華龍一號防止乏燃料水池硼水結晶措施分析

皮 月 侯 婷 姚亦珺

“華龍一號”是我國具備完整自主知識產權的三代先進壓水堆核電型號，福清核電站5 號機組作為“華龍一號”首堆示范工程已于2015 年5 月7 日開工建設。福清核電廠位于我國東海海岸，根據平潭海洋站的監測資料，冬季海水溫度會出現8℃的低溫，此時乏燃料水池水溫也會相應降低，乏燃料水池水溫低于10℃時可能導致硼結晶，使乏燃料的安全貯存帶來巨大風險。因此，提出防止乏燃料水池硼水結晶措施對電廠安全運行至關重要。本文介紹了華龍一號乏燃料水池冷卻系統和設備冷卻水系統的設計準則，分析了福清核電站廠址條件對冬季乏燃料貯存的影響，提出防止福清廠址核島機組乏燃料水池硼水結晶的措施，并進行換熱計算對措施進行驗證。

1 系統設計準則

電廠中經過一個燃料循環從堆芯換出的乏燃料要貯存在乏燃料水池中，水池的含硼水用來帶走已輻照燃料元件所釋放的余熱并對人員提供生物防護。池水是通過乏燃料水池冷卻系統（簡稱乏池冷卻系統）進行循環冷卻，系統中配有換熱器將熱量傳遞給設備冷卻水系統，再由設備冷卻水系統將熱量傳遞給重要廠用水系統最終導入海水。乏池冷卻系統和設備冷卻水系統設計要按照系統設計準則開展。

1.1 乏池冷卻系統的設計準則

乏池冷卻系統根據電廠運行情況可分為三個工況：

1.1.1 正常貯存工況

乏池冷卻系統提供一個冷卻系列導出余熱。

正常貯存工況，在水池中貯存每次卸出的堆芯燃料組件，其最大值為貯存14 次的乏燃料組件量。此時水池中空出的位置足夠放置整個堆芯燃料組件量以備事故需要，熱負荷如表1所示。

1.1.2 正常換料工況

乏池冷卻系統提供兩個冷卻系列導出余熱。

正常換料工況，是在14 次乏燃料貯存的基礎上，整個堆芯燃料組件全部卸入乏燃料水池，在將未更換部分堆芯組件返回堆芯之前的這段時間，余熱大，水溫高，雖然時間不長，但仍需給予關注，熱負荷如表1 所示。

1.1.3 事故工況

乏池冷卻系統提供兩個冷卻系列導出余熱。

事故工況是指反應堆發生事故后，需要全堆強迫卸料，因事故之后，希望將燃料組件盡快卸出，因此冷卻時間為5 天，其最大值發生在14 次卸料后，同時考慮事故發生在平衡循環末期，因為此時強迫卸料的危險最大，熱負荷如表1 所示。

從上述設計準則可以看出，為保證換料末期乏燃料水池的安全運行，系統容量按照最大剩余熱功率考慮，因此在電廠運行初期，乏燃料較少的情況下，會出現發熱量較小換熱能力過強的現象。

1.2 設備冷卻水系統的設計準則

設備冷卻水系統根據電廠運行情況可分為六個工況：

當海水最高溫度為T7℃時，提供的設備冷卻水最高溫度為35℃，但下述情況除外：在進入冷停堆和次臨界停堆工況下，當海水最高溫度為T7℃時，供給的冷卻水溫度為40℃；在失冷卻劑事故（LOCA）工況下，當海水最高溫度為Tmax℃時，供給的冷卻水溫度為45℃。

表1 不同工況下乏燃料水池最大剩余功率

表2 不同工況下海水溫度和設備冷卻水溫度設計要求

（1）T7：歷年最高第七日平均水溫。

（2）Tmax：歷史最高水溫。

根據上述設計準則，設備冷卻水系統的冷卻能力相當于電站在各種工況下需要同時運行的各種設備的總熱負荷。因此，當機組冬季運行，海水溫度低于10℃時，設備冷卻水溫度會遠低于設計值，對于乏燃料來說就會出現冷卻水溫度較低甚至接近硼結晶溫度的風險。

2 福清核電站冷卻水溫度

根據福清現場運行情況反饋，2018 年2 月出現低溫氣象，最低氣溫達到2℃左右，此時運行的設備冷卻水溫度到12℃左右，福清2 號機乏燃料水池水溫在13℃左右。根據技術規范要求乏燃料水池溫度低于10℃不允許在燃料廠房進行任何操作，在溫度低于7℃機組要后撤到停堆狀態。為了防止上述風險出現，首先對福清廠址的歷年海水溫度進行了統計，計算出最低日平均水溫及歷史最低溫度，再根據統計數據提出運行措施。

依據福清廠址2006 年3 月的觀測資料與平潭同期資料建立了相關關系：

廠址站與平潭站表層水溫相關方程是：

圖1 廠址站與平潭站表層水溫相關圖（2006 年3 月）

根據統計數據，平潭站最低日平均水溫值為10.9℃，根據廠址和平潭站的相關方程（式1）推算的廠址的最低日平均水溫值為8.7℃。平潭站歷史最低測量海水溫度為7.2℃，推算的廠址的最低海水溫度為5.4℃。另外根據電廠運行情況統計，設備冷卻水系統的用戶一般不會全部投入運行，機組冬季滿功率運行期間設備發熱量一般占設計值的50%左右。因此可推算，該廠址條件下冬季機組正常運行期間，設備冷卻水最低運行溫度為8.16℃。

