秦二厂3、4号机组乏燃料水池应急补水及监测改进

□李晓正

2011年3月11日，日本宫城县北部发生9级地震，当时福岛第一核电厂4号机组处于停堆检修状态，乏燃料水池中存放着维修时卸出的燃料组件和先前储存的乏燃料，占总储存容量的97%。由于地震和海啸造成交流电源全部丧失，乏燃料水池的冷却功能和水补给功能丧失使得其沸腾并导致水位下降，此外3号机组排氢通过通风系统进入4号机组安全壳，氢气累积造成的爆炸使厂房受到严重损坏，随后乏池起火造成部分放射性物质外泄。福岛事故后，国家核安全监管部门开展了对运行和在建核电项目全面核安全检查，并提出了一系列整改要求，核电厂根据福岛事故经验反馈制定了改进思路和改进方法。

一、乏池监测及应急补水的改进思路

反应堆换料水池和乏燃料水池冷却和处理系统主要作用是对贮存池中的乏燃料保持持久冷却、向换料水池充排水和杂质净化。其保持对乏燃料持久冷却，其目标是将乏池中燃料组件中的残余热功率持续导出，同时保持乏燃料水池中的有效屏蔽水位，保持乏燃料水池内乏燃料组件处于次临界状态。乏燃料水池的水通过浸入水下的管道，经热交换器由设备冷却水RRI冷却，再经过孔板返回水池，实现乏燃料剩余热量的导出。系统设计两列的泵和热交换器，正常运行时单列运行，其流量正常为360m3/h(包括除盐过滤回路的净化流量60m3/h)，作为备用系列的泵和热交换器，只有在热负荷较大(或水温上升较快)时，才投入水池冷却，两列同时投入。乏池的设计原则包括以下工况。

(一)正常换料工况。乏池内燃料组件热功率达最大值，乏池贮存堆芯组件达14/4个，停堆后14天，且将整堆芯燃料全部转移至乏池，在冷却水流量为515m3/h，温度为35℃时，乏池池水温小于52.16度。

(二)正常运行工况。乏池内燃料组件其热功率达最大值，一列泵和热交换器冷却时，水温小于60度。

(三)事故工况。乏池内燃料组件热功率达最大值且乏池已贮存15/4个组件，当因相关设备检修需要而载入一个整堆芯(或者因破口事故而被迫载入)，在一列冷却设备冷却乏池时乏池水温小于80度；两列冷却设备冷却乏燃料水池时，乏池的水温小于60度。

二、乏池监测及应急补水的改进方案

根据国家核安全局提出通用的改进要求即《福岛核事故后核电厂改进行动通用技术要求》，结合核电厂系统和设备的实际情况提出并实施了以下方案。

(一)为满足乏燃料水池事故后监测，增加监测设施。秦二厂3、4号机组在初始设计是以正常工况和基准设计事故为基准,在原设计中有乏池状态的监测设备，PTR001LN是乏池就地标尺液位计但无远传信号，乏池液位开关PTR033SN和PTR035SN，其液位高低信号送主控触发报警；原设计中PTR037ST作为温度开关实现对乏燃料水池温度的监测，温度信号送至主控显示和报警；设计中PTR032MT和PTR034LT作为远传和就地温度的连续监测仪表，液位和温度仪表的核安全等级为非核级，抗震等级则无要求。增加在超设计基准事故工况下的监测设备，满足福岛事故改进要求。

乏燃料水池现存液位和温度的检测仪表，其电源在全厂失电时未考虑实施再供电且为实现设备的冗余要求，额外增加一套温度和液位监测设备，满足福岛改进对乏燃料水池温度和液位的持续监测要求。目前导波雷达传感器来监视乏池液位，在在役核电厂中已有实际应用，每个乏燃料水池安装独立的两套系统，一套主用，另一套备用。中广核阳江核电厂在福岛改造方案中在温度仪表PTR032MT基础上增加液位和温度仪表，增加设备具有抗震和安全等级，在SBO工况时也有供电要求。

改进方案：在原监测通道不变的情况下，增加一套安全等级为NC级、抗震为1类的乏燃料水池水位和温度连续检测系统，不考虑辐照条件影响。液位、温度仪表供电来自LLS应急柴油机，在全场失电的SBO工况下保证乏池液位和温度的监测，液位测量区间从11.5～20.00m，温度测量区间从室温到120℃。

目前该方案正在进行液位、温度监测设备选型中，尚未实施；目前已实施方案为将乏池冷却系统A列冷却水泵入口压力表改型为压力和水位的双刻度仪表，可同时监测乏池液位和泵的入口压力。该项改进在发生失电事故时，仍可通过该表实现对乏池液位的监测。

(二)为保证乏池内的水装量，为乏燃料水池增加应急补水设施。乏燃料的冷却和乏池含硼水的补给是在系统内完成，满足在正常运行工况以及设计基准事故时的补水要求，补水可以正常使用核岛除盐水(SED)，紧急情况下使用核岛消防水(JPI)系统作为应急补水，但在SBO工况下，失去动力电源，设计的补水和冷却循环丧失，因此需要增加乏燃料池事故后的应急补水冷却设施。新增应急补水管线管径是根据乏池丧失全部冷却时产生的蒸发水量计算出来的，计算结果依据两种工况。

1.正常换料工况。若乏池已经暂存了连续14个换料周期的组件(每换料周期约三分之一堆芯)和停堆14天后刚卸出堆芯的一整个堆芯组件。

2.事故工况。若乏池已经暂存了连续14个换料周期的组件(每换料周期约三分之一堆芯)及上一循环停堆14天后卸出堆芯的三分之一个堆芯的组件，加上事故停堆7天后卸出的一整个堆芯的组件。根据相应的负荷计算，处于事故工况下的完全卸料模式乏燃料水池的热负荷最大，在发生类似福岛事故的超设计基准事故，失去冷却后最快约7～8小时乏池达到沸腾。在事故初期应急补水可以有效缓解乏池液位下降，事故情况下使用移动补水泵或消防车，由取水源(SED/SER水箱和JPP水箱)到补水点之间临时管道的铺设及应急补水管线的投入，保证事故初期乏池补水水源的有效性。

3.改进方案。设计一条从NX厂房室外0m到KX厂房20m平台室外的抗震管线，在KX厂房20m平台室外设置消防水结合器附带手动隔离阀并增加到达乏池的消防软管，在NX厂房0m设置一个隔离阀和消防水结合器。在紧急工况下，开启KX厂房20m平台的应急门，将消防软管引至乏池处，通过消防水或移动补水泵对乏池补水，设计的补水管线无造成虹吸的可能。增加乏池应急补水管线，为事故工况如全厂失电，增加补水手段，有效避免乏燃料水池因冷却丧失和失水导致乏池中燃料组件裸露损毁。

三、以上改进降低了事故工况下乏池的安全风险

依据运行经验和实践反馈，乏池事故有两类：一是排水类事故；二是丧失冷却能力的非排水类事故。其中排水类事故包括：乏池LOCA、系统管线存在破口、大载重落入；非排水类事故包括：丧失安全重要电源供电、丧失冷源及其他无法保证冷却的情况。在以上事故及超设计基准事故下，通过增加应急补水手段，且考虑温度和液位连续监测，在乏池水位下降时提醒操纵员，并按规程引导进行事故缓解，可以将燃料元件损坏频率由2.26E-07/堆年降至2.57E-08/堆年，安全系数提高一个数量级。