華龍一號防止乏燃料水池硼水結(jié)晶措施分析

皮 月 侯 婷 姚亦珺

“華龍一號”是我國具備完整自主知識產(chǎn)權(quán)的三代先進(jìn)壓水堆核電型號，福清核電站5 號機(jī)組作為“華龍一號”首堆示范工程已于2015 年5 月7 日開工建設(shè)。福清核電廠位于我國東海海岸，根據(jù)平潭海洋站的監(jiān)測資料，冬季海水溫度會出現(xiàn)8℃的低溫，此時(shí)乏燃料水池水溫也會相應(yīng)降低，乏燃料水池水溫低于10℃時(shí)可能導(dǎo)致硼結(jié)晶，使乏燃料的安全貯存帶來巨大風(fēng)險(xiǎn)。因此，提出防止乏燃料水池硼水結(jié)晶措施對電廠安全運(yùn)行至關(guān)重要。本文介紹了華龍一號乏燃料水池冷卻系統(tǒng)和設(shè)備冷卻水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，分析了福清核電站廠址條件對冬季乏燃料貯存的影響，提出防止福清廠址核島機(jī)組乏燃料水池硼水結(jié)晶的措施，并進(jìn)行換熱計(jì)算對措施進(jìn)行驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

電廠中經(jīng)過一個(gè)燃料循環(huán)從堆芯換出的乏燃料要貯存在乏燃料水池中，水池的含硼水用來帶走已輻照燃料元件所釋放的余熱并對人員提供生物防護(hù)。池水是通過乏燃料水池冷卻系統(tǒng)（簡稱乏池冷卻系統(tǒng)）進(jìn)行循環(huán)冷卻，系統(tǒng)中配有換熱器將熱量傳遞給設(shè)備冷卻水系統(tǒng)，再由設(shè)備冷卻水系統(tǒng)將熱量傳遞給重要廠用水系統(tǒng)最終導(dǎo)入海水。乏池冷卻系統(tǒng)和設(shè)備冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)要按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則開展。

1.1 乏池冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

乏池冷卻系統(tǒng)根據(jù)電廠運(yùn)行情況可分為三個(gè)工況：

1.1.1 正常貯存工況

乏池冷卻系統(tǒng)提供一個(gè)冷卻系列導(dǎo)出余熱。

正常貯存工況，在水池中貯存每次卸出的堆芯燃料組件，其最大值為貯存14 次的乏燃料組件量。此時(shí)水池中空出的位置足夠放置整個(gè)堆芯燃料組件量以備事故需要，熱負(fù)荷如表1所示。

1.1.2 正常換料工況

乏池冷卻系統(tǒng)提供兩個(gè)冷卻系列導(dǎo)出余熱。

正常換料工況，是在14 次乏燃料貯存的基礎(chǔ)上，整個(gè)堆芯燃料組件全部卸入乏燃料水池，在將未更換部分堆芯組件返回堆芯之前的這段時(shí)間，余熱大，水溫高，雖然時(shí)間不長，但仍需給予關(guān)注，熱負(fù)荷如表1 所示。

1.1.3 事故工況

乏池冷卻系統(tǒng)提供兩個(gè)冷卻系列導(dǎo)出余熱。

事故工況是指反應(yīng)堆發(fā)生事故后，需要全堆強(qiáng)迫卸料，因事故之后，希望將燃料組件盡快卸出，因此冷卻時(shí)間為5 天，其最大值發(fā)生在14 次卸料后，同時(shí)考慮事故發(fā)生在平衡循環(huán)末期，因?yàn)榇藭r(shí)強(qiáng)迫卸料的危險(xiǎn)最大，熱負(fù)荷如表1 所示。

從上述設(shè)計(jì)準(zhǔn)則可以看出，為保證換料末期乏燃料水池的安全運(yùn)行，系統(tǒng)容量按照最大剩余熱功率考慮，因此在電廠運(yùn)行初期，乏燃料較少的情況下，會出現(xiàn)發(fā)熱量較小換熱能力過強(qiáng)的現(xiàn)象。

1.2 設(shè)備冷卻水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

設(shè)備冷卻水系統(tǒng)根據(jù)電廠運(yùn)行情況可分為六個(gè)工況：

當(dāng)海水最高溫度為T7℃時(shí)，提供的設(shè)備冷卻水最高溫度為35℃，但下述情況除外：在進(jìn)入冷停堆和次臨界停堆工況下，當(dāng)海水最高溫度為T7℃時(shí)，供給的冷卻水溫度為40℃；在失冷卻劑事故（LOCA）工況下，當(dāng)海水最高溫度為Tmax℃時(shí)，供給的冷卻水溫度為45℃。

