魏兴　陈云

【摘 要】在核电厂乏燃料水池中内贮存着大量从核反应堆中卸出的乏燃料组件，这些组件持续释放大量的衰变热，由核电厂相关冷却系统对其持续冷却，防止乏燃料水池水温超过核电厂技术规范限值。为确保在冷却系统临时中断期间乏燃料水池温度控制在电厂规范要求范围内，文中通过对乏燃料水池温度与衰变热和冷却水温度变化关系进行分析，得到乏燃料水池温度影响一般规律和变化趋势，为核电厂相关维修工作提供重要参考和建议。

【关键词】核电厂；乏燃料水池；温度；分析

在核电厂乏燃料水池中内贮存着大量从核反应堆中卸出的乏燃料组件，这些组件大都在反应堆中运行一年或更长时间，组件内产生大量不稳定放射性裂变核素，这些核素它们在衰变过程中持续释放大量的衰变热，核电厂通过反应堆换料水池和乏燃料水池冷却及处理系统（PTR）热交换器传递给设备冷却水系统（RRI），最终由RRI系统将热量导入最终热阱（海水），确保乏燃料水池温度不超过运行限值。

如果乏燃料水池冷却系统出现故障或者临时隔离，乏燃料释放的衰变热将在乏燃料水池内积累，乏燃料水池温度升高；同时由于RRI系统的冷源是电厂所在的海水，海水温度随着一年四季的变化而变化，因此海水温度也是影响乏燃料水池水温度一个重要因素。本文通过对乏燃料衰变热计算规律，结合电厂运行周期、冷源温度变化等因素进行分析，得到核电厂乏燃料水池温度变化关系，为核電厂乏燃料水池相关维修工作提供参考。

1 乏燃料衰变热计算

乏燃料的衰变热与反应堆运行时间、停堆后时间有关，反应堆停堆后的燃料剩余热功率通常分为三部分：

-由剩余裂变产生的剩余热功率；

-239U和239Np的衰变热；

-除239U和239Np外的其他锕系核素和裂变产物的衰变热。

在停堆后至少50秒内，第一项是至关重要的；在停堆600秒后，第一项与后两项相比是可以忽略的。在电厂实际的操作中规定停堆后至少需要100小时，才能将燃料从堆芯卸到乏燃料水池中，因此考虑乏燃料水池中乏燃料衰变热时仅考虑后两项。

剩余功率即衰变热功率一般采用下面的半经验公式来计算：

P=6.1×10K（t-（t+t）-0.2）

式中，Pn是停堆tsn时间后燃料的衰变热（MW），K是反应堆运行功率（MW），tsn是反应堆第n循环停堆时间（天），tln是第n循环反应堆运行时间（EFPD）。

通常每个换料周期从堆芯卸入乏燃料水池的燃料组件约为总燃料的三分之一，因此每个循环卸入乏燃料水池的乏燃料衰变热为Pn/3，如果乏燃料水池中装载有n个循环的乏燃料，则总的衰变热为：

P=（P1+P2+…+Pn）/3

P=P

当乏燃料水池失去冷却措施时，乏燃料的衰变热将全部被乏燃料水池中的水吸收，水温将升高，即：

Pt=c？籽Q？驻T

则：

？驻t=

式中，P为乏燃料水池中乏燃料的总衰变热（MW），t为乏燃料失去冷却时间（h），cp为水在标准大气压下的定压比热容（kJ/kg），ρ为水在标准大气压下的密度（kg/m3），Q0为乏燃料水池水装量（m3），ΔT为乏燃料水池温度变化（℃）。

2 气温对乏燃料水池温度的影响

由于PTR热交换器RRI侧的冷却水是由核电厂重要厂用水系统（SEC）的海水提供冷却的，核电厂所在位置的海水温度随一年四季气温的升降而变化，同样非换料期间乏燃料水池的初始温度也随气温的变化而变化。因此，乏燃料水池的水温不仅与反应堆停堆卸料时间有关，还与气温（海水温度）有关，气温越高乏燃料水池的水温也越高，反之亦然。例如于中纬度的某核电厂，乏燃料水池温度基本上在每年冬季的2月份，乏燃料水池温度最低，夏季的8月乏燃料水池温度最高，温差超过了15℃，海水温度是影响维修时间窗口的另一个重要因素。

3 失去冷却后乏燃料水池温度

乏燃料水池失去冷却时，乏燃料的衰变热被乏燃料水池的水吸收，温度上升，升温后的温度由衰变热和气温两个因素共同决定，则乏燃料水池的温度可表示为：

T=T0+？驻T

式中，T为乏燃料水池失去冷却时的温度，T0为乏燃料水池失去冷却前的初始温度。

4 乏燃料水池温度与时间变化关系分析

4.1 衰变热与时间的关系

以国内某核电厂M310型反应堆机组为例进行分析，根据第1节分析结果，从第三次换料停堆时间开始计算，停堆后乏燃料衰变热随停堆后时间的变化关系表明，反应堆停堆后100天内，衰变热随时间快速降低，100天～300天内衰变热降速放缓，300天以后衰变热基本稳定在一个较低的范围。同时，乏燃料水池内乏燃料的衰变热在停堆后较短的时间内总衰变热主要由最后一个循环燃料衰变热决定。

4.2 乏燃料水池失去冷却后乏燃料水池温度随时间的变化关系

反应堆在停堆35天后，乏燃料水池失去冷却46h后的温度随不同时间的变化关系可以看出停堆后的前三个月乏燃料衰变热比较多，衰变热引起的乏燃料水池温升超过20℃，乏燃料水池的整体温度的变化趋势由衰变热来决定的，当停堆后5个月后，衰变热引起的乏燃料水池温升基本在10℃以内，乏燃料水池的整体温度受冷却水的温度影响更大，冷却水的温度主导着乏燃料水池总的温度变化，二者变化趋势基本一致。

由上述计算可见，在乏燃料水池初始水温≦30℃的状况下，乏燃料水池失去冷却的时间控制在48小时内，乏燃料水池温度超过50℃，是可以接受的。如果选择停堆时间更长，乏燃料水池初始水温在更低的时候，可以为乏燃料水池设备预防性维修提供更长的时间窗口。

5 技术规范对乏燃料水池温度要求

根据核电厂技术规范的要求，当乏燃料水池的冷却全部不可运行或乏燃料水池温度>50℃时，要求在1小时内停止乏燃料厂房内的燃料操作、8小时内恢复一列PTR的可运行性、任何情况下乏燃料水池水温不能超过60℃。乏燃料水池相关设备预防性维修违反了技术规范的要求，需要确保核安全的基础上向国家核安全局提出特许申请，并对预期试验期间乏燃料水池的温度进行评估。

6 结论

通过本文分析可以看出核电厂乏燃料水池的温度由池内装载的乏燃料衰变热和冷却水温度共同决定，在卸料约100天内，乏燃料衰变热较大，对乏燃料水池温升贡献也更大；随卸料后时间的增加，衰变热逐渐降低，约5个月以后乏燃料水池的温升主要由冷却水的温度决定。同时，冷却水温度也是影响乏燃料水池温度的重要因素，乏燃料水池温度随冷却水温度同步变化，核电厂可以根据时间情况，综合考虑乏燃料水池温度变化趋势，为相关维修工作决策提供依据。

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