乏燃料水池多樣性補給分析

范坤良　馬太義　徐成軍

【摘 要】福島事故后，乏燃料水池（SFP）在事故后的安全性得到廣泛的關注。乏燃料水池冷卻系統是非安全相關系統，不需要在事故后運行。但必須保證乏燃料水池在超設計基準事故后的冷卻能力。本文介紹了乏燃料水池多樣性補給方式在整個核電站事故管理中的作用，并針對《多樣性與靈活性應對措施執行導則》在SFP補給能力上的應用進行對比分析。

【關鍵詞】SFP；多樣性；超設計基準事故

0 概述

核燃料達到一定燃耗深度從堆芯卸載出來后仍有較大的衰變熱，不能立即處理，需暫存在乏燃料水池（SFP）中。乏燃料水池冷卻系統（SFS）用來排出貯存的乏燃料產生的衰變熱，從而將乏燃料水池中的溫度維持在可接受的溫度范圍。AP1000 SFS系統用于正常運行期間導出衰變熱，是非安全相關的系統。但乏燃料水池在發生超設計基準事故或外部災害事件（包括地震、水淹、海嘯等自然災害事件和火災、小飛機撞擊等認為事件）時的安全性一直是核電廠設計的重點。

在日本福島核事故中，海嘯超過了電站的設計基準并且淹沒了電廠緊急電源和電力輸送系統。這種持續的喪失電源嚴重危及堆芯冷卻和安全殼完整性等重要的安全功能。當失去電源也影響到SFP的冷卻功能時，需要維持SFP內足夠的水容量以防止燃料失去冷卻而損壞。襲擊福島核電廠的海嘯等級超過了電站設計基準，盡管現在預測超設計基準外部事件（BDBEE）等級和頻率的能力已經提高，且電站的設計基準有一定余量，仍然有可能發生超設計基準外部事件。因此，盡管不可能，在電站的設計和許可證的發放時仍考慮外部事件可能超過設計基準的假設，如同福島事故發生的那樣。為了加強核電站的安全性，美國核能協會（NEI）提出增加多樣性和靈活性應對措施（FLEX）來針對潛在的超設計基準外部事件可能引起的后果。

1 FLEX的目標和指導原則

FLEX措施將包括利用貯存在廠內的現場設備和為了長期事故響應提供額外材料和設備廠外設備。通過向重要的安全功能提供多種電源和水，FLEX可以緩解超設計基準外部事件導致的后果。

FLEX的目的是建立不定期的應對能力來防止反應堆和乏燃料水池中的燃料損壞，且通過利用已安裝設備，現場便攜式設備和預貯存的廠外資源維持安全殼功能。FLEX措施關注維持或者重啟重要的電站安全功能，不關注具體的損壞狀態或者外部事件的機械評估。應對這些工況的基本措施包括以下3個階段：

1）最初的應對措施依靠已安裝的電站設備；

2）從已安裝電站設備到現在FLEX設備的過渡；

3）從廠外設備獲得額外的能力和冗余，直到電源，水和冷卻劑注入系統重新啟動或在役。

每個電站的具體分析將決定每個階段的持續時間。已損壞電站的恢復不在FLEX的能力范圍內，因為具體的行動和能力將與電站的具體情況有關，且這些情況不能預先知道。

假想的對反應堆安全影響最大的超設計基準事故導致的后果是喪失電源和失去最終熱井。本文分析增加多樣性和靈活性緩解措施（FLEX）的方法，它將針對電廠的所有機組同時發生持續失去交流電源（ELAP）和最終熱井不可達（LUHS）時加強超設計基準事故方案的縱深防御。

2 乏燃料水池多樣性補給方式

外部災害情況下SFP補給措施包括內部措施和外部措施。內部措施包括電廠內不同補給方式的執行，以提供至少500gpm的SFP補給能力。外部措施包括采用移動式補給源和噴淋來加強特定電廠事故響應的多樣性和靈活性。外部措施的導則用來確定外部措施是否需啟動及噴淋模式是否恰當。SFP的補給措施旨在強化特定核電廠的總體響應能力，為了有效開展這些措施，電站需建立程序/導則用于指導措施的正確實施。SFP內、外部補給及噴淋措施的決策程序如圖1所示：