表1 不同工況下乏燃料水池最大剩余功率

表2 不同工況下海水溫度和設(shè)備冷卻水溫度設(shè)計(jì)要求

（1）T7：歷年最高第七日平均水溫。

（2）Tmax：歷史最高水溫。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，設(shè)備冷卻水系統(tǒng)的冷卻能力相當(dāng)于電站在各種工況下需要同時(shí)運(yùn)行的各種設(shè)備的總熱負(fù)荷。因此，當(dāng)機(jī)組冬季運(yùn)行，海水溫度低于10℃時(shí)，設(shè)備冷卻水溫度會遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值，對于乏燃料來說就會出現(xiàn)冷卻水溫度較低甚至接近硼結(jié)晶溫度的風(fēng)險(xiǎn)。

2 福清核電站冷卻水溫度

根據(jù)福清現(xiàn)場運(yùn)行情況反饋，2018 年2 月出現(xiàn)低溫氣象，最低氣溫達(dá)到2℃左右，此時(shí)運(yùn)行的設(shè)備冷卻水溫度到12℃左右，福清2 號機(jī)乏燃料水池水溫在13℃左右。根據(jù)技術(shù)規(guī)范要求乏燃料水池溫度低于10℃不允許在燃料廠房進(jìn)行任何操作，在溫度低于7℃機(jī)組要后撤到停堆狀態(tài)。為了防止上述風(fēng)險(xiǎn)出現(xiàn)，首先對福清廠址的歷年海水溫度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，計(jì)算出最低日平均水溫及歷史最低溫度，再根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)提出運(yùn)行措施。

依據(jù)福清廠址2006 年3 月的觀測資料與平潭同期資料建立了相關(guān)關(guān)系：

廠址站與平潭站表層水溫相關(guān)方程是：

圖1 廠址站與平潭站表層水溫相關(guān)圖（2006 年3 月）

根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，平潭站最低日平均水溫值為10.9℃，根據(jù)廠址和平潭站的相關(guān)方程（式1）推算的廠址的最低日平均水溫值為8.7℃。平潭站歷史最低測量海水溫度為7.2℃，推算的廠址的最低海水溫度為5.4℃。另外根據(jù)電廠運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)，設(shè)備冷卻水系統(tǒng)的用戶一般不會全部投入運(yùn)行，機(jī)組冬季滿功率運(yùn)行期間設(shè)備發(fā)熱量一般占設(shè)計(jì)值的50%左右。因此可推算，該廠址條件下冬季機(jī)組正常運(yùn)行期間，設(shè)備冷卻水最低運(yùn)行溫度為8.16℃。

3 福清核電機(jī)組采取的應(yīng)對措施

乏燃料水池的冷卻是通過乏池冷卻系統(tǒng)的換熱器將乏池水的熱量傳遞給設(shè)備冷卻水來實(shí)現(xiàn)的，為防止乏燃料水池硼水結(jié)晶可以采取兩種措施，一種是減少換熱器冷側(cè)設(shè)備冷卻水的流量，另一種是減少換熱器熱側(cè)乏池水的流量。福清核電機(jī)組乏燃料水池冷卻系統(tǒng)的示意圖如圖2、3 所示[1]。

圖2 福清1-4 號機(jī)組乏池冷卻水與設(shè)備冷卻水換熱示意圖

圖3 福清5、6 號機(jī)組華龍一號乏池冷卻水與設(shè)備冷卻水換熱示意圖

如圖2 所示，福清1-4 號機(jī)組采用1/3 堆芯換料方式，設(shè)備冷卻水系統(tǒng)的溫度為35℃時(shí)，乏燃料水池冷卻系統(tǒng)單列運(yùn)行，設(shè)備冷卻水側(cè)串聯(lián)運(yùn)行，保證乏燃料水池的溫度低于50℃。為了防止乏燃料水池硼水結(jié)晶，當(dāng)設(shè)備冷卻水水溫低于15℃可以通過換熱器的旁通管線分流部分冷卻水，使得乏池水溫提高，避免硼水結(jié)晶。

如圖3 所示，華龍一號采用全堆芯卸料方式，貯存工況下乏燃料水池冷卻系統(tǒng)單列運(yùn)行（如運(yùn)行001 系列），設(shè)備冷卻水側(cè)并聯(lián)運(yùn)行。為了防止乏燃料水池硼水結(jié)晶，當(dāng)設(shè)備冷卻水水溫低于15℃可以通過開啟003 或002RF，旁通部分乏池水，最終高溫乏池水和冷卻后的低溫乏池水混合后提高乏池溫度。

