安全殼超壓排放工況下乏池水洗效果增強措施研究

高圣欽，付亞茹，梅其良，孫大威

安全殼超壓排放工況下乏池水洗效果增強措施研究

高圣欽，付亞茹，梅其良，孫大威

（上海核工程研究設計院有限公司，上海 200233）

在CAP1400核電廠安全殼超壓排放工況下，安全殼內的水蒸氣和不凝性氣體的混合氣體將被排往乏燃料池，為安全殼卸壓，同時乏燃料水池可對其中的放射性物質起到水洗去除的作用。為了增強該工況下乏池對放射性物質的水洗去除效果，減少安全殼超壓排放造成的廠外劑量后果，本文針對CAP1400核電廠安全殼超壓排放工況下的水洗過程，選取多個水洗關鍵參數進行敏感性分析，以研究其對乏池水洗氣溶膠的總去污因子（DF）的影響，根據分析結果和工程實際，提出了增強乏池放射性水洗效果的措施和建議，可為超壓排放裝置的優化設計等提供參考。

水洗；核電廠；嚴重事故；安全殼超壓排放；敏感性分析；氣溶膠

在核電廠發生嚴重事故時，水洗在放射性裂變產物的去除中起著重要作用，典型的例子包括BWR的抑壓水池水洗、PWR的穩壓器卸壓箱水洗以及CAP1400的乏燃料池水洗等。在CAP1400電廠的設計中，計劃在嚴重事故后，當非能動安全殼冷卻系統（PCS）失效且其他卸壓措施不可用時，將安全殼內水蒸氣和不凝性氣體的混合氣體排往乏燃料池，為安全殼卸壓，同時對其中的放射性物質起到水洗去除的作用。安全殼排出的氣體經過水洗后通過乏燃料廠房釋放到外界環境中，為了減少安全殼超壓排放造成的廠外劑量后果，有必要針對如何增強乏池對放射性的水洗效果開展進一步研究。

本文針對CAP1400核電廠安全殼超壓排放工況下的水洗過程，在深入研究放射性水洗模型的基礎上，選取多個水洗關鍵參數進行了敏感性分析，研究了其對乏池水洗氣溶膠的總去污因子（DF）的影響，根據分析結果和工程實際，提出了增強乏池放射性水洗效果的措施和建議，可為超壓排放裝置的設計等提供參考。DF的定義為進出水池的氣溶膠粒子質量之比，可反映水池對氣溶膠的滯留能力，即水洗效果。

1　水洗關鍵參數敏感性分析方法

參考文獻［1］通過對比ART、BUSCA、SUPRA、SPARC-90、SPARC-B/98等多種放射性水洗模型，推薦將SPARC-B/98水洗模型用于研究分析CAP1400核電廠安全殼超壓排放時乏池對氣溶膠的水洗效果。

德國反應堆安全研究所（GRS）開發的COCOSYS程序耦合了SPARC-B/98水洗模型，故本文擬采用COCOSYS程序進行水洗參數的敏感性分析。COCOSYS程序是基于最佳估算模型的輕水堆核電廠安全殼分析程序，能夠模擬設計基準事故和嚴重事故期間安全殼內的相關進程與現象[2]。其水洗模型將水洗過程分成三個區域，分別是射流區域、初始氣泡形成區域以及氣泡上升區域。在射流區域內，模型考慮了碰撞去除、攔截去除、分子與湍流擴散、布朗擴散、蒸氣凝結/擴散泳以及熱泳等氣溶膠去除機制；在注射通道出口區域初始氣泡的形成過程中，模型考慮了蒸氣凝結/擴散泳、布朗擴散、熱泳、離心沉積、重力沉降和慣性碰撞等氣溶膠去除機制；而在氣泡的上升區域，模型考慮了離心沉積、布朗擴散、重力沉降以及擴散泳等氣溶膠去除機制。

