因為氫具有易燃、易爆的危險特性，CSNS氫循環的真空系統設計，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，即氫安全設計方法，以保障真空系統的安全運行。首先，簡要介紹了中國散裂中子源氫循環系統的原理及氫循環真空系統的組成，然后針對氫的危險特性及氫安全的相關知識，從氫安全設計的角度出發，詳細介紹了爆炸性環境的分區及真空系統的安全設計方法。

　　引言

　　中國散裂中子源(CSNS)是建設在廣東省東莞市的，是由1.6 GeV的高能質子轟擊重金屬靶而產生強流中子，并利用中子研究物質微觀結構和運動的大科學裝置。CSNS主要由質子加速器、中子靶站和中子散射譜儀等三大部分組成，其質子束流功率為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 低溫氫循環系統采用低溫超臨界氫(約1.5 MPa，約20 K)為工質，為靶站慢化器提供慢化中子所必須的制冷能力，并盡量避免低溫設備的運行對中子通量穩定性產生影響。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現。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還會造成環境缺氧，并有可能和空氣一起形成爆炸混合物，引發燃燒爆炸事故。因此，真空技術網(http://bjjyhsfdc.com/)認為對CSNS氫循環的真空系統設計時，需要考慮氫安全方面的設計，以保障真空系統的安全、可靠運行。

1、CSNS低溫氫循環系統

　　CSNS氫循環系統是一個閉式循環，采取強迫流循環冷卻的方式。超臨界氫在氫循環泵的驅動下，經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，經加熱器、壓力緩沖器、循環泵到正仲氫轉化反應器，在這里正氫轉化成99%的仲氫后，再回到氫氦換熱器，完成一個循環。氫循環系統的主要設備包括氫-氦換熱器、壓力緩沖器、循環泵、正仲氫轉化反應器以及低溫傳輸管線等，其中換熱器、加熱器、循環泵和正仲氫轉化器都放置于密閉的氫循環冷箱中，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大氣環境的漏熱太大，難以保證系統的正常運行。因此為減少低溫系統的漏熱，需要設計相應的真空系統，以保障氫循環系統在低溫狀態下持續、可靠地運行。

圖1　氫循環系統流程圖

2、CSNS氫循環真空系統

　　CSNS氫循環系統的真空系統包含氫循環冷箱真空系統、壓力緩沖器冷箱真空系統、低溫傳輸管線的真空系統及管道置換真空等。氫循環冷箱和壓力緩沖器冷箱均為圓柱形筒體結構，兩條低溫氫傳輸管線均為雙通道管線，隔熱真空層內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技術要求。

表1　各真空室的尺寸及真空度、漏率要求

　　根據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、內表面積，結合容器內設備的材料及表面積，計算出真空室的總放氣量。再根據真空設計手冊的選配、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。具體技術參數如表2列。重點介紹真空系統的氫安全設計方法，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參數表

3、真空系統的氫安全設計方法

　　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)形成爆炸性氣體環境；(2)有點火源(點火能量>0.019 mJ)的存在。

　　3.2、環境分區

　　爆炸性氣體環境根據爆炸性氣體混合物出現的頻繁程度和持續時間，危險性由強到弱依次分為0區、1區和2區三種區域。0區是指連續出現或長期出現爆炸性氣體混合物的環境；1區指在正常運行時可能出現爆炸性氣體混合物的環境；2區指在正常運行時不可能出現爆炸性氣體混合物的環境，或即使出現也僅是短時存在的爆炸性氣體混合物的環境。在現實生產中，0區環境是極個別的，大多數情況屬于1區、2區環境。而在進行氫安全設計時，應采取合理措施盡量避免0區的出現，減少1區的存在。

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

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

　　(2)內部環境的選擇上，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爆炸性混合氣體，因此應該為ⅡC類，2區環境。

　　對于氫管路置換用的機械泵，需要分兩種情況考慮：

　　(1)系統運行之前，往系統內充入氫氣。如果直接用氫置換空氣，必然會出現氫氣與空氣的混合物，此時機械泵內為IIC類，0區環境；

　　(2)系統停機后將氫排出系統，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氫氣與空氣的混合物，此時機械泵內為IIC類，1區環境。

　　在進行氫安全設計，會采取措施避免以上兩種情況的出現。一般使用符合安全要求的惰性氣體(其氧氣體積分數不得超過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，直到下次系統重新開機。

　　3.3、具體的設計方法

　　低溫系統正常運行時，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，真空系統發出真空OK信號。真空系統配置了四級質譜儀(RGA)，用于監測真空層中的氣體分子含量。如果發現氫分子含量迅速升高，并伴隨真空度的下降，將向系統PLC發出報警信號，值班人員將根據真空度的變化進行相應的操作。如果真空度能夠維持系統正常運行的范圍內，則不需要進行操作。如果真空繼續變差，真空度上升到5×10^-2 Pa時，系統自動關閉RGA。真空度上升到0.1 Pa時，這時PLC將會聯鎖關閉真空機組前的插板閥及真空設備電源，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內的氫排到大氣。

　　真空系統的排氣不能直接排向房間內，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，而是通過管道排至屋頂大氣，避免隔熱真空層意外破裂時，閥門未及時關閉，泄漏的氫通過真空系統直接進入到氫設備間內。此外，還可以在真空系統的出口設置氮氣氣囊，向排氣中混入氮氣，以降低出現氫與空氣混合物的可能性。低溫氫傳輸管道的真空層內設計了氦氣充入口，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生爆炸的可能性，如圖2所示。

　　此外，需要對真空系統內的每一個設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。因此，通過防爆認證的真空泵，根據危險區域的級別不同一般會采取相應的安全設計，以確保真空泵不會成為潛在的點火源。常用的安全設計有：(1)在泵的吸氣口和壓縮出口進行溫度監控；(2)泵油的壓力監控；(3)泵的進口和出口設置阻火器(一般用于內部0區)；(4)經過爆炸實驗的外殼；(5)采用防爆電機。

圖2　氫循環真空系統的流程簡圖

4、總結

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