安全壳超压排放工况下乏池水洗效果增强措施研究

高圣钦，付亚茹，梅其良，孙大威

安全壳超压排放工况下乏池水洗效果增强措施研究

高圣钦，付亚茹，梅其良，孙大威

（上海核工程研究设计院有限公司，上海 200233）

在CAP1400核电厂安全壳超压排放工况下，安全壳内的水蒸气和不凝性气体的混合气体将被排往乏燃料池，为安全壳卸压，同时乏燃料水池可对其中的放射性物质起到水洗去除的作用。为了增强该工况下乏池对放射性物质的水洗去除效果，减少安全壳超压排放造成的厂外剂量后果，本文针对CAP1400核电厂安全壳超压排放工况下的水洗过程，选取多个水洗关键参数进行敏感性分析，以研究其对乏池水洗气溶胶的总去污因子（DF）的影响，根据分析结果和工程实际，提出了增强乏池放射性水洗效果的措施和建议，可为超压排放装置的优化设计等提供参考。

水洗；核电厂；严重事故；安全壳超压排放；敏感性分析；气溶胶

在核电厂发生严重事故时，水洗在放射性裂变产物的去除中起着重要作用，典型的例子包括BWR的抑压水池水洗、PWR的稳压器卸压箱水洗以及CAP1400的乏燃料池水洗等。在CAP1400电厂的设计中，计划在严重事故后，当非能动安全壳冷却系统（PCS）失效且其他卸压措施不可用时，将安全壳内水蒸气和不凝性气体的混合气体排往乏燃料池，为安全壳卸压，同时对其中的放射性物质起到水洗去除的作用。安全壳排出的气体经过水洗后通过乏燃料厂房释放到外界环境中，为了减少安全壳超压排放造成的厂外剂量后果，有必要针对如何增强乏池对放射性的水洗效果开展进一步研究。

本文针对CAP1400核电厂安全壳超压排放工况下的水洗过程，在深入研究放射性水洗模型的基础上，选取多个水洗关键参数进行了敏感性分析，研究了其对乏池水洗气溶胶的总去污因子（DF）的影响，根据分析结果和工程实际，提出了增强乏池放射性水洗效果的措施和建议，可为超压排放装置的设计等提供参考。DF的定义为进出水池的气溶胶粒子质量之比，可反映水池对气溶胶的滞留能力，即水洗效果。

1　水洗关键参数敏感性分析方法

参考文献［1］通过对比ART、BUSCA、SUPRA、SPARC-90、SPARC-B/98等多种放射性水洗模型，推荐将SPARC-B/98水洗模型用于研究分析CAP1400核电厂安全壳超压排放时乏池对气溶胶的水洗效果。

德国反应堆安全研究所（GRS）开发的COCOSYS程序耦合了SPARC-B/98水洗模型，故本文拟采用COCOSYS程序进行水洗参数的敏感性分析。COCOSYS程序是基于最佳估算模型的轻水堆核电厂安全壳分析程序，能够模拟设计基准事故和严重事故期间安全壳内的相关进程与现象[2]。其水洗模型将水洗过程分成三个区域，分别是射流区域、初始气泡形成区域以及气泡上升区域。在射流区域内，模型考虑了碰撞去除、拦截去除、分子与湍流扩散、布朗扩散、蒸气凝结/扩散泳以及热泳等气溶胶去除机制；在注射通道出口区域初始气泡的形成过程中，模型考虑了蒸气凝结/扩散泳、布朗扩散、热泳、离心沉积、重力沉降和惯性碰撞等气溶胶去除机制；而在气泡的上升区域，模型考虑了离心沉积、布朗扩散、重力沉降以及扩散泳等气溶胶去除机制。

在用COCOSYS程序对安全壳超压排放工况下的乏池水洗过程进行建模时，模块划分如图1所示，将整个系统划分为3个控制体，控制体R1代表安全壳；R2代表乏燃料厂房，乏池中有乏燃料格架及组件；R3代表外界环境。将含有不凝性气体、水蒸气以及气溶胶的混合气流注入控制体R1中，气流经过超压排放管线进入乏燃料水池中，排放管线在乏池中的出口位于乏燃料格架的上方，含有放射性气溶胶的混合气流经过乏池水洗后进入乏燃料厂房气空间进而直接进入外界环境中。

图1　COCOSYS模块图

在进行敏感性分析前，要选出基准工况，基准工况的参数如表1所示。在对基准工况进行模拟时，假设乏燃料厂房与外界环境相连通，使乏池上方的压力始终保持与外界环境相同；假设注入乏池的气溶胶粒子的尺寸分布呈对数正态分布；假设乏池丧失正常冷却，清洗池和装料池不能提供补水；暂不考虑乏池内乏燃料组件的衰变热以及乏池水pH值的影响。

