漢福特場區(qū)反應(yīng)堆安全封存分析

王海良

（中核四川環(huán)保工程有限責(zé)任公司，四川 成都 610006）

漢福特場區(qū)反應(yīng)堆安全封存分析

王海良

（中核四川環(huán)保工程有限責(zé)任公司，四川 成都 610006）

美國漢福特場區(qū)的9座生產(chǎn)堆（B、C、D、DR、F、H、KE、KW和N）屬于天然鈾石墨水冷堆。1993年，美國能源部決定將8座生產(chǎn)堆（B堆除外）進(jìn)行中間安全貯存（封存），封存期為75年；B反應(yīng)堆作為歷史博物館永久保存，并向公眾開放。截至2013年，美國已先后成功完成C、F、DR、D、H、N反應(yīng)堆的安全封存，KE、KW堆的安全封存將在隨后幾年完成。文章以C反應(yīng)堆的安全封存為例，介紹了反應(yīng)堆安全封存的實(shí)施等內(nèi)容。

漢福特場區(qū)；生產(chǎn)堆；退役；中間安全貯存；安全封存；堆本體

大型石墨生產(chǎn)堆退役技術(shù)復(fù)雜，工程實(shí)施難度大，有些關(guān)鍵技術(shù)還沒有得到解決，這對反應(yīng)堆退役策略選擇構(gòu)成了制約，在沒有可靠的技術(shù)和配套的放射性廢物處置能力的前提下，大型石墨堆退役會采取延遲退役策略，從反應(yīng)堆關(guān)閉到最終拆除需要幾十年甚至更長時(shí)間，在此過程中需要使反應(yīng)堆處于安全狀態(tài)，可能需要對堆本體進(jìn)行安全貯存（封存）。對于石墨反應(yīng)堆，一些國家進(jìn)行了石墨堆芯拆除（拆下來的石墨處于暫存中），也研究了一些石墨處理技術(shù)，但到目前為止，尚沒有工程規(guī)模的石墨處理設(shè)施及石墨處置設(shè)施，所以對于大型石墨生產(chǎn)堆，是否對反應(yīng)堆進(jìn)行拆除仍需嚴(yán)格論證，對堆本體進(jìn)行封存，使其處于安全貯存狀態(tài)可能是無奈的選擇，美國漢福特就對石墨生產(chǎn)堆采取中間安全貯存的策略，本文以漢福特的C反應(yīng)堆為例，介紹漢福特場區(qū)天然鈾石墨水冷生產(chǎn)堆安全封存的實(shí)施以及安全封存期間的監(jiān)護(hù)。

1 漢福特場區(qū)生產(chǎn)堆退役概況

1.1 生產(chǎn)堆運(yùn)行概況

漢福特場區(qū)建于第二次世界大戰(zhàn)期間，為美國能源部所有。場區(qū)內(nèi)建有9座天然鈾石墨水冷型生產(chǎn)堆，分別是B、C、D、DR、F、H、KE、KW和N。其中，N反應(yīng)堆具有雙重功能，除生產(chǎn)钚外，還利用蒸汽發(fā)電，其余8座生產(chǎn)堆則主要用來生產(chǎn)軍用的钚。9座生產(chǎn)堆建于1942—1955年，于1943—1987年陸續(xù)運(yùn)行（見表1）。

1.2 生產(chǎn)堆退役情況

8座生產(chǎn)堆（N堆除外）在設(shè)計(jì)、建造方面十分相似。停堆后，卸出了8座生產(chǎn)堆內(nèi)的燃料，將所有的放射性材料從反應(yīng)堆區(qū)域移走。同時(shí)，在短期安全貯存期間，對運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行了去污和常規(guī)輻射調(diào)查。1976年，開始對8座生產(chǎn)堆及其相關(guān)的輔助設(shè)施進(jìn)行退役。經(jīng)過分析對比，1993年，美國能源部決定對8座生產(chǎn)堆采取安全封存75年后延期整體移至位于西區(qū)的處置設(shè)施進(jìn)行處置的退役策略。首先將8座生產(chǎn)堆中的5個(gè)（C、D、DR、F和H）進(jìn)行安全封存。余下的3座反應(yīng)堆中，B反應(yīng)堆作為歷史文物永久保存下來，向公眾開放，KE和KW將作為隨后兩個(gè)進(jìn)行安全封存的反應(yīng)堆。2010年，美國能源部決定拓寬8座生產(chǎn)堆原有的退役策略，在保留原來安全封存75年后，延期整體移走的退役策略基礎(chǔ)上，增加立即拆除的退役策略[1]。

