□李曉正

2011年3月11日，日本宮城縣北部發(fā)生9級(jí)地震，當(dāng)時(shí)福島第一核電廠4號(hào)機(jī)組處于停堆檢修狀態(tài)，乏燃料水池中存放著維修時(shí)卸出的燃料組件和先前儲(chǔ)存的乏燃料，占總儲(chǔ)存容量的97%。由于地震和海嘯造成交流電源全部喪失，乏燃料水池的冷卻功能和水補(bǔ)給功能喪失使得其沸騰并導(dǎo)致水位下降，此外3號(hào)機(jī)組排氫通過(guò)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)入4號(hào)機(jī)組安全殼，氫氣累積造成的爆炸使廠房受到嚴(yán)重?fù)p壞，隨后乏池起火造成部分放射性物質(zhì)外泄。福島事故后，國(guó)家核安全監(jiān)管部門(mén)開(kāi)展了對(duì)運(yùn)行和在建核電項(xiàng)目全面核安全檢查，并提出了一系列整改要求，核電廠根據(jù)福島事故經(jīng)驗(yàn)反饋制定了改進(jìn)思路和改進(jìn)方法。

一、乏池監(jiān)測(cè)及應(yīng)急補(bǔ)水的改進(jìn)思路

反應(yīng)堆換料水池和乏燃料水池冷卻和處理系統(tǒng)主要作用是對(duì)貯存池中的乏燃料保持持久冷卻、向換料水池充排水和雜質(zhì)凈化。其保持對(duì)乏燃料持久冷卻，其目標(biāo)是將乏池中燃料組件中的殘余熱功率持續(xù)導(dǎo)出，同時(shí)保持乏燃料水池中的有效屏蔽水位，保持乏燃料水池內(nèi)乏燃料組件處于次臨界狀態(tài)。乏燃料水池的水通過(guò)浸入水下的管道，經(jīng)熱交換器由設(shè)備冷卻水RRI冷卻，再經(jīng)過(guò)孔板返回水池，實(shí)現(xiàn)乏燃料剩余熱量的導(dǎo)出。系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩列的泵和熱交換器，正常運(yùn)行時(shí)單列運(yùn)行，其流量正常為360m3/h(包括除鹽過(guò)濾回路的凈化流量60m3/h)，作為備用系列的泵和熱交換器，只有在熱負(fù)荷較大(或水溫上升較快)時(shí)，才投入水池冷卻，兩列同時(shí)投入。乏池的設(shè)計(jì)原則包括以下工況。

(一)正常換料工況。乏池內(nèi)燃料組件熱功率達(dá)最大值，乏池貯存堆芯組件達(dá)14/4個(gè)，停堆后14天，且將整堆芯燃料全部轉(zhuǎn)移至乏池，在冷卻水流量為515m3/h，溫度為35℃時(shí)，乏池池水溫小于52.16度。

(二)正常運(yùn)行工況。乏池內(nèi)燃料組件其熱功率達(dá)最大值，一列泵和熱交換器冷卻時(shí)，水溫小于60度。

(三)事故工況。乏池內(nèi)燃料組件熱功率達(dá)最大值且乏池已貯存15/4個(gè)組件，當(dāng)因相關(guān)設(shè)備檢修需要而載入一個(gè)整堆芯(或者因破口事故而被迫載入)，在一列冷卻設(shè)備冷卻乏池時(shí)乏池水溫小于80度；兩列冷卻設(shè)備冷卻乏燃料水池時(shí)，乏池的水溫小于60度。

二、乏池監(jiān)測(cè)及應(yīng)急補(bǔ)水的改進(jìn)方案

根據(jù)國(guó)家核安全局提出通用的改進(jìn)要求即《福島核事故后核電廠改進(jìn)行動(dòng)通用技術(shù)要求》，結(jié)合核電廠系統(tǒng)和設(shè)備的實(shí)際情況提出并實(shí)施了以下方案。

(一)為滿足乏燃料水池事故后監(jiān)測(cè)，增加監(jiān)測(cè)設(shè)施。秦二廠3、4號(hào)機(jī)組在初始設(shè)計(jì)是以正常工況和基準(zhǔn)設(shè)計(jì)事故為基準(zhǔn),在原設(shè)計(jì)中有乏池狀態(tài)的監(jiān)測(cè)設(shè)備，PTR001LN是乏池就地標(biāo)尺液位計(jì)但無(wú)遠(yuǎn)傳信號(hào)，乏池液位開(kāi)關(guān)PTR033SN和PTR035SN，其液位高低信號(hào)送主控觸發(fā)報(bào)警；原設(shè)計(jì)中PTR037ST作為溫度開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)乏燃料水池溫度的監(jiān)測(cè)，溫度信號(hào)送至主控顯示和報(bào)警；設(shè)計(jì)中PTR032MT和PTR034LT作為遠(yuǎn)傳和就地溫度的連續(xù)監(jiān)測(cè)儀表，液位和溫度儀表的核安全等級(jí)為非核級(jí)，抗震等級(jí)則無(wú)要求。增加在超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況下的監(jiān)測(cè)設(shè)備，滿足福島事故改進(jìn)要求。

乏燃料水池現(xiàn)存液位和溫度的檢測(cè)儀表，其電源在全廠失電時(shí)未考慮實(shí)施再供電且為實(shí)現(xiàn)設(shè)備的冗余要求，額外增加一套溫度和液位監(jiān)測(cè)設(shè)備，滿足福島改進(jìn)對(duì)乏燃料水池溫度和液位的持續(xù)監(jiān)測(cè)要求。目前導(dǎo)波雷達(dá)傳感器來(lái)監(jiān)視乏池液位，在在役核電廠中已有實(shí)際應(yīng)用，每個(gè)乏燃料水池安裝獨(dú)立的兩套系統(tǒng)，一套主用，另一套備用。中廣核陽(yáng)江核電廠在福島改造方案中在溫度儀表PTR032MT基礎(chǔ)上增加液位和溫度儀表，增加設(shè)備具有抗震和安全等級(jí)，在SBO工況時(shí)也有供電要求。

