三種核電機(jī)組乏燃料水池冷卻系統(tǒng)的比較與分析

孫廣榮　劉有祺

摘 要：介紹了AP1000、M310與VVER核電機(jī)組乏燃料水池冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，分析了這三種堆型的乏池冷卻系統(tǒng)的主要差異，并從工藝角度對(duì)這三類(lèi)機(jī)組乏燃料水池冷卻系統(tǒng)的改進(jìn)提出了合理建議。

關(guān)鍵詞：乏燃料水池冷卻；壓水堆；M310；VVER；AP1000

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.09.140

1 引言

2011年3月11日，日本“福島事故”導(dǎo)致大量放射性物質(zhì)釋放，引起了人們對(duì)嚴(yán)重事故下乏燃料組件安全問(wèn)題的高度關(guān)注[1]。本文對(duì)國(guó)內(nèi)三種典型的核電機(jī)組（M310、VVER和AP1000）乏燃料水池（以下簡(jiǎn)稱(chēng)乏池）的冷卻系統(tǒng)做了詳細(xì)介紹，對(duì)不同堆型該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行了分析和比較，并提出了改進(jìn)建議。

2 M310、VVER和AP1000堆型乏池冷卻系統(tǒng)的介紹

2.1 M310乏池冷卻系統(tǒng)（PTR）

M310中PTR系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖如圖1[2]。M310中的PTR系統(tǒng)布置在安全殼以外，由兩個(gè)并聯(lián)的設(shè)備系列組成，每個(gè)系列有一臺(tái)冷卻水循環(huán)泵，一臺(tái)冷卻水熱交換器，兩個(gè)系列共用一個(gè)離子交換樹(shù)脂床及進(jìn)出口母管。此外PTR系統(tǒng)還包括乏燃料貯存池的撇沫回路和換料水池的凈化回路。

2.2 VVER乏池冷卻系統(tǒng)（FAK）

VVER中FAK系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖如圖2。FAK系統(tǒng)由兩列相互獨(dú)立、完全相同的系列組成，每一列均由泵、冷卻器、進(jìn)出口管道及閥門(mén)等設(shè)備組成。FAK系統(tǒng)安全殼內(nèi)取水管上連接有通向余熱排出系統(tǒng)的管道，通過(guò)余熱排出系統(tǒng)進(jìn)入安全殼噴淋系統(tǒng)的兩個(gè)冷卻器冷卻后經(jīng)過(guò)安全殼噴淋系統(tǒng)的泵與出口管道返回燃料水池，達(dá)到冷卻乏燃料的目的。FAK系統(tǒng)沒(méi)有凈化乏池的功能，但其為乏池凈化系統(tǒng)提供了接口。

2.3 AP1000乏池冷卻系統(tǒng)（SFS）

AP1000中SFS系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖如圖3[3]。SFS系統(tǒng)設(shè)置兩個(gè)系列，每個(gè)系列包含一臺(tái)輸水泵，一臺(tái)冷卻器，一臺(tái)型離子交換器，一臺(tái)機(jī)械雜質(zhì)過(guò)濾器以及相關(guān)管道、閥門(mén)、儀控組件等。兩個(gè)工作系列共用吸水管線和回水管線，任一系列能夠不依賴(lài)另外的系列獨(dú)立完成系統(tǒng)功能。此外乏池水面上有兩個(gè)撇沫器，省去了專(zhuān)門(mén)的撇沫回路。

3 PTR、FAK和SFS系統(tǒng)的比較

M310核電機(jī)組的PTR和VVER核電機(jī)組的FAK系統(tǒng)都是安全相關(guān)的系統(tǒng)，依靠對(duì)泵和熱交換器的冗余設(shè)計(jì)來(lái)提高乏池冷卻的可靠性。AP1000的SFS系統(tǒng)為非安全相關(guān)系統(tǒng)，在正常運(yùn)行時(shí)通過(guò)兩個(gè)機(jī)械系列冷卻乏池。在全場(chǎng)斷電等事故工況下，AP1000的乏池冷卻系統(tǒng)采用了非能動(dòng)的設(shè)計(jì)理念。這三類(lèi)核電廠的乏池冷卻系統(tǒng)存在明顯差異。

3.1 乏池的布置

M310和AP1000機(jī)組的乏池布置在安全殼外，而VVER機(jī)組乏池布置在安全殼內(nèi)。一旦乏池發(fā)生長(zhǎng)時(shí)間失去冷卻的事故后，存在乏燃料組件熔化大量放射性物質(zhì)釋放的風(fēng)險(xiǎn)。將乏池布置在安全殼內(nèi)，能有效防止乏池發(fā)生事故時(shí)放射性物質(zhì)的釋放在環(huán)境中。