2.1 SFP內部補給措施

內部補水措施的目的是建立SFP多樣補給方法使其補給能力不小于500gpm。

在失去正常SFS冷卻的條件下，兩條抗震管道能提供SFP的應急補水以便支持事故后7天的乏燃料衰變熱導出。SFP的補給水源見表1：

表1 SFP內部補給水源

1）當SFP衰變熱小于等于4.0MWt時，無需補水，乏燃料水池及燃料轉運通道內的水可維持乏燃料冷卻72小時。

2）當SFP衰變熱大于4.0MWt而小于等于5.0MWt時，來自容器沖洗井（CWP）的補給水足以冷卻乏燃料72小時。

3）當SFP衰變熱大于5.0MWt而小于等于7.0MWt時，安全相關水源CWP和CLP可以維持乏燃料水池冷卻72小時。

4）當SFP衰變熱大于7.0MWt時，PCS儲水箱和PCS輔助儲水箱單獨或者共同提供的補水可以實現乏燃料水池冷卻至少7天。

2.2 SFP外部補給措施

一般情況下，核電廠事件的進程遠不只7天。事故后乏燃料水池內部補給措施只能夠保證乏燃料水池7天內維持在可冷卻狀態，這為進行后續緩解措施提供了充足的準備時間。當事故發展到需要外部措施時，關注的措施就從內部補給措施轉移到外部補給措施上。外部補給措施主要包括兩個功能：SFP補給和噴淋。噴淋是在SFP水位無法維持時使用。外部措施同樣是針對特定廠址的，而與事故過程無關，它不要求立即執行且可以依靠相同的泵或者水源。外部補給措施所用到的設備必須定期檢查，確保處于隨時備用狀態。

2.2.1 外部補水

外部補水的目的是利用移動電源和泵建立一套靈活的補給裝置，使SFP的補給流量不小于500gpm。與內部措施不同的是，外部措施不需要同時執行，也可以利用相同的水源。水源可以使廠內的消防水車或者便攜式泵。泵可以采用柴油機驅動，也可以采用廠內交流電源。

SFP的外部補給水源主要來自消防系統，包括廠內主消防水箱，廠內輔助消防水箱和消防水車。消防水通過PCS系統的接口實現向SFP的注入。

2.2.2 外部噴淋

外部噴淋的目的是利用移動電源和泵建立一套靈活的噴淋裝置，使其SFP噴淋流量不小于200gpm。噴淋水源與外部補給水源可以相同，泵可以采用柴油機驅動，也可以采用交流電源驅動。

SFP泄漏率超過補給率時會導致乏燃料水池排干，當SFP內液位低于LL液位報警值時，SFP噴淋啟動。SFS設計兩列冗余的噴淋系統，PCCWST內的冷卻水通過重力驅動輸送到SFP東側的噴嘴，或者采用柴油驅動的FPS便攜式消防泵將消防水輸送至SFP西側的噴嘴。噴嘴的布置應滿足對SFP必要的部分有足夠的冷卻流量。

3 結論及存在的問題

針對核電站可能發生超設計基準外部災害，為了保障乏燃料水池的冷卻，采取了多樣性的補給措施，可以有效避免發生類似福島的核事故。本文結合核電站的事故管理程序，介紹了乏燃料水池多樣性補給方式在整個核電站事故管理中的作用，并針對《多樣性與靈活性應對措施執行導則》在SFP補給能力上的應用進行對比分析。多樣性與靈活性應對措施在乏燃料水池補給方式上的應用加強了核電站的縱深防御能力。

【參考文獻】

[1]NEI 06-12，B.5.b Phase 2&3 Submittal Guideline R3，2009[Z].

[2]NEI 12-06， Diverse and Flexible Coping Strategies（FLEX） Implementation Guide R0，2012[Z].

[責任編輯：王楠]