改進(jìn)方案：在原監(jiān)測(cè)通道不變的情況下，增加一套安全等級(jí)為NC級(jí)、抗震為1類的乏燃料水池水位和溫度連續(xù)檢測(cè)系統(tǒng)，不考慮輻照條件影響。液位、溫度儀表供電來(lái)自LLS應(yīng)急柴油機(jī)，在全場(chǎng)失電的SBO工況下保證乏池液位和溫度的監(jiān)測(cè)，液位測(cè)量區(qū)間從11.5～20.00m，溫度測(cè)量區(qū)間從室溫到120℃。

目前該方案正在進(jìn)行液位、溫度監(jiān)測(cè)設(shè)備選型中，尚未實(shí)施；目前已實(shí)施方案為將乏池冷卻系統(tǒng)A列冷卻水泵入口壓力表改型為壓力和水位的雙刻度儀表，可同時(shí)監(jiān)測(cè)乏池液位和泵的入口壓力。該項(xiàng)改進(jìn)在發(fā)生失電事故時(shí)，仍可通過(guò)該表實(shí)現(xiàn)對(duì)乏池液位的監(jiān)測(cè)。

(二)為保證乏池內(nèi)的水裝量，為乏燃料水池增加應(yīng)急補(bǔ)水設(shè)施。乏燃料的冷卻和乏池含硼水的補(bǔ)給是在系統(tǒng)內(nèi)完成，滿足在正常運(yùn)行工況以及設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故時(shí)的補(bǔ)水要求，補(bǔ)水可以正常使用核島除鹽水(SED)，緊急情況下使用核島消防水(JPI)系統(tǒng)作為應(yīng)急補(bǔ)水，但在SBO工況下，失去動(dòng)力電源，設(shè)計(jì)的補(bǔ)水和冷卻循環(huán)喪失，因此需要增加乏燃料池事故后的應(yīng)急補(bǔ)水冷卻設(shè)施。新增應(yīng)急補(bǔ)水管線管徑是根據(jù)乏池喪失全部冷卻時(shí)產(chǎn)生的蒸發(fā)水量計(jì)算出來(lái)的，計(jì)算結(jié)果依據(jù)兩種工況。

1.正常換料工況。若乏池已經(jīng)暫存了連續(xù)14個(gè)換料周期的組件(每換料周期約三分之一堆芯)和停堆14天后剛卸出堆芯的一整個(gè)堆芯組件。

2.事故工況。若乏池已經(jīng)暫存了連續(xù)14個(gè)換料周期的組件(每換料周期約三分之一堆芯)及上一循環(huán)停堆14天后卸出堆芯的三分之一個(gè)堆芯的組件，加上事故停堆7天后卸出的一整個(gè)堆芯的組件。根據(jù)相應(yīng)的負(fù)荷計(jì)算，處于事故工況下的完全卸料模式乏燃料水池的熱負(fù)荷最大，在發(fā)生類似福島事故的超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故，失去冷卻后最快約7～8小時(shí)乏池達(dá)到沸騰。在事故初期應(yīng)急補(bǔ)水可以有效緩解乏池液位下降，事故情況下使用移動(dòng)補(bǔ)水泵或消防車(chē)，由取水源(SED/SER水箱和JPP水箱)到補(bǔ)水點(diǎn)之間臨時(shí)管道的鋪設(shè)及應(yīng)急補(bǔ)水管線的投入，保證事故初期乏池補(bǔ)水水源的有效性。

3.改進(jìn)方案。設(shè)計(jì)一條從NX廠房室外0m到KX廠房20m平臺(tái)室外的抗震管線，在KX廠房20m平臺(tái)室外設(shè)置消防水結(jié)合器附帶手動(dòng)隔離閥并增加到達(dá)乏池的消防軟管，在NX廠房0m設(shè)置一個(gè)隔離閥和消防水結(jié)合器。在緊急工況下，開(kāi)啟KX廠房20m平臺(tái)的應(yīng)急門(mén)，將消防軟管引至乏池處，通過(guò)消防水或移動(dòng)補(bǔ)水泵對(duì)乏池補(bǔ)水，設(shè)計(jì)的補(bǔ)水管線無(wú)造成虹吸的可能。增加乏池應(yīng)急補(bǔ)水管線，為事故工況如全廠失電，增加補(bǔ)水手段，有效避免乏燃料水池因冷卻喪失和失水導(dǎo)致乏池中燃料組件裸露損毀。

三、以上改進(jìn)降低了事故工況下乏池的安全風(fēng)險(xiǎn)

依據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐反饋，乏池事故有兩類：一是排水類事故；二是喪失冷卻能力的非排水類事故。其中排水類事故包括：乏池LOCA、系統(tǒng)管線存在破口、大載重落入；非排水類事故包括：?jiǎn)适О踩匾娫垂╇姟适Ю湓醇捌渌麩o(wú)法保證冷卻的情況。在以上事故及超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故下，通過(guò)增加應(yīng)急補(bǔ)水手段，且考慮溫度和液位連續(xù)監(jiān)測(cè)，在乏池水位下降時(shí)提醒操縱員，并按規(guī)程引導(dǎo)進(jìn)行事故緩解，可以將燃料元件損壞頻率由2.26E-07/堆年降至2.57E-08/堆年，安全系數(shù)提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。