乏燃料经过一段时间的燃烧,到达一定燃耗深度后从堆芯中取出的核燃料。乏燃料内部含有放射性核素,其衰变的同时会释放热量,被称为衰变热。这些热量必须及时移出,否则受到自身衰变热的影响,乏燃料棒温度逐渐升高,甚至造成包壳破损,放射性物质外泄。福岛核事故之后,乏燃料水池的安全问题备受关注。特别是在极端事故工况下,乏燃料水池破损,冷却水意外排空。传统的注水冷却方式难以实施,此情况下喷淋冷却方式将成为一种有效的冷却手段。AP1000和CAP1400机组均在乏燃料厂房内部设计增添喷淋冷却系统,通过冷却水直接喷淋到乏燃料组件上,带走衰变热。但受限于喷淋系统内冷却水的储存量,想要即保证乏燃料安全又能节省水量,延长冷却时间,选取最小的喷淋流量密度极为关键。本文针对选取最小喷淋流量密度以及乏燃料喷淋冷却效果开展实验研究,建造5×5燃料棒束喷淋冷却试验台架以及17×17棒束水量分配试验台架。喷淋冷却试验不仅研究了将不同衰变功率燃料棒包壳温度稳定在安全限值所需的最小喷淋流量密度,并且分析了喷嘴敏感性因素(喷嘴位置、雾滴中径)对冷却效果的影响以及周围棒束热功率对中心棒温度的影响;水量分配试验获得了喷淋流量密度的保守扩大系数,并分析17×17棒束的流量分配和温度分布。实验数据和研究结果可为乏燃料喷淋系统的设计提供支持和依据。主要结论包括:(1)获得了最小的喷淋流量密度,能够使燃料棒束各点温度处于稳定状态,且最高温度稳定在安全限值附近。(2)相同喷淋流量密度条件下,喷嘴位置的改变对燃料棒束的冷却效果影响较小,可忽略不计。(3)获得冷却效果最优的喷嘴雾滴中径范围850-950μm;(4)围绕目标棒的第一、.二层燃料棒束热功率对其温升起主要作用,最外层燃料棒对目标棒已无影响。(5)获得保守的喷淋流量密度扩大系数,并应用于17×17燃料组件,发现燃料棒的最高温度均能稳定于温度限值附近或足低于温度限值,且大部分燃料棒能够得到较充分的冷却,最高温度低于安全限值。