1996年，C反應(yīng)堆被選為第一個(gè)反應(yīng)堆進(jìn)行安全封存。兩年后，即1998年，完成了C反應(yīng)堆的安全封存。在吸收借鑒C反應(yīng)堆安全封存技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，DR、F、D、H和N反應(yīng)堆分別在2002年、2003年、2004年、2005年和2012年完成安全封存。KE、KW反應(yīng)堆的安全封存將于隨后幾年完成。

表1 漢福特場區(qū)9座生產(chǎn)堆運(yùn)行歷史Table1 Operation history of nine production reactors at Hanford site

2 安全封存的實(shí)施

2.1 C反應(yīng)堆物理描述

反應(yīng)堆廠房為鋼筋混凝土和混凝土塊構(gòu)筑，大小為105.5 m×47.5 m×36.6 m。反應(yīng)堆本體周圍的下層為鋼筋混凝土墻壁，厚度為0.9～1.5 m，而堆本體上層則為輕混凝土或波紋石棉，屋頂則主要為預(yù)制混凝土板。除堆本體外，反應(yīng)堆廠房混凝土總體積約為330 m3。反應(yīng)堆廠房內(nèi)包括堆本體、反應(yīng)堆控制室、乏燃料卸料區(qū)、燃料貯存池、通排風(fēng)系統(tǒng)、惰性氣體系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、輔助辦公室、車間和實(shí)驗(yàn)室。

堆本體是反應(yīng)堆廠房的主要部分。在石墨慢化砌體中，石墨塊呈十字交叉形放置，中間插入工藝管、控制棒和其他設(shè)備，石墨砌體安裝在鑄鋼聯(lián)鎖塊構(gòu)筑而成的厚度為8～10 in的熱屏蔽中。反應(yīng)堆每個(gè)熱屏蔽都含有重量約為91 t的鉛。熱屏蔽外包圍著鋼和纖維制的厚度約為40～83 in的生物屏蔽。生物屏蔽為堆本體總重量的50%。堆本體頂部和四周包圍拱形的鋼制外殼，外殼對堆本體的貫穿件有氣封。堆本體放置在一個(gè)大型的混凝土地基上，堆本體重達(dá)8 100～11 000 t。堆本體和地基之間有一個(gè)厚度為0.635 cm的鋼制隔膜板，將二者隔離開來。控制棒水平穿過堆本體，安全棒則垂直從本體頂部穿過。一旦發(fā)生緊急情況，應(yīng)急關(guān)閉系統(tǒng)中的鋼棒和硼棒就會掉入安全棒管，使反應(yīng)過程中斷。工藝管則水平從前面穿到后面。

2.2 C堆安全封存的工作內(nèi)容

C堆安全封存工程包括拆除燃料貯存槽、燃料檢驗(yàn)設(shè)施、輔助廠房以及反應(yīng)堆屏蔽墻外包圍反應(yīng)堆的所有構(gòu)筑物部分。在廠房外頂部安裝鋼墻板，余下的構(gòu)筑物上安裝一個(gè)新的鋼屋頂，利用現(xiàn)有的屏蔽墻（0.9～1.5 m厚度的鋼筋混凝土）作為廠房新的外圍墻，將反應(yīng)堆包圍起來，防止其受天氣影響。封堵屏蔽墻的貫穿孔，防止動物、昆蟲入侵或水滲入，最終安全封存結(jié)構(gòu)。屏蔽墻內(nèi)的松動沾污部件需拆除或者盡可能固定。為支持監(jiān)測和監(jiān)護(hù)活動安裝一個(gè)帶有永久照明和通風(fēng)換氣的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。反應(yīng)堆保留一個(gè)入口，門被焊接關(guān)閉，便于對設(shè)施進(jìn)行定期檢查（每5年一次）。

