乏燃料水池冷却系统布置原则探究

□张 勇 吕 航 林木营

乏燃料水池冷却系统总体布置设计应满足两个要求，一是对电站所有设备在初步设计阶段所确定的功能要求；二是对执行电站安全功能设备的安全要求。

一、乏燃料水池冷却系统功能

乏燃料水池冷却系统一是保持贮存在乏燃料水池里的乏燃料组件处于次临界状态，冷却其所释放的余热，换料或停堆检修时，反应堆主回路处于开启状态，在余热排出系统不能利用时，可利用本系统冷却反应堆堆芯；二是提供生物防护用水层，保护操作人员不受已辐照燃料的辐射；三是净化用于冷却的含硼水中的腐蚀产物，裂变产物和悬浮在水中的颗粒，保持含硼水良好的能见度和降低水中放射性水平；四是保持乏燃料水池中充满水，转运仓、装载井的充水和排水，对换料水池进行充水和排水；五是在反应堆冷却剂系统打开时，反应堆换料水池和乏燃料水池的水处理及冷却系统可保证当余热排出系统完全失效时作为该系统的备用；这种备用同样允许对余热排出系统进行维修，而不降低装置的安全水平。

二、布置概述

(一)结构组成。

1.反应堆换料水池。反应堆换料水池是一个近于长方形的水池，由两部分组成，位于压力容器正上方的部分称为换料水池，与之相通的另一部分为堆内构件贮存池，两个水池之间用气密挡板隔开，可单独进行充排水。池的四周和底面设置不锈钢覆面，覆面和建筑物钢筋混凝土之间埋有6个引漏管，检测覆面是否有渗漏。

2.乏燃料水池。乏燃料水池也是一个长方形水池，分为四个长方形小区，从右到左依次为燃料转运仓、乏燃料贮存池、乏燃料容器装载井、乏燃料容器冲洗井。整个乏燃料水池的池壁均设有不锈钢覆面，并设有7个引漏管，检测覆面是否有渗漏。

乏燃料贮存池内只要有乏燃料，就必须始终充满水而不能被排空，以确保乏燃料的安全，故池底未设排水管。

(二)设备信息。乏燃料水池冷却系统设备主要有：冷却回路用泵、乏燃料水池撇沫回路用泵、换料水池撇沫回路用泵、乏燃料水池热交换器、乏燃料池水过滤器、反应堆堆腔过滤器、乏燃料池撇沫过滤器、真空吸水灌、浮动撇沫装置。

(三)布置特点。第一，乏燃料水池冷却系统功能的特殊性及结构设计特点，客观上决定了RFT系统设备的整体布置要围绕在乏燃料水池附近。因此，主要冷却设备布置在燃料厂房，靠近反应堆水池和乏燃料水池，管道布置短，弯头π弯少，介质阻力小。第二，乏燃料水池冷却系统一直处于低压和低温状态(正常工况下运行压力低于0.6MPa，温度低于50℃左右)，在进行安全分析时并不需要考虑管道破裂。但通过合理的管道布置，可以进一步降低管道破裂的风险。该系统长期运行，即使是换料大修期间，该系统依然要持续提供冷却能力，保证乏燃料水池中乏燃料处于次临界状态，管道长期受到冲刷和振动，壁厚可能会变薄，容易产生疲劳破坏，就近布置后，减少管道长度，进一步降低管道破裂的风险。第三，乏燃料水池冷却系统的介质是酸性的含硼水，因此整个回路都采用不锈钢设计。除了泵、热交换器、蝶阀和孔板由法兰连接外，整个管道系统的连接都采用焊接形式。第四，乏燃料水池在电站运行期间始终是充满水的，为防止乏燃料水池冷却水意外排空，乏燃料水池底部并未设置排水管道。同时，为避免乏燃料水池出水及进水管道破口引起水池冷却水泄漏，出现低水位，导致乏燃料裸露在空气中，乏燃料水池进出水口管道标高设计均高于乏燃料最低防护水位。

三、乏燃料水池冷却系统布置原则总结

(一)冷却回路管线布置。第一，执行安全功能的不同系列布置在不同的隔间内，或两个系列之间设置防火隔墙(热屏障)，或者根据防火规范要求，两个安全系列之间有足够远的距离，满足实体隔离设计要求；第二，冷却泵入口管道尽量短，以减少压头损失，宜采用直管布置，其长度最少为五倍的管径，同时泵入口管道变径时要采用偏心大小头，避免产生气阱；第三，吸水管道隔离阀应尽量靠近乏燃料水池，以减少此段吸水管的长度(如果该管段发生泄漏，则难以进行隔离)；第四，设备进出口管道的布置要有足有的“柔性”，合理设置支架功能，避免对设备进出口施加额外的载荷；第五，乏燃料水池冷却系统管线的布置应能防止池水排空和池内燃料组件露出水面，因此，冷却回路在乏池内的吸入口位置不能过低，同时，为减少表面悬浮物进入系统，吸入口要低于发燃料水池正常水位一定高度(该高度根据规范要求为1.2m，实际布置中以系统手册要求为准)；第六，冷却回路回水管端部宜比存放在池内的燃料组件高出1.8m左右，每个回水管在池水低水位以下0.5～0.6m处有一个小孔，用以破坏虹吸，因而管道破裂时乏燃料水池水位仍能保持在此孔高度处。以上布置方式还能确保冷却后的回水在池中燃料贮存区域内均匀地分散(应注意小孔的位置，防止孔内出水的睡眠产生波动)；第七，乏燃料水池内的吸水管和回水管应分别布置在水池的两侧，以使乏燃料水池内含硼水得到充分循环，防止出现“沟流”现象；第八，换热器进口出口管道布置要尽量减少不利的流动状态(例如高流阻管件、突然收缩或扩大)；第九，对需要切换几个阀门状态来执行某一系统功能，这样的阀门尽量集中布置，方便操作和管理。

(二)撇沫和过滤回路。为便于观察燃料，净化回路以一定流量从水面排出池水，流经过滤器，再返回水池，以保持水面清洁。其中吸入和返回乏燃料水池的管道应合理布置，以使循环通过过滤器的池水表面积尽可能大。

(三)设备布置。设备布置应尽量减少压降效应，以免妨碍系统充分发挥其功能。第一，冷却泵的标高应远低于乏燃料水池的低水位和安全壳内燃料贮存区的低水位，以确保泵的有效净正吸入压头；第二，泵维修用的隔离阀应尽可能靠近泵，便于维修时操作和减少管道疏水量；第三，冷却器应尽量靠近各自的冷却泵，以减少维修时管道的疏水量；第四，撇沫泵的标高应足以确保在表面池水净化期间有足够的有效净正吸入压头，泵出水管的布置应考虑到去浮泵较低的有效压头；第五，撇沫过滤器应靠近乏燃料水池布置。

四、结语

本文介绍了乏燃料水池冷却系统功能及设备、管道布置原则。布置工作是一个不断改进、不断优化的过程，没有最优，只有更优。不同的系统布置原则均要考虑辐射防护、设备检修、管道破裂、水淹、防火等方面的要求，对具体问题要进行具体分析。