核電廠乏燃料水池嚴(yán)重事故分析

史曉磊 張應(yīng)超 魏嚴(yán)凇

摘? 要：福島核事故后，乏燃料水池安全引起廣泛關(guān)注。文章利用MELCOR程序建立了核電廠乏燃料水池嚴(yán)重事故分析模型，分析了乏燃料水池失水疊加全廠斷電事故。計(jì)算表明，在乏池干涸以前，破口等效直徑越大，事故進(jìn)程越快，而燃料破損熔化的份額越小，氫氣產(chǎn)量和釋放的放射性裂變產(chǎn)物的量越少。

關(guān)鍵詞：乏燃料;乏燃料水池;乏池失水事故;嚴(yán)重事故

中圖分類號(hào)：TL364? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）23-0085-02

Abstract： After the Fukushima nuclear accident， the safety of spent fuel pool has aroused widespread concern. In this paper， a serious accident analysis model of spent fuel pool in nuclear power plant is established by using MELCOR program， and the accident of water loss and superimposed power outage in spent fuel pool is analyzed. The calculation shows that the larger the equivalent diameter of the break， the faster the accident process， and the smaller the share of fuel melting， and the less hydrogen production and radioactive fission products are released.

Keywords： spent fuel; spent fuel pool; water loss accident; serious accident

日本福島核事故引起國(guó)內(nèi)外對(duì)乏池安全問(wèn)題的重視，國(guó)內(nèi)外針對(duì)福島4號(hào)機(jī)組乏池進(jìn)行了大量分析和試驗(yàn)研究[1-2]。本文采用MELCOR程序分析秦山第二核電廠乏池失水疊加失去廠內(nèi)外電源的嚴(yán)重事故。

1 核電廠乏池計(jì)算模型

乏池呈長(zhǎng)方形，尺寸為12.6m×8m×12.01m，池底標(biāo)高7.49m，池面標(biāo)高19.5m，池壁上邊緣標(biāo)高20m，水體積1260m3，池面積107m2。

將長(zhǎng)方形乏池按深度保持不變，截面積相等的原則等效成一個(gè)圓柱形水池，將圓柱形水池分為內(nèi)外兩部分，內(nèi)部存放燃料組件的部分按照同樣的原則等效成實(shí)心圓柱體;外部不存儲(chǔ)燃料組件的部分等效成空心圓柱體;組件套筒和儲(chǔ)存架隔板等效成一個(gè)大圓環(huán)，將等效乏池的內(nèi)外兩部分隔開(kāi)。詳見(jiàn)圖1所示。

乏池有三種運(yùn)行模式：正常換料、正常儲(chǔ)存和事故工況。本文分析正常換料時(shí)乏池失水事故。計(jì)算中，假設(shè)破口的等效直徑分別為0、1、2、3、......、10cm。考慮水池底面和四周墻壁厚度都在1m以上，破口流道長(zhǎng)度近似設(shè)為2m，流道正反形阻系數(shù)和壅塞流系數(shù)均取缺省值。破口為零，實(shí)際上是指正常換料時(shí)全廠斷電事故的計(jì)算結(jié)果。

2 結(jié)果和討論

正常換料工況下不同破口等效直徑的失水事故乏池水位隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖2所示，從圖2中可以看出，隨著破口尺寸變大，活性段裸露和水池干涸越來(lái)越早。無(wú)破口，事故開(kāi)始后8天左右活性段裸露，12天左右水池干涸。而當(dāng)破口等效直徑為10cm時(shí)，事故開(kāi)始后不到3小時(shí)活性段裸露，5小時(shí)左右水池干涸。

乏池平均水位降速度與破口尺寸關(guān)系見(jiàn)圖3所示，該曲線是破口泄漏和蒸發(fā)共同作用的結(jié)果，所以破口尺寸為零時(shí)，水位降速率并不為零。根據(jù)圖3可以簡(jiǎn)單地判斷乏池是否發(fā)生了破裂，近似地估算破口的尺寸。

鋯水反應(yīng)氫氣的產(chǎn)量與破口尺寸的關(guān)系見(jiàn)圖4所示。氫氣產(chǎn)量是事故開(kāi)始到乏池干涸這段時(shí)間的計(jì)算結(jié)果，氫氣產(chǎn)量隨破口等效直徑增大而減小。從氫氣產(chǎn)量隨破口尺寸變化趨勢(shì)來(lái)看，破口越大，池芯的損傷程度反而越小。

堆芯裸露過(guò)程，釋放出來(lái)的裂變產(chǎn)物總量與破口等效直徑關(guān)系如圖5所示。從圖5中可以看到，裂變產(chǎn)物釋放總量與破口等效直徑近似為反比關(guān)系。

3 結(jié)論

乏池失水疊加失去廠內(nèi)外電源事故會(huì)發(fā)生燃料熔化的嚴(yán)重事故。破口尺寸越大，進(jìn)程越快，由于失水，事故進(jìn)程快，鋯水反應(yīng)的強(qiáng)度減小和反應(yīng)時(shí)間變短，燃料熔化的份額減小。在乏池裸露過(guò)程，氫氣產(chǎn)量和釋放出來(lái)的放射性裂變產(chǎn)物隨破口尺寸增大而減少。但是，如果在乏池干涸之前不能終止事故進(jìn)程，池芯長(zhǎng)時(shí)間不能得到冷卻，燃料還會(huì)在衰變熱作用下繼續(xù)升溫并熔化，氫氣產(chǎn)量和裂變產(chǎn)物釋放量還會(huì)增加。

參考文獻(xiàn)：

[1]Jeffrey Cardoni，? MELCOR Model for an Experimental 17x17 Spent Fuel PWR Assembly， SAND2010-8249， November 2010.

[2]Sandia National Laboratories， MELCOR Computer Code Manuals， Version 1.8.5， NUREG/CR-6119， Vols. 1， 2 and 3， Rev.2， SAND2000-2417/1， October 2000.