核电厂乏燃料水池严重事故分析

史晓磊 张应超 魏严凇

摘  要：福島核事故后，乏燃料水池安全引起广泛关注。文章利用MELCOR程序建立了核电厂乏燃料水池严重事故分析模型，分析了乏燃料水池失水叠加全厂断电事故。计算表明，在乏池干涸以前，破口等效直径越大，事故进程越快，而燃料破损熔化的份额越小，氢气产量和释放的放射性裂变产物的量越少。

关键词：乏燃料;乏燃料水池;乏池失水事故;严重事故

中图分类号：TL364         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）23-0085-02

Abstract： After the Fukushima nuclear accident， the safety of spent fuel pool has aroused widespread concern. In this paper， a serious accident analysis model of spent fuel pool in nuclear power plant is established by using MELCOR program， and the accident of water loss and superimposed power outage in spent fuel pool is analyzed. The calculation shows that the larger the equivalent diameter of the break， the faster the accident process， and the smaller the share of fuel melting， and the less hydrogen production and radioactive fission products are released.

Keywords： spent fuel; spent fuel pool; water loss accident; serious accident

日本福岛核事故引起国内外对乏池安全问题的重视，国内外针对福岛4号机组乏池进行了大量分析和试验研究[1-2]。本文采用MELCOR程序分析秦山第二核电厂乏池失水叠加失去厂内外电源的严重事故。

1 核电厂乏池计算模型

乏池呈长方形，尺寸为12.6m×8m×12.01m，池底标高7.49m，池面标高19.5m，池壁上边缘标高20m，水体积1260m3，池面积107m2。

将长方形乏池按深度保持不变，截面积相等的原则等效成一个圆柱形水池，将圆柱形水池分为内外两部分，内部存放燃料组件的部分按照同样的原则等效成实心圆柱体;外部不存储燃料组件的部分等效成空心圆柱体;组件套筒和储存架隔板等效成一个大圆环，将等效乏池的内外两部分隔开。详见图1所示。

乏池有三种运行模式：正常换料、正常储存和事故工况。本文分析正常换料时乏池失水事故。计算中，假设破口的等效直径分别为0、1、2、3、......、10cm。考虑水池底面和四周墙壁厚度都在1m以上，破口流道长度近似设为2m，流道正反形阻系数和壅塞流系数均取缺省值。破口为零，实际上是指正常换料时全厂断电事故的计算结果。

2 结果和讨论

正常换料工况下不同破口等效直径的失水事故乏池水位随时间的变化见图2所示，从图2中可以看出，随着破口尺寸变大，活性段裸露和水池干涸越来越早。无破口，事故开始后8天左右活性段裸露，12天左右水池干涸。而当破口等效直径为10cm时，事故开始后不到3小时活性段裸露，5小时左右水池干涸。

乏池平均水位降速度与破口尺寸关系见图3所示，该曲线是破口泄漏和蒸发共同作用的结果，所以破口尺寸为零时，水位降速率并不为零。根据图3可以简单地判断乏池是否发生了破裂，近似地估算破口的尺寸。

锆水反应氢气的产量与破口尺寸的关系见图4所示。氢气产量是事故开始到乏池干涸这段时间的计算结果，氢气产量随破口等效直径增大而减小。从氢气产量随破口尺寸变化趋势来看，破口越大，池芯的损伤程度反而越小。

堆芯裸露过程，释放出来的裂变产物总量与破口等效直径关系如图5所示。从图5中可以看到，裂变产物释放总量与破口等效直径近似为反比关系。

3 结论

乏池失水叠加失去厂内外电源事故会发生燃料熔化的严重事故。破口尺寸越大，进程越快，由于失水，事故进程快，锆水反应的强度减小和反应时间变短，燃料熔化的份额减小。在乏池裸露过程，氢气产量和释放出来的放射性裂变产物随破口尺寸增大而减少。但是，如果在乏池干涸之前不能终止事故进程，池芯长时间不能得到冷却，燃料还会在衰变热作用下继续升温并熔化，氢气产量和裂变产物释放量还会增加。

参考文献：

[1]Jeffrey Cardoni，  MELCOR Model for an Experimental 17x17 Spent Fuel PWR Assembly， SAND2010-8249， November 2010.

[2]Sandia National Laboratories， MELCOR Computer Code Manuals， Version 1.8.5， NUREG/CR-6119， Vols. 1， 2 and 3， Rev.2， SAND2000-2417/1， October 2000.