核電廠乏燃料水池溫度影響分析

魏興　陳云

【摘 要】在核電廠乏燃料水池中內貯存著大量從核反應堆中卸出的乏燃料組件，這些組件持續釋放大量的衰變熱，由核電廠相關冷卻系統對其持續冷卻，防止乏燃料水池水溫超過核電廠技術規范限值。為確保在冷卻系統臨時中斷期間乏燃料水池溫度控制在電廠規范要求范圍內，文中通過對乏燃料水池溫度與衰變熱和冷卻水溫度變化關系進行分析，得到乏燃料水池溫度影響一般規律和變化趨勢，為核電廠相關維修工作提供重要參考和建議。

【關鍵詞】核電廠；乏燃料水池；溫度；分析

在核電廠乏燃料水池中內貯存著大量從核反應堆中卸出的乏燃料組件，這些組件大都在反應堆中運行一年或更長時間，組件內產生大量不穩定放射性裂變核素，這些核素它們在衰變過程中持續釋放大量的衰變熱，核電廠通過反應堆換料水池和乏燃料水池冷卻及處理系統（PTR）熱交換器傳遞給設備冷卻水系統（RRI），最終由RRI系統將熱量導入最終熱阱（海水），確保乏燃料水池溫度不超過運行限值。

如果乏燃料水池冷卻系統出現故障或者臨時隔離，乏燃料釋放的衰變熱將在乏燃料水池內積累，乏燃料水池溫度升高；同時由于RRI系統的冷源是電廠所在的海水，海水溫度隨著一年四季的變化而變化，因此海水溫度也是影響乏燃料水池水溫度一個重要因素。本文通過對乏燃料衰變熱計算規律，結合電廠運行周期、冷源溫度變化等因素進行分析，得到核電廠乏燃料水池溫度變化關系，為核電廠乏燃料水池相關維修工作提供參考。

1 乏燃料衰變熱計算

乏燃料的衰變熱與反應堆運行時間、停堆后時間有關，反應堆停堆后的燃料剩余熱功率通常分為三部分：

-由剩余裂變產生的剩余熱功率；

-239U和239Np的衰變熱；

-除239U和239Np外的其他錒系核素和裂變產物的衰變熱。

在停堆后至少50秒內，第一項是至關重要的；在停堆600秒后，第一項與后兩項相比是可以忽略的。在電廠實際的操作中規定停堆后至少需要100小時，才能將燃料從堆芯卸到乏燃料水池中，因此考慮乏燃料水池中乏燃料衰變熱時僅考慮后兩項。

剩余功率即衰變熱功率一般采用下面的半經驗公式來計算：

P=6.1×10K（t-（t+t）-0.2）

式中，Pn是停堆tsn時間后燃料的衰變熱（MW），K是反應堆運行功率（MW），tsn是反應堆第n循環停堆時間（天），tln是第n循環反應堆運行時間（EFPD）。

通常每個換料周期從堆芯卸入乏燃料水池的燃料組件約為總燃料的三分之一，因此每個循環卸入乏燃料水池的乏燃料衰變熱為Pn/3，如果乏燃料水池中裝載有n個循環的乏燃料，則總的衰變熱為：

P=（P1+P2+…+Pn）/3

P=P

當乏燃料水池失去冷卻措施時，乏燃料的衰變熱將全部被乏燃料水池中的水吸收，水溫將升高，即：

Pt=c？籽Q？駐T

則：

？駐t=

式中，P為乏燃料水池中乏燃料的總衰變熱（MW），t為乏燃料失去冷卻時間（h），cp為水在標準大氣壓下的定壓比熱容（kJ/kg），ρ為水在標準大氣壓下的密度（kg/m3），Q0為乏燃料水池水裝量（m3），ΔT為乏燃料水池溫度變化（℃）。

