压水堆核电站乏燃料池喷淋系统设计
摘要：第三代非能动压水堆核电站ap1000中首次为乏燃料池设置了喷淋系统，在超设计基准事故或恐怖袭击导致乏燃料池水排空时，为乏燃料提供冷却。

喷淋系统设计中的两个重要指标是喷淋覆盖面积和单位面积有效喷淋流量。

设计者应基于喷嘴性能试验结果，根据乏燃料池结构尺寸和乏燃料特性，确定喷淋流量、喷嘴数量和布置方式等参数，完成系统设计，提供足够冷却流量。

关键词：核电站；乏燃料池；喷淋
中图分类号：tm623 文献标识码：a 文章编号：1006-4311（2013）17-0048-02
1 背景
压水堆核电站中，在每个燃料循环末期，已达到燃耗的燃料将从堆芯中卸出，储存到位于安全壳外的乏燃料池中。

乏燃料储存在水下的乏燃料格架中；通常为乏燃料池配置冷却系统，通过冷却泵和热交换器对池水进行循环冷却，带走乏燃料产生的衰变热，保证燃料安全；足够深度的池水覆盖还可以为操作人员提供辐射防护。

乏燃料池采用抗震i类结构设计，sse（安全停堆地震）工况下不会发生损坏而导致池水丧失。

压水堆核电站的乏燃料池通常是大面积水池，一般设计容纳核电站大于15年运行所卸出的乏燃料组件。

例如我国引进的西屋第三代压水堆核电技术——ap1000非能动先进压水堆核电机组设计中，乏燃料池表面积约为11.3m×5.2m，可以存放889个燃料组件。

ap1000乏燃料池格架布置示意图见图1，其中i区通常用来储存新卸出的燃料，最保守的情况是最近卸出的整堆芯全部存放在i区。

ii区的乏燃料格架较密集，用来存放储存时间较长、衰变热较低的乏燃料。

ap1000首次为乏燃料池特别设计了喷淋系统，应对超设计基准事故或恐怖袭击下乏燃料池受损，池水排空的情况。

ap1000乏燃料池喷淋系统由位于乏燃料池东、西墙上的各16个喷嘴及其供水管道、阀门组成，在超设计基准事故下向乏燃料池喷淋，以喷淋水蒸发的形式带走乏燃料组件产生的衰变热。

2 喷淋系统设计
喷淋系统的设计——包括喷嘴的数量、布置方式、喷淋流量等——应确保其覆盖区域达到整个乏燃料池表面，并有足够的有效流量，以保证带走可能储存在池中任何位置的乏燃料组件衰变热。

喷淋覆盖面积和有效喷淋流量是评估喷淋系统性能的两个重要指标。

2.1 喷淋流量储存在乏燃料池中的乏燃料衰变热随着储存时间的增加而减小（表1），假设喷淋水温度为35℃，以受热蒸发为水蒸气的形式带走热量，冷却燃料组件。

表1中考虑最苛刻的情况，即池中已储满乏燃料组件。

从表1可以看出，新卸载的整堆芯释放较大的衰变热，平均每个燃料组件所需的喷淋流量最大，达到
0.118m3/hr；而乏燃料池需要的总喷淋流量达到约21m3/hr。

ap1000设计中，有2组分别安装在东、西墙上的喷嘴，每组喷嘴由不同的水源供水，单组喷淋流量达到～91m3/hr，有足够的设计裕量。

然而，最“热”区域的燃料组件所需的最小冷却流量更高，因此在喷嘴选型、喷嘴分布等设计因素中都需要考虑在最热区域提供足够的有效流量，而不仅满足总流量要求。

2.2 喷淋覆盖面积单个喷嘴的喷淋性能与喷嘴安装高度，供水压力，供水流量以及安装角度等因素有关。

西屋对某一型号喷嘴的研究发现，在喷嘴流量保持不变的情况下，有效喷淋覆盖面积与安装高度的关系如图2所示。

在一定高度范围内，喷嘴安装高度增加，喷淋的有效覆盖面积也增大。

这与一般喷嘴的喷幅曲线的结果一致（图3）。

依据特定的喷嘴性能，ap1000的喷嘴安装高度在燃料组件之上约7.5m处，并以与竖直方向呈30度的角度进行喷淋，以得到在宽度方向上最佳的覆盖距离。

乏燃料池是大面积水池，长度方向上需要多个喷嘴共同喷淋才能确保完全覆盖。

2.3 单位面积上的有效流量如前所述，为给乏燃料池最热区域提供足够的喷淋流量，需要了解单个喷嘴在喷淋覆盖区域内的单位面积有效流量，以确保每个燃料组件上都有足够的冷却流量，以带走衰变热。

ap1000由于使用了消防水和非能动安全壳冷却水箱作为水源，因此供水压力在0.4～0.7mpa。

基于此条件，西屋选取了4种可商业采购的喷嘴型号，在喷淋高度一定的情况下，对不同喷淋方向、不同喷淋角度、不同喷淋流量下的喷淋性能以试验方式进行了研究，得到不同喷嘴的喷淋覆盖面积和单位面积喷淋流量，部分试验结果如图5所示。

可以看出不同喷嘴的喷淋覆盖面积无论在长度、宽度和形状上均
有较大不同，单位面积上的喷淋流量分布也不一致。

型号1喷嘴的低流量区域位于喷淋覆盖区域的中心和四周，型号2喷嘴的低流量区域则位于喷嘴侧，高流量区域位于喷嘴对面侧。

即使相同的喷嘴，喷淋方向不同时，喷淋性能也会有很大改变。

当多个喷嘴以一定的间距布置在乏燃料池墙壁上时，多个喷嘴之间还会产生互相影响，改变单位面积流量；研究发现，型号1类型的单个喷嘴产生的低流量区位于覆盖面积的中心（如图5），两个喷嘴间隔1.1m安装时，低流量区仅有一个，且位于两个喷嘴的中间位置。

研究结果也表明，不同型号的喷嘴叠加的效果也不同；因此针对不同类型的喷嘴，其叠加喷淋性能也应分别进行试验研究，以便在设计时进行保守处理。

2.4 系统设计喷淋流量、喷嘴数量、布置间距、喷淋角度等均在系统设计时确定。

根据乏燃料池结构尺寸和乏燃料特性，基于试验得到的喷嘴喷淋性能，完成系统设计。

可使用单一型号的喷嘴，通过调整布置方式来达到要求的喷淋效果；也可以同时使用多种型号的喷嘴达到要求的喷淋效果。

ap1000机组采用了不同型号的喷嘴，其布置示意如图6，单组喷嘴就能达到要求的喷淋流量和覆盖面积。

为超设计基准事故后的乏燃料池提供冷却。

3 结论
ap1000第三代非能动压水堆核电站中首次为乏燃料池设置了喷
淋系统，在超设计基准事故或恐怖袭击导致乏燃料池水排空时，为
乏燃料提供冷却，防止燃料组件过热引起锆合金燃料棒损坏，释放放射性物质。

喷淋系统设计中的两个重要指标是喷淋覆盖面积和单位面积有
效喷淋流量，基于喷嘴的喷淋性能表现，确定喷嘴型号、数量以及布置方式，达到为大面积乏燃料池喷淋，提供足够冷却流量的目的。

参考文献：
[1]孙汉虹等.第三代核电技术ap1000[m].北京：中国电力出版社，2010.
[2]西屋公司，乏燃料池喷嘴试验报告[d].
[3]郑明光，杜圣华.压水堆核电站工程设计[m].上海科学技术出版社.。