上述兩種措施都可以實(shí)現(xiàn)提高乏池水溫度防止硼水結(jié)晶，需要通過換熱計(jì)算驗(yàn)證措施有效性。

4 換熱計(jì)算及分析

4.1 計(jì)算方法

華龍一號乏池冷卻系統(tǒng)為了較少設(shè)備廠房空間，采用板式換熱器與設(shè)備冷卻水進(jìn)行換熱。由于板式換熱器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其換熱性能受板片組合、板片波紋角度、板片波紋深度等參數(shù)影響較大[2]，通常采用的計(jì)算方法如下[3]。

4.1.1 傳熱基本方程式

式中，Q 為傳熱量，J/s；A 為換熱面積，m2；K 為總傳熱系數(shù)，W/（m2·K）Δtm為傳熱平均溫差，對數(shù)平均溫差乘以板片組合校正系數(shù)，℃

4.1.2 換熱量計(jì)算式

式中，qm為流體質(zhì)量流量，kg/s；Cp為流體比熱容，J/（kg·K）；t'和t"為分別表示某側(cè)流體進(jìn)出口溫度，℃

4.1.3 總傳熱系數(shù)計(jì)算式

式中，α1和α2分別為板片兩側(cè)的傳熱膜系數(shù)，W/（m2·K）；R1和R2為板片兩側(cè)污垢系數(shù)，m2·K/W；δP為板片厚度，m；λP為板片導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m2·K）。

4.2 乏燃料衰變熱計(jì)算

以華龍一號機(jī)組為例進(jìn)行衰變熱計(jì)算，對于停堆卸入乏池的整個(gè)堆芯的衰變熱如圖4 所示[1]。

表3 不同換料批次最小衰變熱

表4 乏池流量不變、乏池入口溫度45℃時(shí)所需的最小冷卻水流量

圖4 停堆卸入乏池的堆芯衰變熱曲線

換料方式是在第三次換料后，由年換料調(diào)整為18 個(gè)月?lián)Q料模式（每次卸出68 個(gè)燃料組件），池內(nèi)貯存的乏燃料組件數(shù)量以及池內(nèi)衰變熱如表3 所示。

4.3 乏燃料水池水溫計(jì)算

一般在換料工況下，不會出現(xiàn)硼水結(jié)晶的情況。因?yàn)閾Q料時(shí)，熱負(fù)荷最小為6.12MW，在設(shè)冷水入口溫度最小為8.16℃時(shí)，乏池入口溫度為17.4℃，出口溫度為10.14℃。不會到達(dá)硼結(jié)晶閾值。因此，換料工況不存在硼水結(jié)晶的風(fēng)險(xiǎn)。

對于措施一旁通設(shè)備冷卻水流量的方式，正常貯存時(shí)，當(dāng)設(shè)冷水入口溫度最小為8.16℃時(shí)，保持乏池入口溫度為45℃，所需的最小冷卻流量，如表4 所示。

對于措施二旁通乏池水流量的方式，冷卻水入口溫度8.16℃時(shí)，保持冷卻水側(cè)流量不變時(shí)，乏池側(cè)進(jìn)出口溫度如表5所示。

從表4 表5 可以看出，采用調(diào)整設(shè)備冷卻水的方案，可以保證乏池內(nèi)水溫始終高于報(bào)警值的要求，當(dāng)冬季氣溫較低時(shí)，晝夜海水溫度起伏變化，最低海水溫度可能出現(xiàn)在某個(gè)時(shí)刻，為減少操作員動作可以調(diào)整冷卻水到最小流量，不需要根據(jù)水溫實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。采用調(diào)整乏池水的方案，同樣可以實(shí)現(xiàn)防止乏池內(nèi)硼水結(jié)晶，但是對于換熱器出口混合前的局部管道內(nèi)可能出現(xiàn)溫度較低的情況，如果換熱流量較低需要操作員關(guān)注局部的硼結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)。

表5 冷卻水流量不變、乏池入口溫度45℃時(shí)所需的最小乏池流量

5 結(jié)論

本文為防止華龍一號乏燃料水池硼水結(jié)晶提出兩種運(yùn)行措施，措施一是減少換熱器冷側(cè)設(shè)備冷卻水的流量，措施二是減少換熱器熱側(cè)乏池水的流量。通過換熱計(jì)算，兩種措施都可以降低硼結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)，采用措施二時(shí)需要關(guān)注換熱器出口的乏池水溫度防止局部產(chǎn)生硼結(jié)晶。