2 氣溫對乏燃料水池溫度的影響

由于PTR熱交換器RRI側的冷卻水是由核電廠重要廠用水系統（SEC）的海水提供冷卻的，核電廠所在位置的海水溫度隨一年四季氣溫的升降而變化，同樣非換料期間乏燃料水池的初始溫度也隨氣溫的變化而變化。因此，乏燃料水池的水溫不僅與反應堆停堆卸料時間有關，還與氣溫（海水溫度）有關，氣溫越高乏燃料水池的水溫也越高，反之亦然。例如于中緯度的某核電廠，乏燃料水池溫度基本上在每年冬季的2月份，乏燃料水池溫度最低，夏季的8月乏燃料水池溫度最高，溫差超過了15℃，海水溫度是影響維修時間窗口的另一個重要因素。

3 失去冷卻后乏燃料水池溫度

乏燃料水池失去冷卻時，乏燃料的衰變熱被乏燃料水池的水吸收，溫度上升，升溫后的溫度由衰變熱和氣溫兩個因素共同決定，則乏燃料水池的溫度可表示為：

T=T0+？駐T

式中，T為乏燃料水池失去冷卻時的溫度，T0為乏燃料水池失去冷卻前的初始溫度。

4 乏燃料水池溫度與時間變化關系分析

4.1 衰變熱與時間的關系

以國內某核電廠M310型反應堆機組為例進行分析，根據第1節分析結果，從第三次換料停堆時間開始計算，停堆后乏燃料衰變熱隨停堆后時間的變化關系表明，反應堆停堆后100天內，衰變熱隨時間快速降低，100天～300天內衰變熱降速放緩，300天以后衰變熱基本穩定在一個較低的范圍。同時，乏燃料水池內乏燃料的衰變熱在停堆后較短的時間內總衰變熱主要由最后一個循環燃料衰變熱決定。

4.2 乏燃料水池失去冷卻后乏燃料水池溫度隨時間的變化關系

反應堆在停堆35天后，乏燃料水池失去冷卻46h后的溫度隨不同時間的變化關系可以看出停堆后的前三個月乏燃料衰變熱比較多，衰變熱引起的乏燃料水池溫升超過20℃，乏燃料水池的整體溫度的變化趨勢由衰變熱來決定的，當停堆后5個月后，衰變熱引起的乏燃料水池溫升基本在10℃以內，乏燃料水池的整體溫度受冷卻水的溫度影響更大，冷卻水的溫度主導著乏燃料水池總的溫度變化，二者變化趨勢基本一致。

由上述計算可見，在乏燃料水池初始水溫≦30℃的狀況下，乏燃料水池失去冷卻的時間控制在48小時內，乏燃料水池溫度超過50℃，是可以接受的。如果選擇停堆時間更長，乏燃料水池初始水溫在更低的時候，可以為乏燃料水池設備預防性維修提供更長的時間窗口。

5 技術規范對乏燃料水池溫度要求

根據核電廠技術規范的要求，當乏燃料水池的冷卻全部不可運行或乏燃料水池溫度>50℃時，要求在1小時內停止乏燃料廠房內的燃料操作、8小時內恢復一列PTR的可運行性、任何情況下乏燃料水池水溫不能超過60℃。乏燃料水池相關設備預防性維修違反了技術規范的要求，需要確保核安全的基礎上向國家核安全局提出特許申請，并對預期試驗期間乏燃料水池的溫度進行評估。

6 結論

通過本文分析可以看出核電廠乏燃料水池的溫度由池內裝載的乏燃料衰變熱和冷卻水溫度共同決定，在卸料約100天內，乏燃料衰變熱較大，對乏燃料水池溫升貢獻也更大；隨卸料后時間的增加，衰變熱逐漸降低，約5個月以后乏燃料水池的溫升主要由冷卻水的溫度決定。同時，冷卻水溫度也是影響乏燃料水池溫度的重要因素，乏燃料水池溫度隨冷卻水溫度同步變化，核電廠可以根據時間情況，綜合考慮乏燃料水池溫度變化趨勢，為相關維修工作決策提供依據。

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