在用COCOSYS程序對安全殼超壓排放工況下的乏池水洗過程進行建模時，模塊劃分如圖1所示，將整個系統劃分為3個控制體，控制體R1代表安全殼；R2代表乏燃料廠房，乏池中有乏燃料格架及組件；R3代表外界環境。將含有不凝性氣體、水蒸氣以及氣溶膠的混合氣流注入控制體R1中，氣流經過超壓排放管線進入乏燃料水池中，排放管線在乏池中的出口位于乏燃料格架的上方，含有放射性氣溶膠的混合氣流經過乏池水洗后進入乏燃料廠房氣空間進而直接進入外界環境中。

圖1　COCOSYS模塊圖

在進行敏感性分析前，要選出基準工況，基準工況的參數如表1所示。在對基準工況進行模擬時，假設乏燃料廠房與外界環境相連通，使乏池上方的壓力始終保持與外界環境相同；假設注入乏池的氣溶膠粒子的尺寸分布呈對數正態分布；假設乏池喪失正常冷卻，清洗池和裝料池不能提供補水；暫不考慮乏池內乏燃料組件的衰變熱以及乏池水pH值的影響。

表1　基準工況參數

2　敏感性分析結果及討論

2.1　乏池溫度

在基準工況的基礎上，改變乏池初始溫度，得到不同乏池初始溫度情況下乏池水洗氣溶膠的總去污因子隨時間的變化如圖2所示。從圖中可以看出，水洗總去污因子的大小對乏池溫度比較敏感，乏池溫度越高，水洗總去污因子越小，出現這種現象的原因有：

（1）當乏池初始溫度升高時，在排氣通道出口的射流區域內，蒸氣冷凝/擴散泳、熱泳去除機制的減弱導致氣溶膠去污因子減小；

（2）乏池初始溫度升高時，在氣泡上升區域，蒸氣冷凝/擴散泳和熱泳去除機制的減弱也會導致的氣溶膠去污因子減小。

圖2　乏池初始溫度不同時DF隨時間的變化

2.2　排氣通道出口在乏池中浸沒深度

在基準工況的基礎上，改變排氣通道在乏池中的浸沒深度，得到不同浸沒深度情況下乏池對氣溶膠水洗的總去污因子隨時間的變化如圖3所示。該圖表明，水洗總去污因子的大小對通道出口的浸沒深度比較敏感，隨著排氣通道出口浸沒深度的增大，總去污因子也增大，這是由于排氣通道出口在乏池浸沒深度的增大，會使氣泡從通道出口上升至水池表面所需時間變長，進而增大氣泡上升區域的總去污因子。

2.3　氣溶膠粒子粒徑

在基準工況的基礎上，改變注入乏池的氣溶膠粒子的質量中位直徑，得到氣溶膠粒子質量中位直徑不同時水洗總去污因子隨時間的變化曲線如圖4所示。從圖中可以看出，在保持其他變量不變的情況下，總去污因子隨著粒子分布質量中位直徑的增大而增大。這是因為對于呈現對數正態分布的氣溶膠粒子，粒子質量中位直徑的增大會使粒子的幾何平均直徑增大，粒徑（幾何平均直徑）的增大會直接使得多種氣溶膠去除機制導致的去污因子增大，并對氣泡上升過程中氣溶膠粒子尺寸的增長產生影響。

2.4　注入乏池的混合氣體質量流量

在基準工況的基礎上，改變注入乏池的混合氣體質量流量，得到不同情況下乏池對氣溶膠水洗的總去污因子隨時間的變化如圖5所示。該圖結果表明，水洗過程中總去污因子的大小受注入的混合氣體質量流量影響十分顯著，其值隨著混合氣體質量流量的增大而減小。造成這種變化趨勢的原因是：混合氣體質量流量的增大使排氣通道出口處形成的初始氣泡體積變大，氣泡的表面積與體積比減小，進而使初始氣泡形成過程中的去污因子減小；另外，混合氣體質量流量的增大還會使排氣通道出口處形成初始氣泡所需時間以及氣泡上升過程中在乏池的停留時間減小，進而導致初始氣泡形成過程中的總去污因子以及氣泡在乏池上升過程中的總去污因子減小。

