核電廠乏燃料水池嚴重事故分析

史曉磊 張應超 魏嚴凇

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

關鍵詞：乏燃料;乏燃料水池;乏池失水事故;嚴重事故

中圖分類號：TL364? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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內外對乏池安全問題的重視，國內外針對福島4號機組乏池進行了大量分析和試驗研究[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外電源的嚴重事故。

1 核電廠乏池計算模型

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

將長方形乏池按深度保持不變，截面積相等的原則等效成一個圓柱形水池，將圓柱形水池分為內外兩部分，內部存放燃料組件的部分按照同樣的原則等效成實心圓柱體;外部不存儲燃料組件的部分等效成空心圓柱體;組件套筒和儲存架隔板等效成一個大圓環，將等效乏池的內外兩部分隔開。詳見圖1所示。

乏池有三種運行模式：正常換料、正常儲存和事故工況。本文分析正常換料時乏池失水事故。計算中，假設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，破口流道長度近似設為2m，流道正反形阻系數和壅塞流系數均取缺省值。破口為零，實際上是指正常換料時全廠斷電事故的計算結果。

2 結果和討論

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間的變化見圖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越早。無破口，事故開始后8天左右活性段裸露，12天左右水池干涸。而當破口等效直徑為10cm時，事故開始后不到3小時活性段裸露，5小時左右水池干涸。

乏池平均水位降速度與破口尺寸關系見圖3所示，該曲線是破口泄漏和蒸發共同作用的結果，所以破口尺寸為零時，水位降速率并不為零。根據圖3可以簡單地判斷乏池是否發生了破裂，近似地估算破口的尺寸。

鋯水反應氫氣的產量與破口尺寸的關系見圖4所示。氫氣產量是事故開始到乏池干涸這段時間的計算結果，氫氣產量隨破口等效直徑增大而減小。從氫氣產量隨破口尺寸變化趨勢來看，破口越大，池芯的損傷程度反而越小。

堆芯裸露過程，釋放出來的裂變產物總量與破口等效直徑關系如圖5所示。從圖5中可以看到，裂變產物釋放總量與破口等效直徑近似為反比關系。

3 結論

乏池失水疊加失去廠內外電源事故會發生燃料熔化的嚴重事故。破口尺寸越大，進程越快，由于失水，事故進程快，鋯水反應的強度減小和反應時間變短，燃料熔化的份額減小。在乏池裸露過程，氫氣產量和釋放出來的放射性裂變產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程，池芯長時間不能得到冷卻，燃料還會在衰變熱作用下繼續升溫并熔化，氫氣產量和裂變產物釋放量還會增加。

參考文獻：

[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.