焦 峰，趙丹妮，車樹偉，鄭麗馨，孫國臣

（環(huán)境保護部核與輻射安全中心，北京 100082）

福島核事故后提高乏燃料水池儀表可靠性的經(jīng)驗反饋

焦 峰，趙丹妮，車樹偉，鄭麗馨，孫國臣*

（環(huán)境保護部核與輻射安全中心，北京 100082）

在福島核事故中，由于缺乏可靠的乏燃料水池儀表指示而影響了決策者對應(yīng)急響應(yīng)行動的部署，乏燃料水池的安全問題因此受到高度關(guān)注。福島核事故后，各國通過經(jīng)驗總結(jié)對乏燃料水池儀表的可靠性提出了更高的要求。本文介紹了中美兩國對于提高核電廠乏燃料水池儀表可靠性的相關(guān)要求以及美國發(fā)布要求的背景、命令的內(nèi)容及達到的要求時間限期；分析了美國河灣核電廠對美國提高乏燃料水池液位儀表可靠性的響應(yīng)行動；介紹了中國針對乏燃料水池液位儀表可靠性提出的要求，并對中美兩國的改進要求進行了分析比較。

福島核事故經(jīng)驗反饋；乏燃料水池；儀表可靠性

2011年3月11日，日本本州島海岸遭受了地震和海嘯襲擊，繼而引發(fā)了福島核事故。事故發(fā)生時，福島第一核電廠各機組及共用乏燃料水池中儲存了大量的乏燃料元件，見表1［1］。

表1 福島核事故發(fā)生時乏燃料水池中燃料組件數(shù)量Table 1 Number of fuelassembliesin spent fuelpoolswhen Fukushima accidentoccurred

在福島核事故的處理過程中，由于缺乏可靠的乏燃料水池液位信息，操縱員認(rèn)為福島第一核電廠4號機組乏燃料的鋯包殼有可能與冷卻水反應(yīng)產(chǎn)生了氫氣。為了防止乏燃料水池燃料元件裸露，應(yīng)急人員啟用了直升機空投、水炮、水泥泵車等手段對乏燃料水池進行補水。后來的分析表明，4號機組乏燃料水池的液位始終高于燃料頂部，沒有發(fā)生燃料組件顯著受損的情況。

在事故的處理過程中，由于缺乏乏燃料水池狀態(tài)信息，以致不能準(zhǔn)確判斷放射性釋放的可能性，從而影響了決策者對應(yīng)急響應(yīng)行動的部署。福島核事故表明，在超設(shè)計基準(zhǔn)事故中，沒有可靠的液位顯示可能導(dǎo)致困惑和不必要的資源浪費［2］。

1 美國發(fā)布提高乏燃料水池儀表可靠性命令的背景

在福島第一核電廠核事故發(fā)生后，美國核能管理委員會（NRC）系統(tǒng)地總結(jié)了福島第一核電廠核事故的經(jīng)驗教訓(xùn)，提出了一系列建議，并按各建議項對安全水平的貢獻進行了分類，其中關(guān)于乏燃料水池可靠的液位測量儀表被劃為高優(yōu)先級。

在福島核事故發(fā)生前，美國核電廠申請執(zhí)照時針對乏燃料儲存考慮的典型事故包括強制冷卻系統(tǒng)失效以及超出補水系統(tǒng)容量范圍的喪失乏燃料水池冷卻劑事故。因此，美國核電廠乏燃料水池依賴事故條件下保持足夠的水裝量，以實現(xiàn)包容、冷卻和屏蔽的安全功能。美國核電廠乏燃料水池一般都安裝窄量程液位儀表，只能監(jiān)測正常或稍微偏離的液位。

2012年3月12日，美國核管會對美國國內(nèi)的104座運行核電廠發(fā)布了第一批監(jiān)管要求，其中Order EA-12-051“乏燃料水池可靠儀表許可證修改命令”要求運行核電廠、建造許可證執(zhí)照者、聯(lián)合執(zhí)照持有者必須采取有效的方法寬量程地監(jiān)測乏燃料水池液位，以便在超設(shè)計基準(zhǔn)外部事故發(fā)生時能夠確定事故緩解和恢復(fù)行動的優(yōu)先順序［2］。