圖3　通道出口浸沒深度不同時總DF隨時間的變化

圖4　粒子質量中位直徑不同時總DF時間的變化

2.5　注入乏池的混合氣體中水蒸氣摩爾份額

在基準工況的基礎上，改變注入乏池的混合氣體中水蒸氣的摩爾份額，得到不同情況下乏池對氣溶膠水洗的總去污因子隨時間的變化如圖6所示。該圖結果表明，水洗總去污因子的大小對注入的混合氣體中水蒸氣的摩爾份額很敏感，水蒸氣的摩爾份額越高，總去污因子也越大。產生這種變化趨勢的原因有：混合氣體中水蒸氣摩爾份額的增大會直接影響到排氣通道出口處射流區域和初始氣泡形成過程中的蒸汽冷凝/擴散泳去除機制，以及氣泡上升區域中的擴散泳去除機制，使得這些去除機制導致的氣溶膠去污因子也增大；同時，混合氣體中水蒸氣份額越大，意味著不凝性氣體的份額越小，這會導致氣泡上升過程氣泡的平均直徑減小，而氣泡直徑的減小意味著氣泡表面積與體積的比值也會減小[3]，從而導致氣泡上升區域的總去污因子變大。

圖5　注入混合氣體質量流量不同時DF隨時間的變化

圖6　注入氣體中水蒸氣份額不同時DF隨時間的變化

圖7　注入的粒子密度不同時DF隨時間的變化

圖8　多孔出口的小孔直徑不同時DF隨時間的變化

2.6　注入乏池的氣溶膠粒子密度

在基準工況的基礎上，改變注入乏池的氣溶膠粒子平均密度，得到不同情況下乏池對氣溶膠水洗的總去污因子隨時間的變化如圖7所示。該圖結果表明，水洗過程中總去污因子的大小對注入氣溶膠粒子的密度很敏感，其值隨著氣溶膠粒子密度的增大而顯著增大。這是因為氣溶膠粒子密度的增大會影響以下氣溶膠去除機制導致的去污因子的大小：發生在排氣通道出口射流區域的碰撞去除及分子與湍流擴散等氣溶膠去除機制；發生在排氣通道出口初始氣泡形成過程中的離心沉積、重力沉降和慣性碰撞等氣溶膠去除機制；發生在氣泡在乏池上升過程中的離心沉積和重力沉降等氣溶膠去除機制；其綜合效應是使水洗總去污因子增大。

2.7　多孔出口小孔直徑和小孔數目

調整多孔出口的小孔直徑，分別設定為0.5 cm、1.0 cm、1.5 cm和2.0 cm，在這4種不同情況下乏池對氣溶膠水洗的總去污因子隨時間的變化如圖8所示。保持基準工況的其他參數不變，調整多孔出口的小孔數目，分別設定為100、300、600、900、1 200，在這5種不同情況下乏池對氣溶膠水洗的總去污因子隨時間的變化如圖9所示。圖8表明，在其他條件相同時，小孔直徑在小范圍內（0.5～2 cm）變化時，水洗過程的總去污因子受影響很小；而圖9表明，小孔的數目越多，水洗過程的總去污因子越大，但和氣溶膠的尺寸分布等因素相比，水洗總去污因子對小孔數目的敏感性要小很多。

圖9　多孔出口的小孔數目不同時總DF隨時間的變化

2.8　小結

從關鍵參數敏感性分析結果可以看出，能對乏池水洗效果產生重要影響的參數有注入乏池的氣溶膠粒子粒徑、混合氣體質量流量以及氣溶膠粒子密度、混合氣體中水蒸氣的摩爾份額、乏池溫度以及通道出口在乏池的浸沒深度；對乏池水洗效果影響較小的有多孔出口的小孔數目；對乏池水洗效果影響很小或幾乎沒有影響的參數有多孔出口的小孔直徑（一定范圍內）。

