华龙一号防止乏燃料水池硼水结晶措施分析
摘要：福清5&6号机组作为"华龙一号"首堆示范工程，其安全可靠运行是"华龙一号"走出去的充分保障。福岛事故后，乏燃料水池的安全运行受到业内的广泛关注，福清厂址在冬季可能会出现海水温度极低的情况，会带来乏燃料水池硼结晶的风险，采取有效的防止乏燃料水池硼水结晶措施对电厂安全运行至关重要。研究华龙一号乏燃料水池冷却系统和设备冷却水系统的设计准则，分析了厂址条件对冬季乏燃料贮存的影响，通过换热计算对防止乏燃料水池硼水结晶的措施进行验证，措施一是减少换热器冷侧设备冷却水的流量，措施二是减少换热器热侧乏池水的流量。经过分析措施一可以更好的降低硼结晶风险，采用措施二时需要关注换热器出口的乏池水温度防止局部产生硼结晶。
本文源自科技视界,2020(26):5-9.基金:中国核电工程有限公司自主科研“压水堆核电厂大修换料时间优化的研究”资助,项目主持人:皮月(KY19007).《科技视界》杂志是上海市科技协会主管、上海市科普作家协会主办的科技类期刊，是2011年6月13日国家新闻出版总署下发“新出审字【2011】472号”文件通过审批的，其国内统一连续出版物号为CN31-2065/N，国际标准连续出版物号ISSN2095-2457。
“华龙一号”是我国具备完整自主知识产权的三代先进压水堆核电型号，福清核电站5号机组作为“华龙一号”首堆示范工程已于2015年5月7日开工建设。福清核电厂位于我国东海海岸，根据平潭海洋站的监测资料，冬季海水温度会出现8℃的低温，此时乏燃料水池水温也会相应降低，乏燃料水池水温低于10℃时可能导致硼结晶，使乏燃料的安全贮存带来巨大风险。因此，提出防止乏燃料水池硼水结晶措施对电厂安全运行至关重要。本文介绍了华龙一号乏燃料水池冷却系统和设备冷却水系统的设计准则，分析了福清核电站厂址条件对冬季乏燃料贮存的影响，提出防止福清厂址核岛机组乏燃料水池硼水结晶的措施，并进行换热计算对措施进行验证。
1、系统设计准则
电厂中经过一个燃料循环从堆芯换出的乏燃料要贮存在乏燃料水池中，水池的含硼水用来带走已辐照燃料元件所释放的余热并对人员提供生物防护。池水是通过乏燃料水池冷却系统(简称乏池冷却系统)进行循环冷却，系统中配有换热器将热量传递给设备冷却水系统，再由设备冷却水系统将热量传递给重要厂用水系统最终导入海水。乏池冷却系统和设备冷却水系统设计要按照系统设计准则开展。
1.1乏池冷却系统的设计准则
乏池冷却系统根据电厂运行情况可分为三个工况：
1.1.1正常贮存工况
乏池冷却系统提供一个冷却系列导出余热。
正常贮存工况，在水池中贮存每次卸出的堆芯燃料组件，其最大值为贮存14次的乏燃料组件量。此时水池中空出的位置足够放置整个堆芯燃料组件量以备事故需要，热负荷如表1所示。
1.1.2正常换料工况
乏池冷却系统提供两个冷却系列导出余热。
正常换料工况，是在14次乏燃料贮存的基础上，整个堆芯燃料组件全部卸入乏燃料水池，在将未更换部分堆芯组件返回堆芯之前的这段时间，余热大，水温高，虽然时间不长，但仍需给予关注，热负荷如表1所示。
1.1.3事故工况
乏池冷却系统提供两个冷却系列导出余热。
事故工况是指反应堆发生事故后，需要全堆强迫卸料，因事故之后，希望将燃料组件尽快卸出，因此冷却时间为5天，其最大值发生在14次卸料后，同时考虑事故发生在平衡循环末期，因为此时强迫卸料的危险最大，热负荷如表1所示。