表1　基准工况参数

2　敏感性分析结果及讨论

2.1　乏池温度

在基准工况的基础上，改变乏池初始温度，得到不同乏池初始温度情况下乏池水洗气溶胶的总去污因子随时间的变化如图2所示。从图中可以看出，水洗总去污因子的大小对乏池温度比较敏感，乏池温度越高，水洗总去污因子越小，出现这种现象的原因有：

（1）当乏池初始温度升高时，在排气通道出口的射流区域内，蒸气冷凝/扩散泳、热泳去除机制的减弱导致气溶胶去污因子减小；

（2）乏池初始温度升高时，在气泡上升区域，蒸气冷凝/扩散泳和热泳去除机制的减弱也会导致的气溶胶去污因子减小。

图2　乏池初始温度不同时DF随时间的变化

2.2　排气通道出口在乏池中浸没深度

在基准工况的基础上，改变排气通道在乏池中的浸没深度，得到不同浸没深度情况下乏池对气溶胶水洗的总去污因子随时间的变化如图3所示。该图表明，水洗总去污因子的大小对通道出口的浸没深度比较敏感，随着排气通道出口浸没深度的增大，总去污因子也增大，这是由于排气通道出口在乏池浸没深度的增大，会使气泡从通道出口上升至水池表面所需时间变长，进而增大气泡上升区域的总去污因子。

2.3　气溶胶粒子粒径

在基准工况的基础上，改变注入乏池的气溶胶粒子的质量中位直径，得到气溶胶粒子质量中位直径不同时水洗总去污因子随时间的变化曲线如图4所示。从图中可以看出，在保持其他变量不变的情况下，总去污因子随着粒子分布质量中位直径的增大而增大。这是因为对于呈现对数正态分布的气溶胶粒子，粒子质量中位直径的增大会使粒子的几何平均直径增大，粒径（几何平均直径）的增大会直接使得多种气溶胶去除机制导致的去污因子增大，并对气泡上升过程中气溶胶粒子尺寸的增长产生影响。

2.4　注入乏池的混合气体质量流量

在基准工况的基础上，改变注入乏池的混合气体质量流量，得到不同情况下乏池对气溶胶水洗的总去污因子随时间的变化如图5所示。该图结果表明，水洗过程中总去污因子的大小受注入的混合气体质量流量影响十分显著，其值随着混合气体质量流量的增大而减小。造成这种变化趋势的原因是：混合气体质量流量的增大使排气通道出口处形成的初始气泡体积变大，气泡的表面积与体积比减小，进而使初始气泡形成过程中的去污因子减小；另外，混合气体质量流量的增大还会使排气通道出口处形成初始气泡所需时间以及气泡上升过程中在乏池的停留时间减小，进而导致初始气泡形成过程中的总去污因子以及气泡在乏池上升过程中的总去污因子减小。

图3　通道出口浸没深度不同时总DF随时间的变化

图4　粒子质量中位直径不同时总DF时间的变化

2.5　注入乏池的混合气体中水蒸气摩尔份额

在基准工况的基础上，改变注入乏池的混合气体中水蒸气的摩尔份额，得到不同情况下乏池对气溶胶水洗的总去污因子随时间的变化如图6所示。该图结果表明，水洗总去污因子的大小对注入的混合气体中水蒸气的摩尔份额很敏感，水蒸气的摩尔份额越高，总去污因子也越大。产生这种变化趋势的原因有：混合气体中水蒸气摩尔份额的增大会直接影响到排气通道出口处射流区域和初始气泡形成过程中的蒸汽冷凝/扩散泳去除机制，以及气泡上升区域中的扩散泳去除机制，使得这些去除机制导致的气溶胶去污因子也增大；同时，混合气体中水蒸气份额越大，意味着不凝性气体的份额越小，这会导致气泡上升过程气泡的平均直径减小，而气泡直径的减小意味着气泡表面积与体积的比值也会减小[3]，从而导致气泡上升区域的总去污因子变大。

