乏燃料水池冷卻系統(tǒng)布置原則探究

□張 勇 呂 航 林木營

乏燃料水池冷卻系統(tǒng)總體布置設(shè)計(jì)應(yīng)滿足兩個(gè)要求，一是對電站所有設(shè)備在初步設(shè)計(jì)階段所確定的功能要求；二是對執(zhí)行電站安全功能設(shè)備的安全要求。

一、乏燃料水池冷卻系統(tǒng)功能

乏燃料水池冷卻系統(tǒng)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(tài)，冷卻其所釋放的余熱，換料或停堆檢修時(shí)，反應(yīng)堆主回路處于開啟狀態(tài)，在余熱排出系統(tǒng)不能利用時(shí)，可利用本系統(tǒng)冷卻反應(yīng)堆堆芯；二是提供生物防護(hù)用水層，保護(hù)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(chǎn)物，裂變產(chǎn)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(zhuǎn)運(yùn)倉、裝載井的充水和排水，對換料水池進(jìn)行充水和排水；五是在反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)打開時(shí)，反應(yīng)堆換料水池和乏燃料水池的水處理及冷卻系統(tǒng)可保證當(dāng)余熱排出系統(tǒng)完全失效時(shí)作為該系統(tǒng)的備用；這種備用同樣允許對余熱排出系統(tǒng)進(jìn)行維修，而不降低裝置的安全水平。

二、布置概述

(一)結(jié)構(gòu)組成。

1.反應(yīng)堆換料水池。反應(yīng)堆換料水池是一個(gè)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(nèi)構(gòu)件貯存池，兩個(gè)水池之間用氣密擋板隔開，可單獨(dú)進(jìn)行充排水。池的四周和底面設(shè)置不銹鋼覆面，覆面和建筑物鋼筋混凝土之間埋有6個(gè)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(gè)長方形水池，分為四個(gè)長方形小區(qū)，從右到左依次為燃料轉(zhuǎn)運(yùn)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(gè)乏燃料水池的池壁均設(shè)有不銹鋼覆面，并設(shè)有7個(gè)引漏管，檢測覆面是否有滲漏。

乏燃料貯存池內(nèi)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(shè)排水管。

(二)設(shè)備信息。乏燃料水池冷卻系統(tǒng)設(shè)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?zé)峤粨Q器、乏燃料池水過濾器、反應(yīng)堆堆腔過濾器、乏燃料池撇沫過濾器、真空吸水灌、浮動(dòng)撇沫裝置。

(三)布置特點(diǎn)。第一，乏燃料水池冷卻系統(tǒng)功能的特殊性及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，客觀上決定了RFT系統(tǒng)設(shè)備的整體布置要圍繞在乏燃料水池附近。因此，主要冷卻設(shè)備布置在燃料廠房，靠近反應(yīng)堆水池和乏燃料水池，管道布置短，彎頭π彎少，介質(zhì)阻力小。第二，乏燃料水池冷卻系統(tǒng)一直處于低壓和低溫狀態(tài)(正常工況下運(yùn)行壓力低于0.6MPa，溫度低于50℃左右)，在進(jìn)行安全分析時(shí)并不需要考慮管道破裂。但通過合理的管道布置，可以進(jìn)一步降低管道破裂的風(fēng)險(xiǎn)。該系統(tǒng)長期運(yùn)行，即使是換料大修期間，該系統(tǒng)依然要持續(xù)提供冷卻能力，保證乏燃料水池中乏燃料處于次臨界狀態(tài)，管道長期受到?jīng)_刷和振動(dòng)，壁厚可能會(huì)變薄，容易產(chǎn)生疲勞破壞，就近布置后，減少管道長度，進(jìn)一步降低管道破裂的風(fēng)險(xiǎn)。第三，乏燃料水池冷卻系統(tǒng)的介質(zhì)是酸性的含硼水，因此整個(gè)回路都采用不銹鋼設(shè)計(jì)。除了泵、熱交換器、蝶閥和孔板由法蘭連接外，整個(gè)管道系統(tǒng)的連接都采用焊接形式。第四，乏燃料水池在電站運(yùn)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(shè)置排水管道。同時(shí)，為避免乏燃料水池出水及進(jìn)水管道破口引起水池冷卻水泄漏，出現(xiàn)低水位，導(dǎo)致乏燃料裸露在空氣中，乏燃料水池進(jìn)出水口管道標(biāo)高設(shè)計(jì)均高于乏燃料最低防護(hù)水位。

三、乏燃料水池冷卻系統(tǒng)布置原則總結(jié)

(一)冷卻回路管線布置。第一，執(zhí)行安全功能的不同系列布置在不同的隔間內(nèi)，或兩個(gè)系列之間設(shè)置防火隔墻(熱屏障)，或者根據(jù)防火規(guī)范要求，兩個(gè)安全系列之間有足夠遠(yuǎn)的距離，滿足實(shí)體隔離設(shè)計(jì)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(shí)泵入口管道變徑時(shí)要采用偏心大小頭，避免產(chǎn)生氣阱；第三，吸水管道隔離閥應(yīng)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(fā)生泄漏，則難以進(jìn)行隔離)；第四，設(shè)備進(jìn)出口管道的布置要有足有的“柔性”，合理設(shè)置支架功能，避免對設(shè)備進(jìn)出口施加額外的載荷；第五，乏燃料水池冷卻系統(tǒng)管線的布置應(yīng)能防止池水排空和池內(nèi)燃料組件露出水面，因此，冷卻回路在乏池內(nèi)的吸入口位置不能過低，同時(shí)，為減少表面懸浮物進(jìn)入系統(tǒng)，吸入口要低于發(fā)燃料水池正常水位一定高度(該高度根據(jù)規(guī)范要求為1.2m，實(shí)際布置中以系統(tǒng)手冊要求為準(zhǔn))；第六，冷卻回路回水管端部宜比存放在池內(nèi)的燃料組件高出1.8m左右，每個(gè)回水管在池水低水位以下0.5～0.6m處有一個(gè)小孔，用以破壞虹吸，因而管道破裂時(shí)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(qū)域內(nèi)均勻地分散(應(yīng)注意小孔的位置，防止孔內(nèi)出水的睡眠產(chǎn)生波動(dòng))；第七，乏燃料水池內(nèi)的吸水管和回水管應(yīng)分別布置在水池的兩側(cè)，以使乏燃料水池內(nèi)含硼水得到充分循環(huán)，防止出現(xiàn)“溝流”現(xiàn)象；第八，換熱器進(jìn)口出口管道布置要盡量減少不利的流動(dòng)狀態(tài)(例如高流阻管件、突然收縮或擴(kuò)大)；第九，對需要切換幾個(gè)閥門狀態(tài)來執(zhí)行某一系統(tǒng)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(jīng)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(yīng)合理布置，以使循環(huán)通過過濾器的池水表面積盡可能大。

(三)設(shè)備布置。設(shè)備布置應(yīng)盡量減少壓降效應(yīng)，以免妨礙系統(tǒng)充分發(fā)揮其功能。第一，冷卻泵的標(biāo)高應(yīng)遠(yuǎn)低于乏燃料水池的低水位和安全殼內(nèi)燃料貯存區(qū)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(yīng)盡可能靠近泵，便于維修時(shí)操作和減少管道疏水量；第三，冷卻器應(yīng)盡量靠近各自的冷卻泵，以減少維修時(shí)管道的疏水量；第四，撇沫泵的標(biāo)高應(yīng)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(yīng)考慮到去浮泵較低的有效壓頭；第五，撇沫過濾器應(yīng)靠近乏燃料水池布置。

四、結(jié)語

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