2 美國核監(jiān)管機構(gòu)對提高乏燃料水池儀表可靠性的要求

命令要求需要實施改進措施的乏燃料水池具備以下特性：（1）乏燃料水池是充滿水的儲存格架容器，用于存儲最近5年內(nèi)從堆芯卸出的乏燃料，這些燃料具有放射性。（2）如果設(shè)計時不同的乏燃料水池通過常開閘門實現(xiàn)水下乏燃料輸送，則由于這些乏燃料水池的連通性，可認(rèn)為是一個單一的乏燃料水池。

所有核電廠許可證持有者應(yīng)該設(shè)置乏燃料水池液位的可靠指示，由操作人員確定水池液位狀態(tài)。美國核能協(xié)會導(dǎo)則推薦的關(guān)鍵液位及其選取原則見表2。關(guān)鍵水位及其監(jiān)測要求如圖1所示［3］。

表2 美國核能協(xié)會推薦的關(guān)鍵液位及其選取原則Table2 Key levelsof spent fuel pooland selecting princip le recommend by NEIguide

圖1 美國核能協(xié)會導(dǎo)則要求監(jiān)測的三個關(guān)鍵液位及最小監(jiān)測間距Fig.1 A visual representation ofmonitoring levels1，2 and 3 and theassociated requirem ents form onitoring between the pointsof the NEIguide

乏燃料水池液位監(jiān)測儀表應(yīng)包括一個永久固定安裝的主要儀器通道和備用儀表通道。備用通道可以是固定式或移動式。乏燃料水池液位監(jiān)測通道的布置方式應(yīng)該能使液位指示功能不受乏燃料水池上方結(jié)構(gòu)遭破壞時產(chǎn)生的飛射物的影響。在乏燃料水池內(nèi)安裝儀表通道。在乏燃料水池所能承受的最大地震期間和之后，必須保持儀表通道的設(shè)計結(jié)構(gòu)不被破壞。必須保證主要和備用儀表通道在乏燃料水池水飽和狀態(tài)對應(yīng)的溫度、濕度和輻射水平條件下，在較長時間內(nèi)可靠。主要儀器通道應(yīng)當(dāng)與備用儀表通道相互獨立。固定安裝的儀表通道應(yīng)分別通過相互獨立的電源多路供電。應(yīng)為固定安裝和移動式儀表通道提供核電廠交流和直流分配系統(tǒng)以外的電源接口，例如移動式發(fā)電機或可更換的蓄電池。當(dāng)喪失廠外電源時，這類作為備用電源的廠內(nèi)發(fā)電機和為儀表通道供電的可更換式蓄電池要有足夠的容量，以維持液位指示功能，直到能夠提供可靠的廠外電源。在電源中斷或切換電源后，儀表應(yīng)該保持設(shè)計精確度而無需重新校準(zhǔn)［5］。儀表的設(shè)計應(yīng)該保證可實施例行監(jiān)測和校準(zhǔn)。經(jīng)過培訓(xùn)的人員應(yīng)當(dāng)能夠從控制室、后備停堆盤、或者其他適當(dāng)?shù)目蛇M入的位置監(jiān)測乏燃料池的液位。顯示屏應(yīng)該提供所需的或連續(xù)的乏燃料液位。

應(yīng)通過實施適當(dāng)?shù)某绦虮ＷC乏燃料池測量儀表的可用性和可靠性，這些程序涵蓋了員工訓(xùn)練、儀表檢測、儀表校準(zhǔn)、儀表的使用和調(diào)試等多個方面。

針對AP1000機組的設(shè)計特點，NRC要求聯(lián)合執(zhí)照持有者在認(rèn)證設(shè)計之外，增加關(guān)于乏燃料水池液位測量儀表布置、使用條件、供電可靠性、儀表精度、顯示設(shè)備和程序控制等方面的內(nèi)容，使AP1000機組達到提高乏燃料水池液位測量儀表可靠性命令的要求。

根據(jù)NRC和NEI的要求，美國核電廠應(yīng)在遞交整體綜合計劃后的兩個燃料循環(huán)期前或2016年12月31日前完成所有乏燃料水池液位測量儀表的改造工作，具體完成期限以二個限期中較短者為準(zhǔn)［3］。

