乏燃料水池多樣性補(bǔ)給分析

范坤良　馬太義　徐成軍

【摘 要】福島事故后，乏燃料水池（SFP）在事故后的安全性得到廣泛的關(guān)注。乏燃料水池冷卻系統(tǒng)是非安全相關(guān)系統(tǒng)，不需要在事故后運(yùn)行。但必須保證乏燃料水池在超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故后的冷卻能力。本文介紹了乏燃料水池多樣性補(bǔ)給方式在整個(gè)核電站事故管理中的作用，并針對(duì)《多樣性與靈活性應(yīng)對(duì)措施執(zhí)行導(dǎo)則》在SFP補(bǔ)給能力上的應(yīng)用進(jìn)行對(duì)比分析。

【關(guān)鍵詞】SFP；多樣性；超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故

0 概述

核燃料達(dá)到一定燃耗深度從堆芯卸載出來后仍有較大的衰變熱，不能立即處理，需暫存在乏燃料水池（SFP）中。乏燃料水池冷卻系統(tǒng)（SFS）用來排出貯存的乏燃料產(chǎn)生的衰變熱，從而將乏燃料水池中的溫度維持在可接受的溫度范圍。AP1000 SFS系統(tǒng)用于正常運(yùn)行期間導(dǎo)出衰變熱，是非安全相關(guān)的系統(tǒng)。但乏燃料水池在發(fā)生超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故或外部災(zāi)害事件（包括地震、水淹、海嘯等自然災(zāi)害事件和火災(zāi)、小飛機(jī)撞擊等認(rèn)為事件）時(shí)的安全性一直是核電廠設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

在日本福島核事故中，海嘯超過了電站的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)并且淹沒了電廠緊急電源和電力輸送系統(tǒng)。這種持續(xù)的喪失電源嚴(yán)重危及堆芯冷卻和安全殼完整性等重要的安全功能。當(dāng)失去電源也影響到SFP的冷卻功能時(shí)，需要維持SFP內(nèi)足夠的水容量以防止燃料失去冷卻而損壞。襲擊福島核電廠的海嘯等級(jí)超過了電站設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，盡管現(xiàn)在預(yù)測(cè)超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)外部事件（BDBEE）等級(jí)和頻率的能力已經(jīng)提高，且電站的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)有一定余量，仍然有可能發(fā)生超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)外部事件。因此，盡管不可能，在電站的設(shè)計(jì)和許可證的發(fā)放時(shí)仍考慮外部事件可能超過設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的假設(shè)，如同福島事故發(fā)生的那樣。為了加強(qiáng)核電站的安全性，美國核能協(xié)會(huì)（NEI）提出增加多樣性和靈活性應(yīng)對(duì)措施（FLEX）來針對(duì)潛在的超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)外部事件可能引起的后果。

1 FLEX的目標(biāo)和指導(dǎo)原則

FLEX措施將包括利用貯存在廠內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和為了長(zhǎng)期事故響應(yīng)提供額外材料和設(shè)備廠外設(shè)備。通過向重要的安全功能提供多種電源和水，F(xiàn)LEX可以緩解超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)外部事件導(dǎo)致的后果。

FLEX的目的是建立不定期的應(yīng)對(duì)能力來防止反應(yīng)堆和乏燃料水池中的燃料損壞，且通過利用已安裝設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)便攜式設(shè)備和預(yù)貯存的廠外資源維持安全殼功能。FLEX措施關(guān)注維持或者重啟重要的電站安全功能，不關(guān)注具體的損壞狀態(tài)或者外部事件的機(jī)械評(píng)估。應(yīng)對(duì)這些工況的基本措施包括以下3個(gè)階段：

1）最初的應(yīng)對(duì)措施依靠已安裝的電站設(shè)備；

2）從已安裝電站設(shè)備到現(xiàn)在FLEX設(shè)備的過渡；

3）從廠外設(shè)備獲得額外的能力和冗余，直到電源，水和冷卻劑注入系統(tǒng)重新啟動(dòng)或在役。

每個(gè)電站的具體分析將決定每個(gè)階段的持續(xù)時(shí)間。已損壞電站的恢復(fù)不在FLEX的能力范圍內(nèi)，因?yàn)榫唧w的行動(dòng)和能力將與電站的具體情況有關(guān)，且這些情況不能預(yù)先知道。

假想的對(duì)反應(yīng)堆安全影響最大的超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故導(dǎo)致的后果是喪失電源和失去最終熱井。本文分析增加多樣性和靈活性緩解措施（FLEX）的方法，它將針對(duì)電廠的所有機(jī)組同時(shí)發(fā)生持續(xù)失去交流電源（ELAP）和最終熱井不可達(dá)（LUHS）時(shí)加強(qiáng)超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故方案的縱深防御。

2 乏燃料水池多樣性補(bǔ)給方式

外部災(zāi)害情況下SFP補(bǔ)給措施包括內(nèi)部措施和外部措施。內(nèi)部措施包括電廠內(nèi)不同補(bǔ)給方式的執(zhí)行，以提供至少500gpm的SFP補(bǔ)給能力。外部措施包括采用移動(dòng)式補(bǔ)給源和噴淋來加強(qiáng)特定電廠事故響應(yīng)的多樣性和靈活性。外部措施的導(dǎo)則用來確定外部措施是否需啟動(dòng)及噴淋模式是否恰當(dāng)。SFP的補(bǔ)給措施旨在強(qiáng)化特定核電廠的總體響應(yīng)能力，為了有效開展這些措施，電站需建立程序/導(dǎo)則用于指導(dǎo)措施的正確實(shí)施。SFP內(nèi)、外部補(bǔ)給及噴淋措施的決策程序如圖1所示：

