乏燃料水池冷卻系統布置原則探究

□張 勇 呂 航 林木營

乏燃料水池冷卻系統總體布置設計應滿足兩個要求，一是對電站所有設備在初步設計階段所確定的功能要求；二是對執行電站安全功能設備的安全要求。

一、乏燃料水池冷卻系統功能

乏燃料水池冷卻系統一是保持貯存在乏燃料水池里的乏燃料組件處于次臨界狀態，冷卻其所釋放的余熱，換料或停堆檢修時，反應堆主回路處于開啟狀態，在余熱排出系統不能利用時，可利用本系統冷卻反應堆堆芯；二是提供生物防護用水層，保護操作人員不受已輻照燃料的輻射；三是凈化用于冷卻的含硼水中的腐蝕產物，裂變產物和懸浮在水中的顆粒，保持含硼水良好的能見度和降低水中放射性水平；四是保持乏燃料水池中充滿水，轉運倉、裝載井的充水和排水，對換料水池進行充水和排水；五是在反應堆冷卻劑系統打開時，反應堆換料水池和乏燃料水池的水處理及冷卻系統可保證當余熱排出系統完全失效時作為該系統的備用；這種備用同樣允許對余熱排出系統進行維修，而不降低裝置的安全水平。

二、布置概述

(一)結構組成。

1.反應堆換料水池。反應堆換料水池是一個近于長方形的水池，由兩部分組成，位于壓力容器正上方的部分稱為換料水池，與之相通的另一部分為堆內構件貯存池，兩個水池之間用氣密擋板隔開，可單獨進行充排水。池的四周和底面設置不銹鋼覆面，覆面和建筑物鋼筋混凝土之間埋有6個引漏管，檢測覆面是否有滲漏。

2.乏燃料水池。乏燃料水池也是一個長方形水池，分為四個長方形小區，從右到左依次為燃料轉運倉、乏燃料貯存池、乏燃料容器裝載井、乏燃料容器沖洗井。整個乏燃料水池的池壁均設有不銹鋼覆面，并設有7個引漏管，檢測覆面是否有滲漏。

乏燃料貯存池內只要有乏燃料，就必須始終充滿水而不能被排空，以確保乏燃料的安全，故池底未設排水管。

(二)設備信息。乏燃料水池冷卻系統設備主要有：冷卻回路用泵、乏燃料水池撇沫回路用泵、換料水池撇沫回路用泵、乏燃料水池熱交換器、乏燃料池水過濾器、反應堆堆腔過濾器、乏燃料池撇沫過濾器、真空吸水灌、浮動撇沫裝置。

(三)布置特點。第一，乏燃料水池冷卻系統功能的特殊性及結構設計特點，客觀上決定了RFT系統設備的整體布置要圍繞在乏燃料水池附近。因此，主要冷卻設備布置在燃料廠房，靠近反應堆水池和乏燃料水池，管道布置短，彎頭π彎少，介質阻力小。第二，乏燃料水池冷卻系統一直處于低壓和低溫狀態(正常工況下運行壓力低于0.6MPa，溫度低于50℃左右)，在進行安全分析時并不需要考慮管道破裂。但通過合理的管道布置，可以進一步降低管道破裂的風險。該系統長期運行，即使是換料大修期間，該系統依然要持續提供冷卻能力，保證乏燃料水池中乏燃料處于次臨界狀態，管道長期受到沖刷和振動，壁厚可能會變薄，容易產生疲勞破壞，就近布置后，減少管道長度，進一步降低管道破裂的風險。第三，乏燃料水池冷卻系統的介質是酸性的含硼水，因此整個回路都采用不銹鋼設計。除了泵、熱交換器、蝶閥和孔板由法蘭連接外，整個管道系統的連接都采用焊接形式。第四，乏燃料水池在電站運行期間始終是充滿水的，為防止乏燃料水池冷卻水意外排空，乏燃料水池底部并未設置排水管道。同時，為避免乏燃料水池出水及進水管道破口引起水池冷卻水泄漏，出現低水位，導致乏燃料裸露在空氣中，乏燃料水池進出水口管道標高設計均高于乏燃料最低防護水位。

三、乏燃料水池冷卻系統布置原則總結

(一)冷卻回路管線布置。第一，執行安全功能的不同系列布置在不同的隔間內，或兩個系列之間設置防火隔墻(熱屏障)，或者根據防火規范要求，兩個安全系列之間有足夠遠的距離，滿足實體隔離設計要求；第二，冷卻泵入口管道盡量短，以減少壓頭損失，宜采用直管布置，其長度最少為五倍的管徑，同時泵入口管道變徑時要采用偏心大小頭，避免產生氣阱；第三，吸水管道隔離閥應盡量靠近乏燃料水池，以減少此段吸水管的長度(如果該管段發生泄漏，則難以進行隔離)；第四，設備進出口管道的布置要有足有的“柔性”，合理設置支架功能，避免對設備進出口施加額外的載荷；第五，乏燃料水池冷卻系統管線的布置應能防止池水排空和池內燃料組件露出水面，因此，冷卻回路在乏池內的吸入口位置不能過低，同時，為減少表面懸浮物進入系統，吸入口要低于發燃料水池正常水位一定高度(該高度根據規范要求為1.2m，實際布置中以系統手冊要求為準)；第六，冷卻回路回水管端部宜比存放在池內的燃料組件高出1.8m左右，每個回水管在池水低水位以下0.5～0.6m處有一個小孔，用以破壞虹吸，因而管道破裂時乏燃料水池水位仍能保持在此孔高度處。以上布置方式還能確保冷卻后的回水在池中燃料貯存區域內均勻地分散(應注意小孔的位置，防止孔內出水的睡眠產生波動)；第七，乏燃料水池內的吸水管和回水管應分別布置在水池的兩側，以使乏燃料水池內含硼水得到充分循環，防止出現“溝流”現象；第八，換熱器進口出口管道布置要盡量減少不利的流動狀態(例如高流阻管件、突然收縮或擴大)；第九，對需要切換幾個閥門狀態來執行某一系統功能，這樣的閥門盡量集中布置，方便操作和管理。

(二)撇沫和過濾回路。為便于觀察燃料，凈化回路以一定流量從水面排出池水，流經過濾器，再返回水池，以保持水面清潔。其中吸入和返回乏燃料水池的管道應合理布置，以使循環通過過濾器的池水表面積盡可能大。

(三)設備布置。設備布置應盡量減少壓降效應，以免妨礙系統充分發揮其功能。第一，冷卻泵的標高應遠低于乏燃料水池的低水位和安全殼內燃料貯存區的低水位，以確保泵的有效凈正吸入壓頭；第二，泵維修用的隔離閥應盡可能靠近泵，便于維修時操作和減少管道疏水量；第三，冷卻器應盡量靠近各自的冷卻泵，以減少維修時管道的疏水量；第四，撇沫泵的標高應足以確保在表面池水凈化期間有足夠的有效凈正吸入壓頭，泵出水管的布置應考慮到去浮泵較低的有效壓頭；第五，撇沫過濾器應靠近乏燃料水池布置。

四、結語

本文介紹了乏燃料水池冷卻系統功能及設備、管道布置原則。布置工作是一個不斷改進、不斷優化的過程，沒有最優，只有更優。不同的系統布置原則均要考慮輻射防護、設備檢修、管道破裂、水淹、防火等方面的要求，對具體問題要進行具體分析。