3.2 乏池正常補(bǔ)水

正常運(yùn)行情況下，當(dāng)乏池水裝量減少時(shí)需要向乏池補(bǔ)水。PTR系統(tǒng)和SFS系統(tǒng)具有在乏池由于蒸發(fā)或者小流量泄漏水位降低的情況下為乏池補(bǔ)水的功能。M310系統(tǒng)和AP1000系統(tǒng)由于蒸發(fā)而引起的乏池水位降低均由除鹽水系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)給，而在小流量泄漏的狀況下，M310乏池硼水由硼回收系統(tǒng)提供，AP1000乏池硼水補(bǔ)給是由化學(xué)與容積控制系統(tǒng)提供。VVER機(jī)組中FAK系統(tǒng)沒(méi)有乏池補(bǔ)水功能，但是FAK系統(tǒng)為乏池和硼水貯存箱凈化系統(tǒng)提供接口，在乏池水位降低時(shí)由硼水貯存箱提供補(bǔ)給。

3.3 水體轉(zhuǎn)運(yùn)回路

PTR、SFS和FAK系統(tǒng)均承擔(dān)換料期間，水體在換料相關(guān)的各個(gè)水池之間的轉(zhuǎn)運(yùn)工作。PTR系統(tǒng)中燃料輸送池和乏燃料裝罐池的補(bǔ)水管線與乏燃料池水冷卻的回水管線共用，在燃料運(yùn)輸池、乏燃料裝罐池的補(bǔ)水及它們之間進(jìn)行水體轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)乏池會(huì)暫時(shí)失去冷卻；SFS系統(tǒng)的乏池，沖洗池和運(yùn)輸通道之間設(shè)置了兩條共用的送水和排水母管，SFS的一個(gè)系列進(jìn)行乏池冷卻的同時(shí)，另一個(gè)系列可以完成各個(gè)水箱的水體的轉(zhuǎn)運(yùn)；FAK系統(tǒng)中反應(yīng)堆豎井、堆內(nèi)構(gòu)件檢查井設(shè)置了充水管線與FAK的一個(gè)系列完成這兩個(gè)水池的充水，F(xiàn)AK系統(tǒng)設(shè)置了一個(gè)可移動(dòng)的排水泵，反應(yīng)堆豎井、堆內(nèi)構(gòu)件檢查井及乏池需要排水時(shí)，將可移動(dòng)的排水泵接入排水管線來(lái)完成排水。FAK可移動(dòng)排水泵的設(shè)置簡(jiǎn)化了排水管線的復(fù)雜程度。

3.4 凈化回路

PTR與SFS系統(tǒng)有凈化各水池水體的功能，F(xiàn)AK系統(tǒng)無(wú)該功能。PTR系統(tǒng)兩個(gè)系列中設(shè)置了一臺(tái)共用的樹(shù)脂床和兩臺(tái)過(guò)濾器，去除乏池水中的灰塵和離子態(tài)雜質(zhì)。為保持乏池池水的透明度設(shè)置了一條撇沫回路，此外還為換料水池專(zhuān)門(mén)在設(shè)置了一條過(guò)濾回路。SFS系統(tǒng)的兩個(gè)機(jī)械系列各設(shè)置了一個(gè)樹(shù)脂床和一個(gè)過(guò)濾器，共用的乏池取水母管上設(shè)置了撇沫器。SFS凈化回路與PTR凈化回路相比的優(yōu)點(diǎn)是：

（1）系統(tǒng)簡(jiǎn)化，SFS與PTR系統(tǒng)相比減少了泵、過(guò)濾器及相關(guān)設(shè)備的數(shù)量；

（2）增加乏池凈化的可靠性，SFS系統(tǒng)在一個(gè)系列完成乏池水體凈化的同時(shí)可以完成另一臺(tái)樹(shù)脂床的更換；

（3）在乏池持續(xù)冷卻和凈化的時(shí)不影響其它水池完成凈化功能。

3.5 系統(tǒng)正常運(yùn)行

PTR、SFS、FAK在電廠正常運(yùn)行時(shí)均只有一列進(jìn)行乏池的冷卻。當(dāng)1/3堆芯卸料模式下，PTR系統(tǒng)一列運(yùn)行，一列備用。在一個(gè)堆芯完整卸料時(shí)，PTR系統(tǒng)采用雙列運(yùn)行。PTR的偶數(shù)列可以作為余熱排出系統(tǒng)的備用列。SFS系統(tǒng)在廠換料時(shí)兩列均用來(lái)冷卻乏池，此外余熱排出系統(tǒng)的一列可以作為SFS的備用列。FAK系統(tǒng)在部分堆芯卸料時(shí)，一個(gè)通道運(yùn)行，池水溫度高于55℃，投入備用通道。全堆芯卸料時(shí)投入FAK一個(gè)系列和余熱排出系統(tǒng)的一個(gè)系列排出乏池的余熱，F(xiàn)AK的第二個(gè)作為備用列。在部分堆芯卸料時(shí)PTR、SFS和FAK始終均有備用列，但是在全部堆芯卸料時(shí)，PTR系統(tǒng)無(wú)備用列，不能滿足單一故障準(zhǔn)則。