从上述设计准则可以看出，为保证换料末期乏燃料水池的安全运行，系统容量按照最大剩余热功率考虑，因此在电厂运行初期，乏燃料较少的情况下，会出现发热量较小换热能力过强的现象。
1.2设备冷却水系统的设计准则
设备冷却水系统根据电厂运行情况可分为六个工况：
当海水最高温度为T7℃时，提供的设备冷却水最高温度为35℃，但下述情况除外：在进入冷停堆和次临界停堆工况下，当海水最高温度为T7℃时，供给的冷却水温度为40℃;在失冷却剂事故(LOCA)工况下，当海水最高温度为Tmax℃时，供给的冷却水温度为45℃。
表1不同工况下乏燃料水池最大剩余功率
表2不同工况下海水温度和设备冷却水温度设计要求
(1)T7：历年最高第七日平均水温。
(2)Tmax：历史最高水温。
根据上述设计准则，设备冷却水系统的冷却能力相当于电站在各种工况下需要同时运行的各种设备的总热负荷。因此，当机组冬季运行，海水温度低于10℃时，设备冷却水温度会远低于设计值，对于乏燃料来说就会出现冷却水温度较低甚至接近硼结晶温度的风险。
2、福清核电站冷却水温度
根据福清现场运行情况反馈，2018年2月出现低温气象，最低气温达到2℃左右，此时运行的设备冷却水温度到12℃左右，福清2号机乏燃料水池水温在13℃左右。根据技术规范要求乏燃料水池温度低于10℃不允许在燃料厂房进行任何操作，在温度低于7℃机组要后撤到停堆状态。为了防止上述风险出现，首先对福清厂址的历年海水温度进行了统计，计算出最低日平均水温及历史最低温度，再根据统计数据提出运行措施。
依据福清厂址2006年3月的观测资料与平潭同期资料建立了相关关系：
厂址站与平潭站表层水温相关方程是：
图1厂址站与平潭站表层水温相关图(2006年3月)
根据统计数据，平潭站最低日平均水温值为10.9℃，根据厂址和平潭站的相关方程(式1)推算的厂址的最低日平均水温值为8.7℃。平潭站历史最低测量海水温度为7.2℃，推算的厂址的最低海水温度为5.4℃。另外根据电厂运行情况统计，设备冷却水系统的用户一般不会全部投入运行，机组冬季满功率运行期间设备发热量一般占设计值的50%左右。因此可推算，该厂址条件下冬季机组正常运行期间，设备冷却水最低运行温度为8.16℃。
3、福清核电机组采取的应对措施
乏燃料水池的冷却是通过乏池冷却系统的换热器将乏池水的热量传递给设备冷却水来实现的，为防止乏燃料水池硼水结晶可以采取两种措施，一种是减少换热器冷侧设备冷却水的流量，另一种是减少换热器热侧乏池水的流量。福清核电机组乏燃料水池冷却系统的示意图如图2、3所示[1]。
图2福清1-4号机组乏池冷却水与设备冷却水换热示意图
图3福清5、6号机组华龙一号乏池冷却水与设备冷却水换热示意图
如图2所示，福清1-4号机组采用1/3堆芯换料方式，设备冷却水系统的温度为35℃时，乏燃料水池冷却系统单列运行，设备冷却水侧串联运行，保证乏燃料水池的温度低于50℃。为了防止乏燃料水池硼水结晶，当设备冷却水水温低于15℃可以通过换热器的旁通管线分流部分冷却水，使得乏池水温提高，避免硼水结晶。
如图3所示，华龙一号采用全堆芯卸料方式，贮存工况下乏燃料水池冷却系统单列运行(如运行001系列)，设备冷却水侧并联运行。为了防止乏燃料水池硼水结晶，当设备冷却水水温低于15℃可以通过开启003或002RF，旁通部分乏池水，最终高温乏池水和冷却后的低温乏池水混合后提高乏池温度。
