作者:马修·肯尼迪，核工程师
乏燃料池是一个冷却全部或部分辐照燃料棒的装置系统。10 CFR第72部分要求在储存期间保护乏燃料包壳，防止降解导致严重破裂。核燃料包壳已被证明在高温下会降解和破裂;因此，组件存储在一个大水池中，直到组件衰变热低到足以包装和运输到最终储存库或临时干燥存储。图1提供了具有棋盘式加载模式的代表性乏燃料池。棋盘式加载模式用于通过放置较冷的(蓝色和黄色)组件或空的(白色)机架位置来提供相对热的和活性的组件(红色)之间的间距。
最近的工业事件表明，在超出设计基础的事故中，乏燃料池中的燃料有可能升温，失效，并向环境释放放射性物质。在美国，由于最终燃料库的现状存在问题，许多公用事业公司都在寻求乏燃料的临时存储解决方案。这些临时选择包括干储存，扩大现有池库存，或将燃料运送到其他反应堆地点进行临时储存。
干式燃料储存是昂贵的(建造、分析和许可费用)，并且只能在通过放射性衰变显著降低衰变热的情况下使用。因此，这种办法通常用作临时储存乏核燃料的最后办法。一种更有效、成本更低的乏燃料储存方法是扩大现有乏燃料池的容量。为了扩大目前的蓄水池库存，许多公用事业公司已经利用中子和热水力模型和计算的进步来完善早期的分析。这导致了高密度乏燃料池架的发展。高密度燃料架允许燃料存储更近，从而增加了可存储在池中的组件的数量，而不违反系统的临界或温度限制。
由于最近的行业事件，几家公用事业公司已经采取措施，以了解在超出设计基础的事故下，乏燃料池中存储的燃料将如何表现。由于乏燃料池水的热惯性较大，且燃料组件的初始衰变热较低，乏燃料池事故与反应堆事故不同。此外，乏燃料池的瞬态分析是复杂的，因为在储存的核燃料中存在多种燃料设计、功率水平和辐照时间。模块化事故分析程序(MAAP)由电力研究所(EPRI)拥有，由Fauske & Associates LLC开发和维护，是一个能够在乏燃料池严重事故场景下对瞬态响应进行建模的程序。该模型包括冷却损失时的初始燃料热、锆-空气/蒸汽氧化现象、燃料熔化、熔融芯-混凝土相互作用(MCCI)和裂变产物释放。乏燃料池模型首次出现在MAAP5 5.01版本中，并在后续版本中不断改进。
图2和公式1提供了MAAP模拟中所考虑的计算的简单模型。由图2和公式1可知，池热Qpool由燃料棒上未盖部分的辐射换热(Qrad)、蒸汽部分和水部分的对流换热(Qconv，蒸汽& Qconv,H2O)、池沸腾(Qboil)的热损失项和乏燃料池冷却系统(Qcooling)决定。该图和方程提供了废燃料池严重事故中发生的整体现象的简化分析。
MAAP乏燃料池模型能够模拟核反应堆场址乏燃料池中可能发生的瞬态和事故情况。该模型还包含指定紧急冷却操作的能力。这些紧急行动既可以是设计好的保障功能，也可以根据现场紧急情况或FLEX战略进行协调。为了防止裂变产物的释放，许多公用事业公司对事故缓解系统的时间感兴趣。
下面的讨论提供了一个样本分析的损失乏燃料池冷却系统在一个假设的反应堆现场延长一段时间。该样本是对一个乏燃料池的代表性分析，该乏燃料池之前有15批压水堆(每批70-80个组件)，此外还有一个完整的堆芯卸载(大约200个组件)。本讨论提供了一些可以在严重事故中进行评估的关键指标。图3显示了瞬态过程中乏燃料池水的减少情况。这个数字显示了由于蒸汽导致的水位下降，直到水位接近于零(大约150小时)，这表明整个库存已经被煮沸了。图4显示了同一序列的瞬态最高燃料温度。该图表明，燃料温度是恒定的，直到
水位明显下降。然后，由于缺乏冷却，燃料的温度迅速升高。这表明乏燃料组件已被暴露，冷却组件的能力已被移除。图中显示了最高乏燃料温度的迅速下降，这与温度最高的乏燃料的熔化和重新定位相对应。在乏燃料池的底部形成了一个堆芯熔池，一种被称为熔芯混凝土相互作用(MCCI)的现象开始了。最高燃料温度随之升高，因为较老的、衰变功率较低的燃料没有像最近的、衰变功率较高的燃料那样迅速升温，缺乏冷却。这部分乏燃料然后融化并加入到地板上的堆芯熔化池中，这可以从燃料温度的第二次大幅下降中看到。然后，最高温度达到一个恒定值，略高于零，对于序列的其余部分，这意味着整个池库存已经融化并重新定位到乏燃料池的底部。非零值对应于代码中默认的燃料温度，一旦所有燃料都从核心区域转移。这两个数字只是潜在分析潜力的一个样本，可以使用MAAP5乏燃料池模型进行评估。
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