1 前言
截止目前，核电历史上共出现三次放射性大量释放的严重事故，其中就有两次（三哩岛核事故和福岛核事故）出现氢爆，危害和损伤核电厂安全屏障。在反应堆厂房内部，通过火焰加速和燃爆转变是核电厂氢气爆炸的主要原因，因此日益受到业界和安全监管方的关注。
2 氢气燃烧和氢爆的物理过程
反应堆厂房内的氢气燃烧可以从几微秒到几秒的时间内，产生的压力也在4倍到30倍初始压力值之间，甚至更大。爆炸可由通过强大的外部能源直接引发；也可由轻微的点火，通过氢气的火焰加速和燃爆转变间接引发。外部能源直接引发，能量是从外部提供，在反应堆厂房内出现的概率非常低，而第二种，能量来自于可燃混合物自身。
氢气燃烧通常从微弱的点火开始，第一个阶段为层流燃烧模式，其传播速度由层流燃烧速度决定；层流燃烧时间很短暂，很快就过渡到具褶的火焰模式，这个过程可以传播很长的距离，传播速度为层流燃烧的几倍；由于障碍物或边界层引起的扰动，具褶的火焰模式最终会转变为湍流燃烧模式，这个模式会引起很大的火焰加速，随着扰动水平的增加，火焰前沿的结构将破坏，成为分布式的反应区；当出现氢气的火焰加速和燃爆转变现象时，由于自由扩大的火焰很不稳定性，在阻碍物的作用下能够引起快速火焰加速，如果不采取适当的措施，将会发展为爆炸。
氢气点火点处燃烧以低速火焰开始，通过扰动火焰可以很快的加速，最后可达到声速（在燃烧产物中）。这个燃烧和加速的过程由很多参数决定：反应物和稀释气体的浓度、点火源、几何因素、初始热力学条件（温度、压强和扰动等）和控制系统（喷淋和排放）。
3 湍流火焰和爆炸传播模式
国际上一般对于有障碍物的管道里燃烧的氢气空气混合物定义了一系列湍流火焰和爆炸传播模式：
A． 猝熄模式：火焰停止传播；
B． 亚声速模式：火焰传播速度低于燃烧产物中的声速；
C． 声速模式：火焰传播速度和燃烧产物中的声速差不多；
D． 准爆炸模式：火焰速度在声速和C-J爆震波速度之间；
E． CJ爆炸模式：传播速度等于C-J爆震波速度。
不同的传播模式的准则略有不同：
猝熄模式：最小的障碍物直径取决于混合物的灵敏度和火焰前沿穿过障碍物时的压力梯度。
准爆炸模式和CJ爆炸模式：取决于一系列特征长度：障碍物或管道的直径d和爆炸单元尺寸λ。当d>λ时，准爆炸模式是可能发生的。对CJ爆炸模式，在没有障碍物的管道内，d>13λ，是可能发生的；而在有障碍物时，燃爆转变的必要条件是7λ准则。
4 约束程度对火焰和爆炸传播的影响
燃爆转变要发生，火焰的速度必须要加速到一个临界速度（大约600m/s）。要估计燃爆转变发生的可能性，因此要考虑影响火焰加速过程的因素：障碍物结构和周围墙体的约束程度。
（1）约束程度对火焰传播的影响
在通道中火焰的加速和扰动的产生之间的正反馈对通道的约束程度非常敏感，随着约束程度的降低，火焰前沿的速度会降低，从而减少由障碍物引起的扰动。
大尺寸的实验表明，障碍物的存在会增加火焰速度、压力和燃爆转变的可能性。同样横向的通风口也会降低火焰速度、压力和燃爆转变的可能性。
（2）约束程度对爆炸传播的影响
和火焰传播一样，约束程度对爆炸的影响也很大。在管道末端约束程度的突然变化，可能会导致爆炸的失败，其管道的临近直径由爆炸单元的尺寸λ决定。对于燃料和空气的混合物（多孔结构），临界直径Dc≈13λ。
5 与火焰加速相关的物理机制
（1）层流火焰和火焰折叠模式