3 美國核電廠執(zhí)照持有者對于NRC命令的響應(yīng)

美國核電廠執(zhí)照持有者按NRC命令的期限要求提交了核電廠初始狀態(tài)報告。在報告中，持有運行許可證和持有建造許可證的業(yè)主保證能夠按時完成主要改造活動。截止到2013年2月28日，美國運行核電廠向美國核管會陸續(xù)提交了整體綜合計劃。

美國核電廠執(zhí)照持有者普遍計劃采用兩列固定式儀表通道作為乏燃料水池液位監(jiān)測儀表，一列為主儀表通道，另一列作為備用儀表通道［6］。兩列儀表通道均使用導(dǎo)波雷達（GWR）技術(shù)。該儀表具有單儀表連續(xù)測量能力，測量范圍從關(guān)鍵水位level1上方至level3上部極限下方（考慮儀表誤差）。導(dǎo)波雷達液位測量儀表根據(jù)反射波（TDR）原理工作。該設(shè)備通過剛性或固定導(dǎo)體發(fā)射低強度電磁脈沖。當(dāng)電磁脈沖達到被測介質(zhì)的表面時，一部分信號會被反射回電氣元件，通過記錄信號傳播時間即可計算設(shè)備參考點和被測液面之間的距離。導(dǎo)波雷達液位測量儀表的工作原理如圖2所示。假設(shè)導(dǎo)波雷達液位測量儀安裝位置距水池底部高度為h，固定導(dǎo)體長度為L，測得信號傳播時間為T，信號傳播速度為C，則被測液體液位高度H的計算方程如下：

畿南積旱今尤酷，乞食車前常滿目。我來寂不見一人，身凍魂僵難出屋。大發(fā)神倉六十萬，湛恩足滿羸黎愿。長吏如能善奉行，窮檐定免生咨怨。一語還當(dāng)告憲司，不須查濫只查遺。官糧有放毋遲放，如此天寒最畏饑。[3]77

導(dǎo)波雷達/反射波系統(tǒng)的特點如下［7］：

傳感器探針浸沒在被測介質(zhì)中；設(shè)備性能不受灰塵、泡沫、晃動表面、沸騰表面、壓力變化、溫度變化、絕緣系數(shù)變化或密度變化的影響；要求將敏感的電子元器件安裝在乏燃料水池以外；功率低；無運動部件，簡化了安裝過程，減少了維護工作，能夠滿足NEI12-02的液位測量精度要求。

圖2 導(dǎo)波雷達液位測量儀表示意圖Fig.2 GuidedWaveRadar（GWR）based level measurement technology

本文以美國河灣核電廠的整體綜合計劃為例，說明美國核工業(yè)對于NRC命令的典型響應(yīng)情況：

（1）儀表通道的設(shè)計準(zhǔn)則

儀表通道由抗腐蝕、抗輻照的金屬探頭組成，該探頭浸在乏燃料水池液位以下，通過同軸電纜與相應(yīng)的顯示/處理單元相連。探頭量程涵蓋整個乏燃料水池液位范圍。探頭按照抗震要求安裝，探頭的設(shè)計能夠保障探頭在正常溫度或沸騰溫度的含硼水或不含硼水中正常工作。電纜及其連接線路能夠在設(shè)計輻射條件、212℉和100%濕度的條件下保持良好性能。應(yīng)保證探頭、線纜、接頭和在乏燃料水池區(qū)域內(nèi)安裝的其他硬件的性能不受地震（包括晃動）的影響。

在乏燃料水池區(qū)域里，電纜將會布置在抗震的金屬管道內(nèi)。在乏燃料水池以外區(qū)域，電纜將會布置在抗震金屬管道、托盤或溝槽內(nèi)。顯示/處理單元將會安裝在乏燃料水池區(qū)域以外容易到達的區(qū)域。

兩列通道的儀表電纜將會布置在不同的管道、托盤或溝槽布線上，探頭將會布置在乏燃料水池四角周圍的相對方向上。通過這類方法實現(xiàn)儀表通道的物理隔離。儀表通道的物理隔離一直延續(xù)到其顯示/處理單元。顯示/處理單元的布置可以接近或靠在一起。

