压水堆核电站乏燃料池喷淋系统设

计

   摘要： 第三代非能动压水堆核电站 AP1000 中首次为乏燃料池设置了喷淋系统，在超设
计基准事故或恐怖袭击导致乏燃料池水排空时，为乏燃料提供冷却。喷淋系统设计中的两个
重要指标是喷淋覆盖面积和单位面积有效喷淋流量。设计者应基于喷嘴性能试验结果，根据
乏燃料池结构尺寸和乏燃料特性，确定喷淋流量、喷嘴数量和布置方式等参数，完成系统设
计，提供足够冷却流量。

 

　　关键词：

 核电站；乏燃料池；喷淋 

\　　1 背景 
　　压水堆核电站中，在每个燃料循环末期，已达到燃耗的燃料将从堆芯中卸出，储存到
位于安全壳外的乏燃料池中。乏燃料储存在水下的乏燃料格架中；通常为乏燃料池配置冷却
系统，通过冷却泵和热交换器对池水进行循环冷却，带走乏燃料产生的衰变热，保证燃料
安全；足够深度的池水覆盖还可以为操作人员提供辐射防护。乏燃料池采用抗震

I 类结构设

计，

SSE（安全停堆地震）工况下不会发生损坏而导致池水丧失。 

　　压水堆核电站的乏燃料池通常是大面积水池，一般设计容纳核电站大于

15 年运行所卸

出的乏燃料组件。例如我国引进的西屋第三代压水堆核电技术

——AP1000 非能动先进压水

堆核电机组设计中，乏燃料池表面积约为

11.3m×5.2m，可以存放 889 个燃料组件。AP1000

乏燃料池格架布置示意图见图

1，其中 I 区通常用来储存新卸出的燃料，最保守的情况是最

近卸出的整堆芯全部存放在

I 区。II 区的乏燃料格架较密集，用来存放储存时间较长、衰变

热较低的乏燃料。

 

　　

AP1000 首次为乏燃料池特别设计了喷淋系统，应对超设计基准事故或恐怖袭击下乏燃

料池受损，池水排空的情况。

AP1000 乏燃料池喷淋系统由位于乏燃料池东、西墙上的各 16

个喷嘴及其供水管道、阀门组成，在超设计基准事故下向乏燃料池喷淋，以喷淋水蒸发的形
式带走乏燃料组件产生的衰变热。

 

　　

2 喷淋系统设计 

　　喷淋系统的设计

——包括喷嘴的数量、布置方式、喷淋流量等——应确保其覆盖区域达

到整个乏燃料池表面，并有足够的有效流量，以保证带走可能储存在池中任何位置的乏燃
料组件衰变热。喷淋覆盖面积和有效喷淋流量是评估喷淋系统性能的两个重要指标。

 

　　

2.1 喷淋流量 储存在乏燃料池中的乏燃料衰变热随着储存时间的增加而减小（表 1），

假设喷淋水温度为

35

℃，以受热蒸发为水蒸气的形式带走热量，冷却燃料组件。表 1 中考

虑最苛刻的情况，即池中已储满乏燃料组件。从表

1 可以看出，新卸载的整堆芯释放较大的

衰变热，平均每个燃料组件所需的喷淋流量最大，达到

0.118m3/hr；而乏燃料池需要的总

喷淋流量达到约

21m3/hr。AP1000 设计中，有 2 组分别安装在东、西墙上的喷嘴，每组喷嘴

由不同的水源供水，单组喷淋流量达到～

91m3/hr，有足够的设计裕量。 

　　然而，最

“热”区域的燃料组件所需的最小冷却流量更高，因此在喷嘴选型、喷嘴分布等

设计因素中都需要考虑在最热区域提供足够的有效流量，而不仅满足总流量要求。

 

　　

2.2 喷淋覆盖面积 单个喷嘴的喷淋性能与喷嘴安装高度，供水压力，供水流量以及安

装角度等因素有关。西屋对某一型号喷嘴的研究发现，在喷嘴流量保持不变的情况下，有效
喷淋覆盖面积与安装高度的关系如图

2 所示。在一定高度范围内，喷嘴安装高度增加，喷淋

的有效覆盖面积也增大。这与一般喷嘴的喷幅曲线的结果一致（图

3）。依据特定的喷嘴性

能，

AP1000 的喷嘴安装高度在燃料组件之上约 7.5m 处，并以与竖直方向呈 30 度的角度进