乏燃料水池多样性补给分析

范坤良　马太义　徐成军

【摘 要】福岛事故后，乏燃料水池（SFP）在事故后的安全性得到广泛的关注。乏燃料水池冷却系统是非安全相关系统，不需要在事故后运行。但必须保证乏燃料水池在超设计基准事故后的冷却能力。本文介绍了乏燃料水池多样性补给方式在整个核电站事故管理中的作用，并针对《多样性与灵活性应对措施执行导则》在SFP补给能力上的应用进行对比分析。

【关键词】SFP；多样性；超设计基准事故

0 概述

核燃料达到一定燃耗深度从堆芯卸载出来后仍有较大的衰变热，不能立即处理，需暂存在乏燃料水池（SFP）中。乏燃料水池冷却系统（SFS）用来排出贮存的乏燃料产生的衰变热，从而将乏燃料水池中的温度维持在可接受的温度范围。AP1000 SFS系统用于正常运行期间导出衰变热，是非安全相关的系统。但乏燃料水池在发生超设计基准事故或外部灾害事件（包括地震、水淹、海啸等自然灾害事件和火灾、小飞机撞击等认为事件）时的安全性一直是核电厂设计的重点。

在日本福岛核事故中，海啸超过了电站的设计基准并且淹没了电厂紧急电源和电力输送系统。这种持续的丧失电源严重危及堆芯冷却和安全壳完整性等重要的安全功能。当失去电源也影响到SFP的冷却功能时，需要维持SFP内足够的水容量以防止燃料失去冷却而损坏。袭击福岛核电厂的海啸等级超过了电站设计基准，尽管现在预测超设计基准外部事件（BDBEE）等级和频率的能力已经提高，且电站的设计基准有一定余量，仍然有可能发生超设计基准外部事件。因此，尽管不可能，在电站的设计和许可证的发放时仍考虑外部事件可能超过设计基准的假设，如同福岛事故发生的那样。为了加强核电站的安全性，美国核能协会（NEI）提出增加多样性和灵活性应对措施（FLEX）来针对潜在的超设计基准外部事件可能引起的后果。

1 FLEX的目标和指导原则

FLEX措施将包括利用贮存在厂内的现场设备和为了长期事故响应提供额外材料和设备厂外设备。通过向重要的安全功能提供多种电源和水，FLEX可以缓解超设计基准外部事件导致的后果。

FLEX的目的是建立不定期的应对能力来防止反应堆和乏燃料水池中的燃料损坏，且通过利用已安装设备，现场便携式设备和预贮存的厂外资源维持安全壳功能。FLEX措施关注维持或者重启重要的电站安全功能，不关注具体的损坏状态或者外部事件的机械评估。应对这些工况的基本措施包括以下3个阶段：

1）最初的应对措施依靠已安装的电站设备；

2）从已安装电站设备到现在FLEX设备的过渡；

3）从厂外设备获得额外的能力和冗余，直到电源，水和冷却剂注入系统重新启动或在役。

每个电站的具体分析将决定每个阶段的持续时间。已损坏电站的恢复不在FLEX的能力范围内，因为具体的行动和能力将与电站的具体情况有关，且这些情况不能预先知道。

假想的对反应堆安全影响最大的超设计基准事故导致的后果是丧失电源和失去最终热井。本文分析增加多样性和灵活性缓解措施（FLEX）的方法，它将针对电厂的所有机组同时发生持续失去交流电源（ELAP）和最终热井不可达（LUHS）时加强超设计基准事故方案的纵深防御。

2 乏燃料水池多样性补给方式

外部灾害情况下SFP补给措施包括内部措施和外部措施。内部措施包括电厂内不同补给方式的执行，以提供至少500gpm的SFP补给能力。外部措施包括采用移动式补给源和喷淋来加强特定电厂事故响应的多样性和灵活性。外部措施的导则用来确定外部措施是否需启动及喷淋模式是否恰当。SFP的补给措施旨在强化特定核电厂的总体响应能力，为了有效开展这些措施，电站需建立程序/导则用于指导措施的正确实施。SFP内、外部补给及喷淋措施的决策程序如图1所示：