一旦發(fā)生地震，探頭不應(yīng)損壞乏燃料水池的不銹鋼襯里，也不應(yīng)碰及乏燃料。在地震后液位儀表應(yīng)保持其功能。

小碎片或硼酸濃度的上升不應(yīng)影響探頭的性能。

（2）初步設(shè)計

主儀表和備用儀表均為固定式的，量程從Level1液位上方到Level3液位上限以下涵蓋了整個乏燃料水池液位范圍（考慮到儀表的誤差）。由于不要求在乏燃料水池區(qū)域內(nèi)操作液位儀表或獲取液位信息，因此液位儀表的顯示和信號處理單元將布置在控制廠房，儀表通道通過顯示/處理單元供電。在超設(shè)計基準(zhǔn)事故條件下，該廠房的環(huán)境條件能夠保證人員從主控室到達該區(qū)域。該廠房提供了恰當(dāng)?shù)姆雷o，能夠抵擋高溫、洪水、蒸汽、放射性、地震和飛射物的危害。在惡劣的環(huán)境條件下，儀表顯示能夠保持高精度。

儀表通道的誤差小于±3英尺，否則應(yīng)進行精度分析。因此，乏燃料水池液位儀表的量程應(yīng)從Level1液位上方3英尺（含）以上處直到Level3液位上限以下至少3英尺處的范圍內(nèi)進行涵蓋。按照NEI12-02第1版的選定準(zhǔn)則，選取的3個關(guān)鍵液位見表3。

表3 美國河灣核電廠選取的乏燃料水池關(guān)鍵液位Table 3 Key levelsof SFP selected by River Bend Plantof the U.S.

兩列通道的顯示/信號處理單元正常運行時使用120V交流電源，分別由兩路獨立的480V母線供電。當(dāng)喪失交流電源時，兩臺信號處理單元能夠自動切換到各自的后備電池或不間斷電源（UPS）供電，維持正常運轉(zhuǎn)。后備電池和不間斷電源位于信號處理單元內(nèi)，滿足抗震要求，能夠在控制廠房內(nèi)部環(huán)境下正常工作。信號處理單元也設(shè)計成能與外部可移動直流電電源相連接。乏燃料水池液位測量儀表接線和電力供應(yīng)簡圖如圖3所示。

圖3 簡化的乏燃料水池儀表（SFPI）接線和電力供應(yīng)圖Fig.3 Sim p lified connection and power supp ly d iagram of SFPI

主儀表和后備儀表均滿足抗震一級的要求。安裝在乏燃料水池廠房的其他設(shè)備也需進行抗震分析，確保在地震期間不會對乏燃料水池儀表探頭造成不利影響［7］。

美國核管會在收到美國核電廠執(zhí)照持有者的整體綜合計劃后，委托MEGA-TECH服務(wù)公司對整體綜合計劃進行技術(shù)審評，并于2013年5月向各業(yè)主發(fā)出了提交補充信息要求的函件。截止到2013年5月，各業(yè)主已確定乏燃料水池液位儀表改造技術(shù)路線和供貨商，并已編制完成設(shè)備技術(shù)規(guī)格書，采購訂單正在執(zhí)行中，設(shè)計變更也在進行中。2014年第一季度開始實施改造［8］。

4 我國針對乏燃料水池儀表提出的改進要求

我國對福島核事故中乏燃料水池可能排空引發(fā)燃料裸露的現(xiàn)象進行了跟蹤研究［9］，并對乏燃料水池失去最終熱阱進行了安全分析［10］。福島核事故發(fā)生后，我國提出從日本福島核事故中審視核安全的政府、法律和監(jiān)管框架［11］，實施了核安全大檢查并提出了改進管理要求。國家核安全局發(fā)布了《福島事故后核電廠改進行動通用技術(shù)要求》［12］（以下簡稱《通用技術(shù)要求》）。其中第四項“乏燃料池監(jiān)測的技術(shù)要求”與美國核管會的OrderEA-12-051相似。在《通用技術(shù)要求》中，對福島核事故后改進行動中乏燃料水池監(jiān)測部分提出的要求包括對監(jiān)測手段、監(jiān)測范圍、監(jiān)測儀表和系統(tǒng)可用性的要求。該技術(shù)要求適用于國內(nèi)在建和運行壓水堆核電廠。