火焰传播的初期是层流火焰，随后是具褶的或蜂窝焰。层流火焰的速度是由穿过火焰前沿的热和质量以及燃烧产生的热量决定的，可以通过化学动力学的模型来模拟。更重要的具褶的火焰模式是由扩散和水力学的不稳定性决定的，建立模型比较困难。通过实验研究，火焰单元尺寸在0.5cm到3.5cm之间，而且与燃烧速度的平方成正比。
（2）湍流燃烧和加速
当火焰遇到墙壁或者障碍物，具褶的火焰很快就会发展成为湍流火焰。转换机制与扰动有关，包括Kelvin-Helmholtz和Rayleigh-Taylor不稳定性（当火焰突然加速通过障碍物或通道时触发）。当火焰加速通过障碍物时，由于火焰加速、流体速度和火焰前沿产生的扰动之间的反馈机制，这是一个火焰自我加速的过程。
湍流火焰前沿主要由扰动强度与燃烧和扰动的特征时间决定。如果燃烧的特征时间小于扰动漩涡的特征时间，火焰前沿将由很多明显的分层的火焰组成。如果燃烧的特征时间大于扰动漩涡的特征时间，火焰前沿内的反应区将是分布式的，要用其它的模型来描述。
（3）声速火焰与爆震火焰的相互作用
在四周封闭的空间内的火焰加速产生的声波会和火焰前沿产生相互作用，而且会通过一系列不稳定性促进火焰加速。实验表明，这些不稳定性会增大最大的压力负载。
声学的不稳定性一般认为与跟障碍物无关的慢速火焰有关。这些不稳定性可以通过在墙壁上加可吸收声波的衬里来成功消除。通过管道障碍物实验，吸收材料可以把火焰的最终速度从1000m/s降低到100m/s。
更精确的研究表明，这些不稳定性还跟由火焰与声波相互作用引起的火焰变形和由声波和能量释放的一致性引起的声波扩大有关。
另外，快速火焰会产生爆震波，能够通过墙壁反射而且会和火焰前沿发生相互作用。最终可能会导致燃烧加速甚至燃爆转变。
（4）整体和局部猝熄
1）层流火焰的猝熄和可燃极限
理论上，如果火焰可以在混合物中连续的传播，就说混合气体是可燃的。当超过某一确定的成分组分时，由于墙壁（边界）吸收热量和燃烧产物温度低，火焰前沿将不再传播，这个极限就是可燃极限。国际上通过实验可知，蒸汽的增多会减小可燃范围，当蒸汽浓度超过63%时，就不再可燃；可燃气体温度的增加会展宽可燃范围；可燃极限受浮力效应的影响；稀可燃气体极限受蒸汽浓度影响很小，而高浓度可燃气体极限受蒸汽浓度影响很大；在可燃极限附近的气体很不活泼，不会产生燃烧加速和燃爆转变。
2）湍流火焰的猝熄
能发生FA的湍流火焰也会发生局部的和整体的猝熄。对于处于flamelet模式的湍流火焰，猝熄是由于过度的分层火焰的扩展。对大多数湍流火焰，猝熄的发生都是由于冷的可燃气体进入了分布式的反应区内。
（5）浮力效应
浮力主要影响燃烧的初期过程，尤其对大尺度的爆炸特别重要。当弗劳德数Fr=u^2/gL小的时候，浮力效应将变得显著。浮力效应主要有三方面的影响：a.提升火焰，改变其路径，使之与上边界接触，产生局部冷却和猝熄；b.对可燃极限产生影响；c.向上的加速会导致Raylegh-Taylor不稳定性，促进火焰加速。
6 总结
保证核电厂氢气安全的主要方式是稀释或者消除，以控制氢气的最大总量和浓度。一般核电厂的氢气的缓解技术主要有催化复合器、电火花点火器、事故前后的稀释三种，其中，氢稀释一般只适合于沸水堆。单独的复合器缓解系统很难满足要求。但抑制燃爆转变应从火焰加速的机理入手，合理抑制加速，避免燃爆转变。
