□ 王 超 韓 雙 趙自奕

2011年3月11日，日本福島核電廠突遇里氏7級(jí)強(qiáng)烈地震并引發(fā)海嘯，多個(gè)機(jī)組的乏燃料水池在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)暫時(shí)失去冷卻的能力，并導(dǎo)致乏燃料水池(以下簡(jiǎn)稱乏池)水溫異常升高。堆芯和乏池在數(shù)次注入海水后產(chǎn)生氫氣和氧氣，打開排氣閥后，氫氣和氧氣進(jìn)入反應(yīng)堆廠房頂部發(fā)生爆炸，廠房結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重?fù)p壞，放射性物質(zhì)大量釋放到環(huán)境中。

福島核事故后，國家核安全局會(huì)同有關(guān)部委對(duì)我國正在運(yùn)行和正在建造的核電廠開展了核安全檢查，為了進(jìn)一步提高我國核電廠的核安全水平，規(guī)范各核電廠共性的改進(jìn)行動(dòng)，國家核安全局依據(jù)檢查結(jié)果對(duì)各核電廠提出改進(jìn)要求，組織編制了《福島核事故后核電廠改進(jìn)行動(dòng)通用技術(shù)要求》(以下簡(jiǎn)稱《通用技術(shù)要求》)，作為核電廠后續(xù)改進(jìn)行動(dòng)的指導(dǎo)性文件。為了使乏池更加安全，通過增加乏池補(bǔ)水設(shè)計(jì)，增加了乏池補(bǔ)水的渠道，降低了我國核電站在經(jīng)受該類突發(fā)事件時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)。本文對(duì)福島后國內(nèi)核電站乏燃料水池增加補(bǔ)水措施進(jìn)行了分類，闡述了乏燃料水池增加補(bǔ)水的設(shè)計(jì)，分析驗(yàn)證了乏燃料水池增加補(bǔ)水管道滿足功能要求。

二、乏池補(bǔ)水設(shè)計(jì)

(一)現(xiàn)行乏池冷卻系統(tǒng)。乏燃料水池是電廠乏池冷卻系統(tǒng)的一部分，下面簡(jiǎn)要說明現(xiàn)在我國主要核電廠的乏池冷卻系統(tǒng)功能。

1．現(xiàn)役二代堆型。現(xiàn)役二代堆型源自法國，我國多項(xiàng)目在役及在建核電機(jī)組采用該堆型?，F(xiàn)役二代堆型的乏燃料冷卻系統(tǒng)全稱為:反應(yīng)堆換料水池和乏燃料水池冷卻和凈化系統(tǒng)。該系統(tǒng)中乏池的主要作用為:一是承載乏燃料水池中的燃料元件，通過泵和換熱器導(dǎo)出其剩余釋熱。二是通過泵和除鹽器過濾器凈化去除乏燃料水池中的裂變產(chǎn)物和腐蝕產(chǎn)物，限制乏燃料水池的放射性水平，清除乏燃料水池水中的懸浮物，保持水中良好的能見度。三是乏燃料水池充以硼濃度為2100 ppm的硼水，且有足夠的水層，為操作人員提供良好的生物防護(hù);四是保證乏燃料處于次臨界狀態(tài)。

2．國外某三代堆型。國外某三代堆型系統(tǒng)，我國“十二五”新建核電廠多采用了該堆型。該三代堆型的乏燃料冷卻系統(tǒng)全稱為:乏燃料水池冷卻系統(tǒng)。該系統(tǒng)中乏池的主要作用為:一是保持乏燃料水池的水位淹沒乏燃料格架。二是除鹽器凈化乏燃料水池的循環(huán)水和換料用水，使其放射性水平維持在一個(gè)可接受的水平。三是利用從水池吸水，通過換熱器然后再返回乏燃料水池的方式排出乏燃料水池中的衰變熱。四是使乏燃料水池從沸騰中恢復(fù)，在乏燃料水池正常冷卻喪失和溫度迅速升高(包括水池沸騰)的情況下，該系統(tǒng)能停止水池沸騰并降低水池溫度到正常水平。五是凈化乏燃料水池的水。

3．我國使用三代堆型。該堆型是前蘇聯(lián)壓水動(dòng)力反應(yīng)堆的第三代堆型，我國在役在建核電站均有項(xiàng)目采用該堆型。該堆型的乏燃料冷卻系統(tǒng)全稱為:乏燃料水池冷卻系統(tǒng)，其顯著的特征是乏燃料水池內(nèi)置，過濾除鹽功能剝離，這種設(shè)計(jì)使系統(tǒng)大為簡(jiǎn)化，系統(tǒng)間的協(xié)作更為緊密。其乏池相關(guān)功能包括:一是導(dǎo)出乏燃料水池內(nèi)的乏燃料的余熱。二是將乏燃料水池的硼酸溶液引入該系統(tǒng)凈化。三是必要時(shí)保證將乏燃料水池的硼酸溶液引入堆芯捕集器。

