福島后乏池補水工程的設計與改進

□ 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級強烈地震并引發海嘯，多個機組的乏燃料水池在相當長的一段時間內暫時失去冷卻的能力，并導致乏燃料水池(以下簡稱乏池)水溫異常升高。堆芯和乏池在數次注入海水后產生氫氣和氧氣，打開排氣閥后，氫氣和氧氣進入反應堆廠房頂部發生爆炸，廠房結構遭到嚴重損壞，放射性物質大量釋放到環境中。

福島核事故后，國家核安全局會同有關部委對我國正在運行和正在建造的核電廠開展了核安全檢查，為了進一步提高我國核電廠的核安全水平，規范各核電廠共性的改進行動，國家核安全局依據檢查結果對各核電廠提出改進要求，組織編制了《福島核事故后核電廠改進行動通用技術要求》(以下簡稱《通用技術要求》)，作為核電廠后續改進行動的指導性文件。為了使乏池更加安全，通過增加乏池補水設計，增加了乏池補水的渠道，降低了我國核電站在經受該類突發事件時的風險。本文對福島后國內核電站乏燃料水池增加補水措施進行了分類，闡述了乏燃料水池增加補水的設計，分析驗證了乏燃料水池增加補水管道滿足功能要求。

二、乏池補水設計

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

1．現役二代堆型。現役二代堆型源自法國，我國多項目在役及在建核電機組采用該堆型。現役二代堆型的乏燃料冷卻系統全稱為:反應堆換料水池和乏燃料水池冷卻和凈化系統。該系統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物和腐蝕產物，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;四是保證乏燃料處于次臨界狀態。

2．國外某三代堆型。國外某三代堆型系統，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全稱為:乏燃料水池冷卻系統。該系統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水和換料用水，使其放射性水平維持在一個可接受的水平。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，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。該堆型是前蘇聯壓水動力反應堆的第三代堆型，我國在役在建核電站均有項目采用該堆型。該堆型的乏燃料冷卻系統全稱為:乏燃料水池冷卻系統，其顯著的特征是乏燃料水池內置，過濾除鹽功能剝離，這種設計使系統大為簡化，系統間的協作更為緊密。其乏池相關功能包括:一是導出乏燃料水池內的乏燃料的余熱。二是將乏燃料水池的硼酸溶液引入該系統凈化。三是必要時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，其乏池在系統中的主要功能就是承載乏燃料，通過系統導出乏燃料排出的余熱，凈化水池中的裂變產物和腐蝕產物。假設乏燃料水池發生失去冷卻或者發生泄漏事故，那么核電廠的安全將會受到極大的威脅，最終可能導致更加嚴重的類似福島核電站的后果。因此，乏池補水的重要性在核電站事故后顯得尤為突出。

(二)乏池補水方案設計。上述各種核電站堆型決定了其各自乏池系統的不同，而系統方案設計主要考慮核電站的堆型，以下方案是根據堆型的不同而設計的系統方案。

1．二代核電站堆型。按照原二代機組的設計，在事故工況下，運行人員可以根據情況選擇從反應堆換料水池和乏燃料水池的冷卻和處理系統中的換料水箱、核島除鹽水分配系統或核島消防系統獲得應急補水。考慮到福島核事故的經驗反饋，擬在原有補水措施的基礎上再增加一條應急補水管線。該型機組在系統方面補水的設置是相同的，可以從圖1上看出，這類機組的補水管線均是由一根室外引入的管線，通過移動式水泵或者消防車將應急水源引入乏池。

2．某前蘇聯三代核電站。該型核電站有其乏池的特點，即為乏池布置在反應堆廠房的內部，但由于原反應堆廠房結構設計沒有合適的備用貫穿件，所以從場外直接引一條管線進到反應堆廠房不現實。從系統功能的角度考慮，在其原乏池及硼酸儲罐水凈化系統的管道上增加接口是最佳的選擇。

圖1 乏燃料水池增設應急補水管線方案示意圖

3．“十二五”后某新型三代堆型。該項目反應堆廠房內置一個換料水箱，該系統其它設備多按照非抗震的要求設置。為了滿足地震后的功能要求，乏池補水考慮的是在補水箱和輔助補水箱兩個水箱進行取水對乏池補水，且單獨通過外接的一條補水管道進行補水，這些系統管道和設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水管線的可用性。

(三)方案小結。國內各個電站的設計理念有所不同，國內的核電站乏池補水設計各有特點。參考已經實施的在役、在建電站的補水設計以及第三代非能動的設計理念，在后續電站乏池補水應考慮除正常工況下補水外增加兩條補水管線:一是非能動補水管線;二是單獨布置的系統補水管線。這兩條管線的設置既能滿足事故后72小時非人員介入時的乏池冷卻，也能保證滿足單一故障準則的要求。

三、結語

通過對上述國內核電站的乏池補水分析，建立了乏池補水改進的流程和實施辦法，明確了乏池補水管道的方案設計，并且在相應的核電廠進行了改造實施，相應乏燃料水池應急補水操作納入了嚴重事故管理導則和相關規程，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散的風險。