3 福清核電機組采取的應對措施

乏燃料水池的冷卻是通過乏池冷卻系統的換熱器將乏池水的熱量傳遞給設備冷卻水來實現的，為防止乏燃料水池硼水結晶可以采取兩種措施，一種是減少換熱器冷側設備冷卻水的流量，另一種是減少換熱器熱側乏池水的流量。福清核電機組乏燃料水池冷卻系統的示意圖如圖2、3 所示[1]。

圖2 福清1-4 號機組乏池冷卻水與設備冷卻水換熱示意圖

圖3 福清5、6 號機組華龍一號乏池冷卻水與設備冷卻水換熱示意圖

如圖2 所示，福清1-4 號機組采用1/3 堆芯換料方式，設備冷卻水系統的溫度為35℃時，乏燃料水池冷卻系統單列運行，設備冷卻水側串聯運行，保證乏燃料水池的溫度低于50℃。為了防止乏燃料水池硼水結晶，當設備冷卻水水溫低于15℃可以通過換熱器的旁通管線分流部分冷卻水，使得乏池水溫提高，避免硼水結晶。

如圖3 所示，華龍一號采用全堆芯卸料方式，貯存工況下乏燃料水池冷卻系統單列運行（如運行001 系列），設備冷卻水側并聯運行。為了防止乏燃料水池硼水結晶，當設備冷卻水水溫低于15℃可以通過開啟003 或002RF，旁通部分乏池水，最終高溫乏池水和冷卻后的低溫乏池水混合后提高乏池溫度。

上述兩種措施都可以實現提高乏池水溫度防止硼水結晶，需要通過換熱計算驗證措施有效性。

4 換熱計算及分析

4.1 計算方法

華龍一號乏池冷卻系統為了較少設備廠房空間，采用板式換熱器與設備冷卻水進行換熱。由于板式換熱器的結構復雜，其換熱性能受板片組合、板片波紋角度、板片波紋深度等參數影響較大[2]，通常采用的計算方法如下[3]。

4.1.1 傳熱基本方程式

式中，Q 為傳熱量，J/s；A 為換熱面積，m2；K 為總傳熱系數，W/（m2·K）Δtm為傳熱平均溫差，對數平均溫差乘以板片組合校正系數，℃

4.1.2 換熱量計算式

式中，qm為流體質量流量，kg/s；Cp為流體比熱容，J/（kg·K）；t'和t"為分別表示某側流體進出口溫度，℃

4.1.3 總傳熱系數計算式

式中，α1和α2分別為板片兩側的傳熱膜系數，W/（m2·K）；R1和R2為板片兩側污垢系數，m2·K/W；δP為板片厚度，m；λP為板片導熱系數，W/（m2·K）。

4.2 乏燃料衰變熱計算

以華龍一號機組為例進行衰變熱計算，對于停堆卸入乏池的整個堆芯的衰變熱如圖4 所示[1]。

表3 不同換料批次最小衰變熱

表4 乏池流量不變、乏池入口溫度45℃時所需的最小冷卻水流量

圖4 停堆卸入乏池的堆芯衰變熱曲線

換料方式是在第三次換料后，由年換料調整為18 個月換料模式（每次卸出68 個燃料組件），池內貯存的乏燃料組件數量以及池內衰變熱如表3 所示。

4.3 乏燃料水池水溫計算

一般在換料工況下，不會出現硼水結晶的情況。因為換料時，熱負荷最小為6.12MW，在設冷水入口溫度最小為8.16℃時，乏池入口溫度為17.4℃，出口溫度為10.14℃。不會到達硼結晶閾值。因此，換料工況不存在硼水結晶的風險。

對于措施一旁通設備冷卻水流量的方式，正常貯存時，當設冷水入口溫度最小為8.16℃時，保持乏池入口溫度為45℃，所需的最小冷卻流量，如表4 所示。

對于措施二旁通乏池水流量的方式，冷卻水入口溫度8.16℃時，保持冷卻水側流量不變時，乏池側進出口溫度如表5所示。

從表4 表5 可以看出，采用調整設備冷卻水的方案，可以保證乏池內水溫始終高于報警值的要求，當冬季氣溫較低時，晝夜海水溫度起伏變化，最低海水溫度可能出現在某個時刻，為減少操作員動作可以調整冷卻水到最小流量，不需要根據水溫實時調節。采用調整乏池水的方案，同樣可以實現防止乏池內硼水結晶，但是對于換熱器出口混合前的局部管道內可能出現溫度較低的情況，如果換熱流量較低需要操作員關注局部的硼結晶風險。

表5 冷卻水流量不變、乏池入口溫度45℃時所需的最小乏池流量

5 結論

本文為防止華龍一號乏燃料水池硼水結晶提出兩種運行措施，措施一是減少換熱器冷側設備冷卻水的流量，措施二是減少換熱器熱側乏池水的流量。通過換熱計算，兩種措施都可以降低硼結晶風險，采用措施二時需要關注換熱器出口的乏池水溫度防止局部產生硼結晶。