4．乏燃料水池安全研究。無論是哪種堆型，其乏池在系統(tǒng)中的主要功能就是承載乏燃料，通過系統(tǒng)導(dǎo)出乏燃料排出的余熱，凈化水池中的裂變產(chǎn)物和腐蝕產(chǎn)物。假設(shè)乏燃料水池發(fā)生失去冷卻或者發(fā)生泄漏事故，那么核電廠的安全將會(huì)受到極大的威脅，最終可能導(dǎo)致更加嚴(yán)重的類似福島核電站的后果。因此，乏池補(bǔ)水的重要性在核電站事故后顯得尤為突出。

(二)乏池補(bǔ)水方案設(shè)計(jì)。上述各種核電站堆型決定了其各自乏池系統(tǒng)的不同，而系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)主要考慮核電站的堆型，以下方案是根據(jù)堆型的不同而設(shè)計(jì)的系統(tǒng)方案。

1．二代核電站堆型。按照原二代機(jī)組的設(shè)計(jì)，在事故工況下，運(yùn)行人員可以根據(jù)情況選擇從反應(yīng)堆換料水池和乏燃料水池的冷卻和處理系統(tǒng)中的換料水箱、核島除鹽水分配系統(tǒng)或核島消防系統(tǒng)獲得應(yīng)急補(bǔ)水?？紤]到福島核事故的經(jīng)驗(yàn)反饋，擬在原有補(bǔ)水措施的基礎(chǔ)上再增加一條應(yīng)急補(bǔ)水管線。該型機(jī)組在系統(tǒng)方面補(bǔ)水的設(shè)置是相同的，可以從圖1上看出，這類機(jī)組的補(bǔ)水管線均是由一根室外引入的管線，通過移動(dòng)式水泵或者消防車將應(yīng)急水源引入乏池。

2．某前蘇聯(lián)三代核電站。該型核電站有其乏池的特點(diǎn)，即為乏池布置在反應(yīng)堆廠房的內(nèi)部，但由于原反應(yīng)堆廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沒有合適的備用貫穿件，所以從場(chǎng)外直接引一條管線進(jìn)到反應(yīng)堆廠房不現(xiàn)實(shí)。從系統(tǒng)功能的角度考慮，在其原乏池及硼酸儲(chǔ)罐水凈化系統(tǒng)的管道上增加接口是最佳的選擇。

圖1 乏燃料水池增設(shè)應(yīng)急補(bǔ)水管線方案示意圖

3．“十二五”后某新型三代堆型。該項(xiàng)目反應(yīng)堆廠房內(nèi)置一個(gè)換料水箱，該系統(tǒng)其它設(shè)備多按照非抗震的要求設(shè)置。為了滿足地震后的功能要求，乏池補(bǔ)水考慮的是在補(bǔ)水箱和輔助補(bǔ)水箱兩個(gè)水箱進(jìn)行取水對(duì)乏池補(bǔ)水，且單獨(dú)通過外接的一條補(bǔ)水管道進(jìn)行補(bǔ)水，這些系統(tǒng)管道和設(shè)備都是有抗震要求的，選擇的這幾條途徑可以滿足在地震的狀況下補(bǔ)水管線的可用性。

(三)方案小結(jié)。國內(nèi)各個(gè)電站的設(shè)計(jì)理念有所不同，國內(nèi)的核電站乏池補(bǔ)水設(shè)計(jì)各有特點(diǎn)。參考已經(jīng)實(shí)施的在役、在建電站的補(bǔ)水設(shè)計(jì)以及第三代非能動(dòng)的設(shè)計(jì)理念，在后續(xù)電站乏池補(bǔ)水應(yīng)考慮除正常工況下補(bǔ)水外增加兩條補(bǔ)水管線:一是非能動(dòng)補(bǔ)水管線;二是單獨(dú)布置的系統(tǒng)補(bǔ)水管線。這兩條管線的設(shè)置既能滿足事故后72小時(shí)非人員介入時(shí)的乏池冷卻，也能保證滿足單一故障準(zhǔn)則的要求。

三、結(jié)語

通過對(duì)上述國內(nèi)核電站的乏池補(bǔ)水分析，建立了乏池補(bǔ)水改進(jìn)的流程和實(shí)施辦法，明確了乏池補(bǔ)水管道的方案設(shè)計(jì)，并且在相應(yīng)的核電廠進(jìn)行了改造實(shí)施，相應(yīng)乏燃料水池應(yīng)急補(bǔ)水操作納入了嚴(yán)重事故管理導(dǎo)則和相關(guān)規(guī)程，提高了核電站乏燃料水池在事故后的安全性，大大降低了事故后核擴(kuò)散的風(fēng)險(xiǎn)。