上述两种措施都可以实现提高乏池水温度防止硼水结晶，需要通过换热计算验证措施有效性。
4、换热计算及分析
4.1计算方法
华龙一号乏池冷却系统为了较少设备厂房空间，采用板式换热器与设备冷却水进行换热。由于板式换热器的结构复杂，其换热性能受板片组合、板片波纹角度、板片波纹深度等参数影响较大[2]，通常采用的计算方法如下[3]。
4.1.1传热基本方程式
式中，Q为传热量，J/s;A为换热面积，m2;K为总传热系数，W/(m2·K)Δtm为传热平均温差，对数平均温差乘以板片组合校正系数，℃
4.1.2换热量计算式
式中，qm为流体质量流量，kg/s;Cp为流体比热容，J/(kg·K);t'和t"为分别表示某侧流体进出口温度，℃
4.1.3总传热系数计算式
式中，α1和α2分别为板片两侧的传热膜系数，W/(m2·K);R1和R2为板片两侧污垢系数，m2·K/W;δP为板片厚度，m;λP为板片导热系数，W/(m2·K)。
4.2乏燃料衰变热计算
以华龙一号机组为例进行衰变热计算，对于停堆卸入乏池的整个堆芯的衰变热如图4所示[1]。
表3不同换料批次最小衰变热
表4乏池流量不变、乏池入口温度45℃时所需的最小冷却水流量
图4停堆卸入乏池的堆芯衰变热曲线
换料方式是在第三次换料后，由年换料调整为18个月换料模式(每次卸出68个燃料组件)，池内贮存的乏燃料组件数量以及池内衰变热如表3所示。
4.3乏燃料水池水温计算
一般在换料工况下，不会出现硼水结晶的情况。因为换料时，热负荷最小为6.12MW，在设冷水入口温度最小为8.16℃时，乏池入口温度为17.4℃，出口温度为10.14℃。不会到达硼结晶阈值。因此，换料工况不存在硼水结晶的风险。
对于措施一旁通设备冷却水流量的方式，正常贮存时，当设冷水入口温度最小为8.16℃时，保持乏池入口温度为45℃，所需的最小冷却流量，如表4所示。
对于措施二旁通乏池水流量的方式，冷却水入口温度8.16℃时，保持冷却水侧流量不变时，乏池侧进出口温度如表5所示。
从表4表5可以看出，采用调整设备冷却水的方案，可以保证乏池内水温始终高于报警值的要求，当冬季气温较低时，昼夜海水温度起伏变化，最低海水温度可能出现在某个时刻，为减少操作员动作可以调整冷却水到最小流量，不需要根据水温实时调节。采用调整乏池水的方案，同样可以实现防止乏池内硼水结晶，但是对于换热器出口混合前的局部管道内可能出现温度较低的情况，如果换热流量较低需要操作员关注局部的硼结晶风险。
5、结论
本文为防止华龙一号乏燃料水池硼水结晶提出两种运行措施，措施一是减少换热器冷侧设备冷却水的流量，措施二是减少换热器热侧乏池水的流量。通过换热计算，两种措施都可以降低硼结晶风险，采用措施二时需要关注换热器出口的乏池水温度防止局部产生硼结晶。
表5冷却水流量不变、乏池入口温度45℃时所需的最小乏池流量
参考文献:
[1]于沛,李博,王广飞.压水堆核电厂乏池冷却系统扩容改进研究[J].核科学与工程,2016,36(6):729-734.
[2]朱金雄,欧阳钦,管玉峰,等.热阻法在核电站人字形板式换热器性能分析上的应用[J].能源技术与管理,2014,39(5):121-123.
[3]于沛,付浩然.华龙一号设备冷却水系统板式换热器性能研究[J].核动力工程,2018.