《通用技術(shù)要求》規(guī)定：通過增設(shè)乏燃料水池監(jiān)測設(shè)備和手段，如液位、溫度監(jiān)測以獲取事故后乏燃料水池的必要信息。所需監(jiān)測的關(guān)鍵液位為滿足輻射屏蔽需要、提示操縱員補水或表示乏燃料開始裸露等水位。對于乏燃料水池液位的測量范圍，規(guī)范要求測量區(qū)間應(yīng)包括乏燃料開始裸露的水位到滿水位，可以采用連續(xù)測量或間斷式測量設(shè)備和手段。間斷式測量的測點布置應(yīng)滿足必要的關(guān)鍵水位報警和指導(dǎo)操縱員進行相關(guān)補水操作的需要。此外，通用技術(shù)要求還規(guī)定乏燃料水池儀表應(yīng)能夠連續(xù)測量乏燃料水池的水溫。在主控室或其他適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置液位和溫度測量相關(guān)指示信息，并設(shè)置相應(yīng)的報警。液位和溫度測量應(yīng)在設(shè)計基準(zhǔn)地震下保持功能。在設(shè)計時應(yīng)考慮喪失全部交流電源（包括廠址附加柴油機）供電的情況下對乏燃料水池儀表系統(tǒng)的供電。液位和溫度測量應(yīng)保證在相應(yīng)環(huán)境條件下設(shè)備的可用性。液位和溫度測量設(shè)備應(yīng)為寬范圍量程，滿足抗震要求。

中美兩國對乏燃料水池儀表可靠性改進要求的主要異同點見表4。

表4 中美兩國乏燃料水池儀表可靠性要求的異同點Table4 Comparison of the reliability requirement for SFPIbetween America and China

5 總結(jié)

根據(jù)福島核事故的經(jīng)驗教訓(xùn)，美國核管會針對乏燃料水池液位儀表提出了相關(guān)許可證修改命令，該命令旨在提高核電廠乏燃料水池液位儀表的可靠性，以便在超設(shè)計基準(zhǔn)外部事故發(fā)生時，能夠確定事故緩解和恢復(fù)行動的優(yōu)先順序。美國核監(jiān)管當(dāng)局通過發(fā)布美國核管會臨時員工指導(dǎo)和美國核能協(xié)會導(dǎo)則文件的形式，對核電業(yè)主提出了具體的改進要求。

福島核事故后，我國國家核安全局局長李干杰提出了堅持科學(xué)發(fā)展，確保核與輻射安全的目標(biāo)［13］。尤其是吸取福島核事故經(jīng)驗教訓(xùn)，加強嚴(yán)重事故研究，提高核電廠安全水平［14］。我國在《核安全與放射性污染防治“十二五”規(guī)劃及2020年遠(yuǎn)景目標(biāo)》中對核電廠的安全提出了明確要求［15］。依據(jù)福島核事故后國內(nèi)核安全檢查結(jié)論，參考美國核管會“21世紀(jì)提高反應(yīng)堆安全性的建議”我國國家核安全局編制了《福島核事故后核電廠改進行動通用技術(shù)要求（試行）》。美國核監(jiān)管當(dāng)局和核電廠執(zhí)照持有者對于乏燃料水池儀表可靠性的改進行動可以為我國實施相關(guān)改造提供借鑒和參考。

［1］Nuclear Emergency Response Headquarters Government of Japan.Reportof the Japanese Government to the IAEA M inisterial Conference on Nuclear Safety-The Accidentat TEPCO’s Fukushima Nuclear Power Stations［R］.Tokyo：Nuclear Emergency Response Headquarters Government of Japan，2011.

［2］NRC.Order Modifying Licenses w ith Regard to Reliable Spent Fuel Pool Instrumentation（EA-12-051）［R/OL］. Washington D.C.：NRC，2012.［2014-12-21］http：//www. nrc.gov/reactors/operating/ops-experience/japan-dashboard/ spent-fuel.htm l.