2.1 SFP內(nèi)部補(bǔ)給措施

內(nèi)部補(bǔ)水措施的目的是建立SFP多樣補(bǔ)給方法使其補(bǔ)給能力不小于500gpm。

在失去正常SFS冷卻的條件下，兩條抗震管道能提供SFP的應(yīng)急補(bǔ)水以便支持事故后7天的乏燃料衰變熱導(dǎo)出。SFP的補(bǔ)給水源見表1：

表1 SFP內(nèi)部補(bǔ)給水源

1）當(dāng)SFP衰變熱小于等于4.0MWt時(shí)，無需補(bǔ)水，乏燃料水池及燃料轉(zhuǎn)運(yùn)通道內(nèi)的水可維持乏燃料冷卻72小時(shí)。

2）當(dāng)SFP衰變熱大于4.0MWt而小于等于5.0MWt時(shí)，來自容器沖洗井（CWP）的補(bǔ)給水足以冷卻乏燃料72小時(shí)。

3）當(dāng)SFP衰變熱大于5.0MWt而小于等于7.0MWt時(shí)，安全相關(guān)水源CWP和CLP可以維持乏燃料水池冷卻72小時(shí)。

4）當(dāng)SFP衰變熱大于7.0MWt時(shí)，PCS儲(chǔ)水箱和PCS輔助儲(chǔ)水箱單獨(dú)或者共同提供的補(bǔ)水可以實(shí)現(xiàn)乏燃料水池冷卻至少7天。

2.2 SFP外部補(bǔ)給措施

一般情況下，核電廠事件的進(jìn)程遠(yuǎn)不只7天。事故后乏燃料水池內(nèi)部補(bǔ)給措施只能夠保證乏燃料水池7天內(nèi)維持在可冷卻狀態(tài)，這為進(jìn)行后續(xù)緩解措施提供了充足的準(zhǔn)備時(shí)間。當(dāng)事故發(fā)展到需要外部措施時(shí)，關(guān)注的措施就從內(nèi)部補(bǔ)給措施轉(zhuǎn)移到外部補(bǔ)給措施上。外部補(bǔ)給措施主要包括兩個(gè)功能：SFP補(bǔ)給和噴淋。噴淋是在SFP水位無法維持時(shí)使用。外部措施同樣是針對(duì)特定廠址的，而與事故過程無關(guān)，它不要求立即執(zhí)行且可以依靠相同的泵或者水源。外部補(bǔ)給措施所用到的設(shè)備必須定期檢查，確保處于隨時(shí)備用狀態(tài)。

2.2.1 外部補(bǔ)水

外部補(bǔ)水的目的是利用移動(dòng)電源和泵建立一套靈活的補(bǔ)給裝置，使SFP的補(bǔ)給流量不小于500gpm。與內(nèi)部措施不同的是，外部措施不需要同時(shí)執(zhí)行，也可以利用相同的水源。水源可以使廠內(nèi)的消防水車或者便攜式泵。泵可以采用柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)，也可以采用廠內(nèi)交流電源。

SFP的外部補(bǔ)給水源主要來自消防系統(tǒng)，包括廠內(nèi)主消防水箱，廠內(nèi)輔助消防水箱和消防水車。消防水通過PCS系統(tǒng)的接口實(shí)現(xiàn)向SFP的注入。

2.2.2 外部噴淋

外部噴淋的目的是利用移動(dòng)電源和泵建立一套靈活的噴淋裝置，使其SFP噴淋流量不小于200gpm。噴淋水源與外部補(bǔ)給水源可以相同，泵可以采用柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)，也可以采用交流電源驅(qū)動(dòng)。

SFP泄漏率超過補(bǔ)給率時(shí)會(huì)導(dǎo)致乏燃料水池排干，當(dāng)SFP內(nèi)液位低于LL液位報(bào)警值時(shí)，SFP噴淋啟動(dòng)。SFS設(shè)計(jì)兩列冗余的噴淋系統(tǒng)，PCCWST內(nèi)的冷卻水通過重力驅(qū)動(dòng)輸送到SFP東側(cè)的噴嘴，或者采用柴油驅(qū)動(dòng)的FPS便攜式消防泵將消防水輸送至SFP西側(cè)的噴嘴。噴嘴的布置應(yīng)滿足對(duì)SFP必要的部分有足夠的冷卻流量。

3 結(jié)論及存在的問題

針對(duì)核電站可能發(fā)生超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)外部災(zāi)害，為了保障乏燃料水池的冷卻，采取了多樣性的補(bǔ)給措施，可以有效避免發(fā)生類似福島的核事故。本文結(jié)合核電站的事故管理程序，介紹了乏燃料水池多樣性補(bǔ)給方式在整個(gè)核電站事故管理中的作用，并針對(duì)《多樣性與靈活性應(yīng)對(duì)措施執(zhí)行導(dǎo)則》在SFP補(bǔ)給能力上的應(yīng)用進(jìn)行對(duì)比分析。多樣性與靈活性應(yīng)對(duì)措施在乏燃料水池補(bǔ)給方式上的應(yīng)用加強(qiáng)了核電站的縱深防御能力。

【參考文獻(xiàn)】

[1]NEI 06-12，B.5.b Phase 2&3 Submittal Guideline R3，2009[Z].

[2]NEI 12-06， Diverse and Flexible Coping Strategies（FLEX） Implementation Guide R0，2012[Z].

[責(zé)任編輯：王楠]