3　增強乏池水洗效果的措施和建議

根據上述參數敏感性分析結果，由于氣溶膠粒徑、密度以及注入乏池的混合氣體中水蒸氣摩爾份額等參數主要由超壓排放嚴重事故序列的事故進程所決定，因此，在給出增強水洗效果的措施和建議時，可重點從改變乏池水溫、改變注入乏池的混合氣體流量、改善超壓排氣裝置的設計以及增大排氣口的浸沒深度等角度考慮。

根據乏池水洗氣溶膠的參數敏感性分析結果，結合工程實際，提出以下增強乏池水洗效果的措施和建議：

（1）在CAP1400安全殼超壓排放過程中，排入乏池的高溫高壓氣體會使乏池水迅速升溫，甚至發生沸騰，不利于裂變產物氣溶膠的水洗去除。因此，可以考慮采取相關措施降低乏池溫度，如保證乏燃料池冷卻系統的投入使用，使乏池水保持過冷態，以增強乏池對放射性氣溶膠的水洗效果。

（2）可以考慮采取措施增大安全殼向乏池超壓排氣管道的阻力系數，以減小排入乏池的混合氣體質量流量，從而增強乏池對放射性氣溶膠的水洗效果。

（3）乏池內超壓排氣裝置計劃采用多孔排氣口形式，而多孔排氣口可以設計成圖10和圖11的形式，結合工程實際，考慮到圖10的排氣口形式在乏池內會占用更多的空間，影響到多個乏燃料貯存格架，因此建議將超壓排氣裝置設計成圖11的形式。根據本文3.7節，小孔直徑在小范圍內變化時，水洗過程的總去污因子受影響很小；且小孔數目越多，水洗效果越好，綜合考慮到超壓排氣裝置管長度、大小的限制以及在排氣管上開不同直徑小孔的施工難度，建議在該裝置的豎直方向上設置不少于300個10 mm的排氣孔，排氣孔方向朝向乏燃料池中心，避免直接沖擊池壁。

（4）可以考慮在確保超壓排氣裝置位于燃料格架頂標高之上的前提下，盡可能增大超壓排氣裝置出口在乏池的浸沒深度，以增強乏池對放射性氣溶膠的水洗效果。

圖10　多孔排氣口形式一

圖11　多孔排氣口形式二

［1］ Shengqin Gao，et al. Comparison research on different pool scrubbing models［C］Proceedings of the 25th International Conference on Nuclear Engineering，ASME，2017.

［2］ W Klein-Hebling，et al. COCOSYS V2.4 user’s manual［R］. GRS，2013.

［3］ 李玉祥，周彥，佟立麗．氣泡尺寸對氣溶膠水洗效果計算的影響［J］．核技術，2020，43（9）：090604.

Study on the Measures to Enhance Spent Fuel Pool Scrubbing Effect under Containment Overpressure Release Condition

GAO Shengqin，FU Yaru，MEI Qiliang，SUN Dawei

（Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute，Shanghai 200233，China）

Under the CAP1400 containment overpressure release condition, the mixture of steam, non-condensable gas and radioactive materials in the containment will be discharged into the spent fuel pool so that the containment pressure could be reduced, and the radioactive materials could be removed by the spent fuel pool at the same time. In order to enhance the pool scrubbing effect of the spent fuel pool under such condition and to reduce the offsite dose consequence caused by the containment overpressure release, in this paper, several essential parameters specific to this pool scrubbing process are selected to conduct the sensitivity study to investigate their effect on the overall aerosol decontamination factor (DF). Combing the sensitivity study results and engineering practice, several measures and suggestions used to enhance the spent fuel pool scrubbing effect are proposed, which could provide reference for the optimization design of the overpressure release device.

Pool scrubbing; Nuclear power plant; Severe accident; Containment overpressure release; Sensitivity study; Aerosol

TL329+.3

A

0258-0918（2021）06-1275-06

2020-11-11

國家科技重大專項課題“CAP1400核電廠安全增強措施研究”（2017ZX06002003）

高圣欽（1990—），山東煙臺人，工程師，碩士研究生，現主要從事核電廠輻射源項分析及放射性后果評價相關研究