2.3 C反應(yīng)堆安全封存的實(shí)施[2]

（1）安全封存的準(zhǔn)備工作

為了開展反應(yīng)堆安全封存前的退役去污工作，需進(jìn)行前期準(zhǔn)備工作，包括建立控制區(qū)，出口/入口通道，項(xiàng)目辦公室和人員工作輔助設(shè)施，應(yīng)急站，電源照明系統(tǒng)、通信、消防、HEPA過濾和廠房報(bào)警系統(tǒng)。

（2）退役和拆除

為提高退役和拆除效率，C反應(yīng)堆廠房被劃分為兩個(gè)單元：單元I和單元Ⅱ。單元I包括屏蔽墻外的部分設(shè)施，大部分都需要退役、拆除。單元Ⅱ包括屏蔽墻內(nèi)的所有部分，部分要清除的不必要設(shè)備以及由屏蔽墻和屋頂形成的用以保護(hù)堆本體的安全封存設(shè)施。單元Ⅱ內(nèi)的設(shè)備設(shè)施將處于安全封存狀態(tài)約75年。單元再劃分為區(qū)，區(qū)再劃分為室。最初的退役去污，首先需要減少一切危險(xiǎn)物質(zhì)，然后對部件或構(gòu)件進(jìn)行去污，直到能夠進(jìn)行拆除。

（3）安全封存結(jié)構(gòu)的構(gòu)建

1）屋頂結(jié)構(gòu)

C反應(yīng)堆安全封存前，廠房主要是鋼筋混凝土、結(jié)構(gòu)鋼和石棉水泥板結(jié)構(gòu)。經(jīng)過研究和對比，C反應(yīng)堆安全封存屋頂采用鋼梁托架的不銹鋼板。利用現(xiàn)成的屏蔽墻作為支撐結(jié)構(gòu)的主要部分，屋頂形狀設(shè)計(jì)為傾斜形，該結(jié)構(gòu)不但適合屏蔽墻結(jié)構(gòu)，而且可避免雨雪對屋頂?shù)挠绊憽?/p>

新的屋頂由預(yù)制鋼托梁和帶一個(gè)不銹鋼板金屬屋頂板的剛托梁支架組成，不銹鋼金屬屋頂板使用壽命長且不需太多維護(hù)。屋脊沿著內(nèi)部屏蔽墻呈北南方向，屋脊東面屋頂?shù)钠露葹?∶12，西面為12∶6。屋頂與屏蔽墻頂部間的開口區(qū)使用與屋頂相同的材料封閉。屋頂固定在屏蔽墻頂部。為了防止污染擴(kuò)大、動物入侵以及便于將來一次性移走堆本體，堆本體采用類似熱收縮膜的材料密封起來。密封堆本體前，使用螺栓將安全棒擰緊固定。

2） 屏蔽墻結(jié)構(gòu)

屏蔽墻為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，位于連續(xù)底座上，厚度為1～1.25 m不等，地基在廠房地面下約5.2 m。反應(yīng)堆頂部的現(xiàn)有房間由屏蔽墻支撐，屏蔽墻周圍和上方不必要的結(jié)構(gòu)需拆除，從而減輕屏蔽墻負(fù)擔(dān)。同時(shí)，屏蔽墻需進(jìn)行部分改動，包括封閉開口、密封貫穿孔、在穿過內(nèi)部屏蔽墻的第一層設(shè)立一個(gè)工作人員入口。此外，在屏蔽墻外圍包覆一層保護(hù)涂層。

3）開口和貫穿孔的密封

作為反應(yīng)堆去污退役工作必不可少的重要組成部分，屏蔽墻外部的所有結(jié)構(gòu)需拆除。由于管道、排風(fēng)管、門、工藝管等的拆除，屏蔽墻上產(chǎn)生了許多開口和貫穿孔。屏蔽墻上的所有開口可分為兩類：一類是小開口，如管道和線路貫穿孔；另一類是大開口，如HVAC管道、門、人行道、燃料運(yùn)輸區(qū)開口等。為了反應(yīng)堆安全封存，這些開口需進(jìn)行封閉，貫穿孔需密封。