3.6 全場(chǎng)斷電事故后的緩解

由于PTR和FAK 系統(tǒng)乏池的冷卻和補(bǔ)水均需要通過(guò)泵來(lái)完成，故在發(fā)生全場(chǎng)斷電事故后，無(wú)法冷卻乏池。需要在乏池沸騰之前快速恢復(fù)冷卻泵的電源。SFS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)秉承了AP1000非能動(dòng)的設(shè)計(jì)理念，可以不依賴(lài)能動(dòng)設(shè)備緩解能動(dòng)系統(tǒng)失效而造成的乏池失去冷卻。全場(chǎng)斷電的情況下由非能動(dòng)安全殼冷卻水箱及乏燃料容器清洗池為乏池補(bǔ)水，通過(guò)池水蒸發(fā)來(lái)移出乏池的熱量，乏燃料池水水量及安全相關(guān)補(bǔ)水足以維持乏池冷卻3天，廠內(nèi)補(bǔ)水可以維持乏池冷卻7天。

4 三類(lèi)機(jī)組乏池冷卻系統(tǒng)改進(jìn)的建議

綜上所述，M310、AP1000和VVER機(jī)組的乏池冷卻系統(tǒng)均可以進(jìn)一步改進(jìn)提高系統(tǒng)的可靠性，改進(jìn)建議如下。

4.1 增加事故后防止乏池大量放射性釋放的屏障

M310和AP1000的乏池布置在安全殼外，存在大量放射性物質(zhì)釋放的風(fēng)險(xiǎn)。故需要考慮在乏池上方增加類(lèi)似于安全殼的包容設(shè)施，在包容設(shè)施外設(shè)置類(lèi)似于非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)的自然冷卻設(shè)施來(lái)排除包容設(shè)施的余熱。乏池冷卻系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間失效后，熱量能通過(guò)類(lèi)似于AP1000安全殼內(nèi)的傳熱方式傳遞到包容設(shè)施外，以滿足縱深防御的要求。

4.2 采取多樣化的冷卻手段

建議增大M310、VVER機(jī)組乏池的容積，延長(zhǎng)乏池失去冷卻到池水的開(kāi)始沸騰時(shí)間，在電源故障或者冷卻劑泵故障后，能有更充足的時(shí)間修復(fù)電源或冷卻劑泵。為維持喪失電源時(shí)乏池的冷卻，可以在M310和VVER機(jī)組中增加類(lèi)似于AP1000的高位的水箱，能夠不依賴(lài)能動(dòng)設(shè)備為乏池補(bǔ)水。此外可以引入空氣冷卻等手段增加乏池冷卻的多樣性，提高乏池冷卻的安全性。

4.3 增加乏池補(bǔ)水的外部接口

在M310、VVER和AP1000的乏池中增加易于移動(dòng)設(shè)備連接的補(bǔ)水接口，在乏池冷卻系統(tǒng)電源喪失或冷卻泵出現(xiàn)故障，由于局部放射性高等原因無(wú)法恢復(fù)時(shí)，可以通過(guò)場(chǎng)內(nèi)的消防車(chē)或柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的水泵將水注入乏池。在事故后通過(guò)補(bǔ)水和蒸發(fā)的方式維持長(zhǎng)期的乏池衰變熱的排出。

4.4 增加乏池和余熱排出系統(tǒng)的接口

M310機(jī)組全堆芯卸料時(shí)，PTR系統(tǒng)兩個(gè)系列均運(yùn)行無(wú)備用列。在壓力容器檢查或其他原因引起的全堆芯卸料時(shí)，從堆芯卸載到乏池的燃料組件的衰變熱負(fù)荷的移除完全是由PTR系統(tǒng)進(jìn)行，余熱排出系統(tǒng)不承擔(dān)排出衰變熱的功能?？梢栽黾臃Τ睾陀酂崤懦鱿到y(tǒng)的接口，使全堆芯卸料后余熱排出系統(tǒng)的兩個(gè)系列可以作為PTR系統(tǒng)的備用列，使全堆芯卸料情況下，乏池的冷卻滿足單一故障準(zhǔn)則。

5 結(jié)語(yǔ)

由于設(shè)計(jì)理念的不同這三種核電廠的乏池冷卻系統(tǒng)存在著差異。文章對(duì)比分析了三種核電廠的乏池冷卻系統(tǒng)，并提出了改進(jìn)建議。希望能對(duì)以上三類(lèi)核電廠提高乏池冷卻系統(tǒng)的可靠性能有所幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1]IAEA report on Preliminary Lessons Learned from the Fukushima Daiichi Accident.

[2]廣東核電培訓(xùn)中心.900MW壓水堆核電廠系統(tǒng)與設(shè)備[M].北京：原子能出版社，2007.

[3]林誠(chéng)格.非能動(dòng)安全先進(jìn)核電廠AP1000[M].北京：原子能出版社，2008.

作者簡(jiǎn)介：孫廣榮（1988-），助理工程師，主要從事核燃料管理相關(guān)工作。