［3］Nuclear Energy Institute.Industry Guidance for Compliance w ith NRC Order EA-12-051，To Modify Licenses with Regard to Reliable Spent Fuel Pool Instrumentation，Revision 1，NEI 12-02［R］.W ashington D.C.：Nuclear Energy Institute，2012.

［4］NRC.Comp liancew ithOrder EA-12-051，ReliableSpent Fuel Pool Instrumentation，Revision 0，NRC Interim Staff Guidance JLD-ISG-2012-03［R］.Washington D.C.：NRC，2012.

［5］NEI.Diverseand FlexibleCoping Strategies（FLEX） Implementation Guide（NEI 12-06，Rev.0）［R/OL］.Washington D.C.：Nuclear Energy Institute，2012.［2014-11-28］http：//www.nrc.gov/reactors/operating/ops-experience/japandashboard/mitigation-strategies.html.

［6］Entergy Corporation Indian Point Energy Center.Indian Point Energy Center Reliable Spent Fuel Pool Instrumentation Overall Integrated Implementation Plan，Rev.1，12-4116. IPEC.V002［R］.Buchanan，New York：Entergy Corporation Indian PointEnergy Center，2013.

［7］Entergy Corporation River Bend Station.Overall Integrated Plan For Reliable Spent Fuel Pool Instrumentation，Document No.12-4116.RBS.V002，Revision 0（ADAMS Accession No.M L13066A510）［R］.Buchanan，New York：Entergy Corporation River Bend Station，2012.

［8］NRC.The United States of America National Report for the 2012 Convention on Nuclear Safety Extraordinary Meeting［R］.Washington D.C.：NRC，2012.

［9］陳海英，劉圓圓，張春明，等.福島乏燃料水池事故探討［J］.核安全，2012（2）：76-78.

［10］李燦，凌星.核電站乏燃料貯存水池失去最終熱阱時的安全分析［J］.核動力工程，2006，27（5）：70-73.

［11］李宗明.從日本福島核事故審視核安全的政府、法律和監(jiān)管框架［J］.核安全，2012（2）：1-8.

［12］國家核安全局.國核安發(fā)［2012］98號福島核事故后核電廠改進行動通用技術(shù)要求（試行）［EB/OL］.北京：國家核安全局，（2012-06-12）［2014-11-16］.http：//www.zhb. gov.cn.

［13］李干杰.堅持科學(xué)發(fā)展確保核與輻射安全［J］.核安全，2012（4）：4-9.

［14］王中堂.加強嚴(yán)重事故研究，提高核電廠安全水平［J］.核安全，2014，13（44）：1-3.

［15］國家核安全局.核安全與放射性污染防治“十二五”規(guī)劃及2020年遠(yuǎn)景目標(biāo)［Z］.北京：國家核安全局，2012.

Experience Feedback of Fukushima Nuclear Accident to Im prove the Reliability ofSpentFuelPool Instrument

JIAOFeng，ZHAODanni，CHEShuwei，ZHENG Lixin，SUNGuochen*
（Nuclearand Radiation SafetyCenter，MEP，Beijing100082，China）

Due to lack ofa reliable instrumentindicationof thespentfuelpoolduring Fukushimanuclearaccident，itwas unable to take available emergencymeasures timely.So the safety issues of spent fuel poolswerepaid high attention to.After Fukushimaaccident，based on the lessons learned in the spent fuelpool instrumentation reliability，many countriesmakehigher requirement for thespentfuelpool instrumentation.In thisarticle，the requirements for improving the spent fuel pool instrumentation reliability of nuclear power plants in China and Americawere described.NRC requirements about publishing background，command content，time lim itof implementing the requirementswere introduced briefly.And the responseaction to improve the spent fuelpool instrumentation reliability of the America’sRiver Bend Station wasanalyzed.The requirements for thespent fuelpool instrumentreliability in China，and comparisonbetween theSino-US requirementsweredescribed.

experience feedback of Fukushimanuclearaccident；spent fuelpool；instrumentreliability

TL48

：C

：1672-5360（2015）04-0017-07

2014-12-19

2015-01-20

焦 峰（1985—），男，山西高平人，工程師/研究生，熱能工程，現(xiàn)主要從事核電廠運行事件和安全重要物項修改審評工作

*通訊作者：孫國臣，E-mail：sunguochen@chinansc.cn