對于小開口，可采用消防塞、焊帽、泡沫法密封。消防塞密封最適合直徑為100 mm以下的開口。焊帽方法是密封直徑超過50 cm的較大管道的最佳選擇。泡沫密封方法適用于大小不一的開口密封且成本低、質(zhì)量高。已有應(yīng)用技術(shù)中，硅泡沫密封是最佳的，因?yàn)樵摷夹g(shù)具有易安裝、零泄漏、抗紫外線和輻射、無毒等優(yōu)點(diǎn)。

對于屏蔽墻上的大開口，如HVAC管、門、人行道、管道、燃料運(yùn)輸墻洞等，最佳選擇方法是使用混凝土塊密封。

漢福特場區(qū)供水管線與安全封存設(shè)施是相互分離的，所有的下水道管、管溝、潛水箱都已被堵塞住。

C反應(yīng)堆已經(jīng)停堆多年，作為停堆和去污的一部分，液體已經(jīng)盡可能排除干凈。檢查管道系統(tǒng)的低端，確保無任何液體流出。作為安全封存的一部分，廠房內(nèi)已污染的管道系統(tǒng)，如氣體管和工藝流管，已經(jīng)進(jìn)行密封，因此，在安全封存監(jiān)護(hù)期間，不會出現(xiàn)液體。地面排水溝已進(jìn)行密封，在安全封存設(shè)施內(nèi)沒有下水道。

4）安全封存監(jiān)測維護(hù)系統(tǒng)

① 電源照明系統(tǒng)

電源照明系統(tǒng)主要是為安全封存準(zhǔn)備工作和安全封存后的監(jiān)測維護(hù)檢查提供電源，負(fù)載包括室內(nèi)和室外照明，廠房參數(shù)控制和監(jiān)測系統(tǒng)（CMS），插座，安全封存設(shè)施通風(fēng)（送風(fēng)和排風(fēng)機(jī)）、安全封存設(shè)施公用室的采暖和通風(fēng)。電源照明系統(tǒng)相關(guān)的所有設(shè)備都放置在安全封存設(shè)施外部，從而允許工作人員無需進(jìn)入安全封存設(shè)施便可進(jìn)行維護(hù)工作。

② 控制和監(jiān)測系統(tǒng)（CMS）

完成相應(yīng)去污和退役后，整個(gè)設(shè)施將置于安全封存狀態(tài)。只有當(dāng)進(jìn)行監(jiān)護(hù)檢查和維護(hù)活動時(shí)，才進(jìn)入安全封存設(shè)施。為了持續(xù)監(jiān)測和控制安全封存設(shè)施，采用一個(gè)整合本地傳感器、信號傳輸以及遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測功能的控制和監(jiān)測系統(tǒng)（CMS），CMS主要負(fù)責(zé)提供安全封存設(shè)施的監(jiān)測和控制參數(shù)，控制和監(jiān)測系統(tǒng)的功能主要是通過監(jiān)測主要的廠房參數(shù)來確認(rèn)安全封存狀況；同時(shí)，為工作人員進(jìn)入密封設(shè)施進(jìn)行監(jiān)護(hù)檢查弄清楚密封情況。

探測裝置包括傳感器和攝像機(jī)。傳感器由壓力計(jì)、熱量探測器和流量裝置組成。攝像機(jī)帶有遙攝和移動功能，可以拍攝到工作區(qū)前方、后方；儀器實(shí)驗(yàn)室；內(nèi)部控制棒室、安全棒室和管道，從而在兩次監(jiān)視（護(hù)）檢查之間監(jiān)測到安全封存設(shè)施內(nèi)部的情況。一旦安全封存設(shè)施內(nèi)產(chǎn)生溫度升高警報(bào)，提示可能有火災(zāi)發(fā)生時(shí)，該探測裝置能夠立即做出診斷。此外，安全封存設(shè)施內(nèi)部一些重要部位的墻上安裝有固定的攝像機(jī)，用以監(jiān)測安全封存的狀況。

