(jiān)測真空層中的氣體分子含量。如果發(fā)現(xiàn)氫分子含量迅速升高，并伴隨真空度的下降，將向系統(tǒng)PLC發(fā)出報警信號，值班人員將根據(jù)真空度的變化進行相應(yīng)的操作。如果真空度能夠維持系統(tǒng)正常運行的范圍內(nèi)，則不需要進行操作。如果真空繼續(xù)變差，真空度上升到5×10^-2 Pa時，系統(tǒng)自動關(guān)閉RGA。真空度上升到0.1 Pa時，這時PLC將會聯(lián)鎖關(guān)閉真空機組前的插板閥及真空設(shè)備電源，同時撤銷真空OK信號。此時值班人員將進行停機操作，通過緊急排氫模式將系統(tǒng)內(nèi)的氫排到大氣。

　　真空系統(tǒng)的排氣不能直接排向房間內(nèi)，特別是對于抽氫的機械泵，泵的出口通過帶止回閥的管道連接到專門的氫排放系統(tǒng)中，避免置換的氫與大氣形成爆炸性混合物；對于隔熱真空的分子泵機組，前級泵的出口也不直接排至房間內(nèi)，而是通過管道排至屋頂大氣，避免隔熱真空層意外破裂時，閥門未及時關(guān)閉，泄漏的氫通過真空系統(tǒng)直接進入到氫設(shè)備間內(nèi)。此外，還可以在真空系統(tǒng)的出口設(shè)置氮氣氣囊，向排氣中混入氮氣，以降低出現(xiàn)氫與空氣混合物的可能性。低溫氫傳輸管道的真空層內(nèi)設(shè)計了氦氣充入口，可以在非常緊急的情況下(如氫管道破裂，氫大量泄漏)向真空層充入氦氣，不僅可以通過加大漏熱來加速氫的排放，還可以稀釋氫的濃度，降低氫與空氣混合發(fā)生爆炸的可能性，如圖2所示。

　　此外，需要對真空系統(tǒng)內(nèi)的每一個設(shè)備及儀表都進行點火源分析，以評估所有點火源的潛在風險，排除點火源存在的可能性。真空泵的潛在點火源主要有熱表面、火焰和熱氣、機械火花的形成、靜電放電、壓縮熱、化學反應(yīng)。因此，通過防爆認證的真空泵，根據(jù)危險區(qū)域的級別不同一般會采取相應(yīng)的安全設(shè)計，以確保真空泵不會成為潛在的點火源。常用的安全設(shè)計有：(1)在泵的吸氣口和壓縮出口進行溫度監(jiān)控；(2)泵油的壓力監(jiān)控；(3)泵的進口和出口設(shè)置阻火器(一般用于內(nèi)部0區(qū))；(4)經(jīng)過爆炸實驗的外殼；(5)采用防爆電機。

圖2　氫循環(huán)真空系統(tǒng)的流程簡圖

4、總結(jié)

　　真空系統(tǒng)的正常運行是低溫氫循環(huán)系統(tǒng)能在20 K的低溫下正常、穩(wěn)定運行的重要前提，關(guān)系到慢化器內(nèi)中子的慢化、冷卻性能。氫安全的設(shè)計不僅關(guān)系到氫循環(huán)系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定運行，還關(guān)系到運行過程中的設(shè)備和人員的安全。因此，針對氫的危險特性，在氫循環(huán)真空系統(tǒng)的設(shè)計中，考慮氫安全的設(shè)計非常有必要。