图5　注入混合气体质量流量不同时DF随时间的变化

图6　注入气体中水蒸气份额不同时DF随时间的变化

图7　注入的粒子密度不同时DF随时间的变化

图8　多孔出口的小孔直径不同时DF随时间的变化

2.6　注入乏池的气溶胶粒子密度

在基准工况的基础上，改变注入乏池的气溶胶粒子平均密度，得到不同情况下乏池对气溶胶水洗的总去污因子随时间的变化如图7所示。该图结果表明，水洗过程中总去污因子的大小对注入气溶胶粒子的密度很敏感，其值随着气溶胶粒子密度的增大而显著增大。这是因为气溶胶粒子密度的增大会影响以下气溶胶去除机制导致的去污因子的大小：发生在排气通道出口射流区域的碰撞去除及分子与湍流扩散等气溶胶去除机制；发生在排气通道出口初始气泡形成过程中的离心沉积、重力沉降和惯性碰撞等气溶胶去除机制；发生在气泡在乏池上升过程中的离心沉积和重力沉降等气溶胶去除机制；其综合效应是使水洗总去污因子增大。

2.7　多孔出口小孔直径和小孔数目

调整多孔出口的小孔直径，分别设定为0.5 cm、1.0 cm、1.5 cm和2.0 cm，在这4种不同情况下乏池对气溶胶水洗的总去污因子随时间的变化如图8所示。保持基准工况的其他参数不变，调整多孔出口的小孔数目，分别设定为100、300、600、900、1 200，在这5种不同情况下乏池对气溶胶水洗的总去污因子随时间的变化如图9所示。图8表明，在其他条件相同时，小孔直径在小范围内（0.5～2 cm）变化时，水洗过程的总去污因子受影响很小；而图9表明，小孔的数目越多，水洗过程的总去污因子越大，但和气溶胶的尺寸分布等因素相比，水洗总去污因子对小孔数目的敏感性要小很多。

图9　多孔出口的小孔数目不同时总DF随时间的变化

2.8　小结

从关键参数敏感性分析结果可以看出，能对乏池水洗效果产生重要影响的参数有注入乏池的气溶胶粒子粒径、混合气体质量流量以及气溶胶粒子密度、混合气体中水蒸气的摩尔份额、乏池温度以及通道出口在乏池的浸没深度；对乏池水洗效果影响较小的有多孔出口的小孔数目；对乏池水洗效果影响很小或几乎没有影响的参数有多孔出口的小孔直径（一定范围内）。

3　增强乏池水洗效果的措施和建议

根据上述参数敏感性分析结果，由于气溶胶粒径、密度以及注入乏池的混合气体中水蒸气摩尔份额等参数主要由超压排放严重事故序列的事故进程所决定，因此，在给出增强水洗效果的措施和建议时，可重点从改变乏池水温、改变注入乏池的混合气体流量、改善超压排气装置的设计以及增大排气口的浸没深度等角度考虑。

根据乏池水洗气溶胶的参数敏感性分析结果，结合工程实际，提出以下增强乏池水洗效果的措施和建议：

（1）在CAP1400安全壳超压排放过程中，排入乏池的高温高压气体会使乏池水迅速升温，甚至发生沸腾，不利于裂变产物气溶胶的水洗去除。因此，可以考虑采取相关措施降低乏池温度，如保证乏燃料池冷却系统的投入使用，使乏池水保持过冷态，以增强乏池对放射性气溶胶的水洗效果。

（2）可以考虑采取措施增大安全壳向乏池超压排气管道的阻力系数，以减小排入乏池的混合气体质量流量，从而增强乏池对放射性气溶胶的水洗效果。

（3）乏池内超压排气装置计划采用多孔排气口形式，而多孔排气口可以设计成图10和图11的形式，结合工程实际，考虑到图10的排气口形式在乏池内会占用更多的空间，影响到多个乏燃料贮存格架，因此建议将超压排气装置设计成图11的形式。根据本文3.7节，小孔直径在小范围内变化时，水洗过程的总去污因子受影响很小；且小孔数目越多，水洗效果越好，综合考虑到超压排气装置管长度、大小的限制以及在排气管上开不同直径小孔的施工难度，建议在该装置的竖直方向上设置不少于300个10 mm的排气孔，排气孔方向朝向乏燃料池中心，避免直接冲击池壁。

（4）可以考虑在确保超压排气装置位于燃料格架顶标高之上的前提下，尽可能增大超压排气装置出口在乏池的浸没深度，以增强乏池对放射性气溶胶的水洗效果。

图10　多孔排气口形式一

图11　多孔排气口形式二

［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，周彦，佟立丽．气泡尺寸对气溶胶水洗效果计算的影响［J］．核技术，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, non­condensable 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

国家科技重大专项课题“CAP1400核电厂安全增强措施研究”（2017ZX06002003）

高圣钦（1990—），山东烟台人，工程师，硕士研究生，现主要从事核电厂辐射源项分析及放射性后果评价相关研究