2.1 SFP内部补给措施

内部补水措施的目的是建立SFP多样补给方法使其补给能力不小于500gpm。

在失去正常SFS冷却的条件下，两条抗震管道能提供SFP的应急补水以便支持事故后7天的乏燃料衰变热导出。SFP的补给水源见表1：

表1 SFP内部补给水源

1）当SFP衰变热小于等于4.0MWt时，无需补水，乏燃料水池及燃料转运通道内的水可维持乏燃料冷却72小时。

2）当SFP衰变热大于4.0MWt而小于等于5.0MWt时，来自容器冲洗井（CWP）的补给水足以冷却乏燃料72小时。

3）当SFP衰变热大于5.0MWt而小于等于7.0MWt时，安全相关水源CWP和CLP可以维持乏燃料水池冷却72小时。

4）当SFP衰变热大于7.0MWt时，PCS储水箱和PCS辅助储水箱单独或者共同提供的补水可以实现乏燃料水池冷却至少7天。

2.2 SFP外部补给措施

一般情况下，核电厂事件的进程远不只7天。事故后乏燃料水池内部补给措施只能够保证乏燃料水池7天内维持在可冷却状态，这为进行后续缓解措施提供了充足的准备时间。当事故发展到需要外部措施时，关注的措施就从内部补给措施转移到外部补给措施上。外部补给措施主要包括两个功能：SFP补给和喷淋。喷淋是在SFP水位无法维持时使用。外部措施同样是针对特定厂址的，而与事故过程无关，它不要求立即执行且可以依靠相同的泵或者水源。外部补给措施所用到的设备必须定期检查，确保处于随时备用状态。

2.2.1 外部补水

外部补水的目的是利用移动电源和泵建立一套灵活的补给装置，使SFP的补给流量不小于500gpm。与内部措施不同的是，外部措施不需要同时执行，也可以利用相同的水源。水源可以使厂内的消防水车或者便携式泵。泵可以采用柴油机驱动，也可以采用厂内交流电源。

SFP的外部补给水源主要来自消防系统，包括厂内主消防水箱，厂内辅助消防水箱和消防水车。消防水通过PCS系统的接口实现向SFP的注入。

2.2.2 外部喷淋

外部喷淋的目的是利用移动电源和泵建立一套灵活的喷淋装置，使其SFP喷淋流量不小于200gpm。喷淋水源与外部补给水源可以相同，泵可以采用柴油机驱动，也可以采用交流电源驱动。

SFP泄漏率超过补给率时会导致乏燃料水池排干，当SFP内液位低于LL液位报警值时，SFP喷淋启动。SFS设计两列冗余的喷淋系统，PCCWST内的冷却水通过重力驱动输送到SFP东侧的喷嘴，或者采用柴油驱动的FPS便携式消防泵将消防水输送至SFP西侧的喷嘴。喷嘴的布置应满足对SFP必要的部分有足够的冷却流量。

3 结论及存在的问题

针对核电站可能发生超设计基准外部灾害，为了保障乏燃料水池的冷却，采取了多样性的补给措施，可以有效避免发生类似福岛的核事故。本文结合核电站的事故管理程序，介绍了乏燃料水池多样性补给方式在整个核电站事故管理中的作用，并针对《多样性与灵活性应对措施执行导则》在SFP补给能力上的应用进行对比分析。多样性与灵活性应对措施在乏燃料水池补给方式上的应用加强了核电站的纵深防御能力。

【参考文献】

[1]NEI 06-12，B.5.b Phase 2&3 Submittal Guideline R3，2009[Z].

[2]NEI 12-06， Diverse and Flexible Coping Strategies（FLEX） Implementation Guide R0，2012[Z].

[责任编辑：王楠]