所有傳感器和攝像機(jī)都與安全封存控制間的CMS儀器盤連接。CMS儀器盤與遠(yuǎn)程監(jiān)測站之間通過適合中程數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈⒉▊鬏斶M(jìn)行通信。遠(yuǎn)程控制監(jiān)測站的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)采用可編程序邏輯控制器（PLC）監(jiān)測技術(shù)。

3 反應(yīng)堆安全封存期間的監(jiān)護(hù)活動[3]

C反應(yīng)堆安全封存期間的主要活動便是對安全封存設(shè)施進(jìn)行定期監(jiān)測，從而確保結(jié)構(gòu)完整，限制危險(xiǎn)物質(zhì)向環(huán)境泄漏，保護(hù)環(huán)境和公眾。C反應(yīng)堆安全封存屬于所需維護(hù)最少的設(shè)施。每隔5年定期對可進(jìn)入的內(nèi)部區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測，檢查設(shè)施的狀況。監(jiān)測的頻率可根據(jù)后續(xù)的檢查歷史做出相應(yīng)的調(diào)整。非常規(guī)監(jiān)測活動包括監(jiān)測設(shè)備和廠房必要的檢修。C反應(yīng)堆廠房屋頂和建筑結(jié)構(gòu)的外部檢查每年一次，屋頂入口無需檢查，除非需要維修。需從廠房地面對屋頂進(jìn)行外觀檢查，防止出現(xiàn)任何潛在的功能退化，如防雨板松動等。

C反應(yīng)堆安全封存屬于去活化設(shè)施，需保持監(jiān)護(hù)直到最終退役完成。有計(jì)劃性的監(jiān)護(hù)活動包括：保持結(jié)構(gòu)完整、屏障和設(shè)置標(biāo)桿、放射性調(diào)查、限制系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)部件的檢修、危險(xiǎn)物質(zhì)的移除。

4 結(jié)束語

2003年，工作人員進(jìn)入漢福特場區(qū)C反應(yīng)堆安全封存設(shè)施進(jìn)行第一次5年常規(guī)檢查。檢查發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)堆仍保持著安全封存時(shí)的狀態(tài)，沒發(fā)生任何變化。美國漢福特場區(qū)反應(yīng)堆安全封存的成功實(shí)施表明：反應(yīng)堆安全封存創(chuàng)建了一種安全環(huán)保的安全結(jié)構(gòu)，同時(shí)還大大減少了監(jiān)測維護(hù)成本。我國生產(chǎn)堆退役是否要采取與漢福特8座生產(chǎn)堆退役相同或相似的策略，如果要對堆本體進(jìn)行封存，封存年限為多長，如何進(jìn)行安全封存（例如封存前廠址的準(zhǔn)備，封存結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，封存期間的監(jiān)護(hù)等），對這些課題宜盡早進(jìn)行系統(tǒng)研究，制定計(jì)劃并實(shí)施解決所涉及的技術(shù)和管理問題。

[1] Federal Register/Vol. 75，No. 141/Friday，July 23，2010/Notices.

[2] Engineering and Planning for Reactor 105-C Interim Safe Storage Project Subcontract No.0100C-SC-G0001 Conceptual Design Report[R]. BHI-00537，Volume 1，Rev. 0，Bechtel Hanford，Inc.，Richland，Washington，1996 .

[3] Surveillance and Maintenance Plan for the 105-C Reactor Safe Storage Enclosure[R]. DOE/RL-98-44，Rev. 0，United States Department of Energy，Washington，1998.

Analysis of the Interim Safe Storage of Reactors at the Hanford Site

WANG Hai-liang
(Sichuan Environmental Protection Engineering Co.，Ltd.，CNNC，Chengdu of Sichuan Prov. 610006，China)

The nine production reactors, i.e. B, C, D, DR, F, H, KE, KW and N, at the Hanford site are all water-cooled and graphite-moderated reactors with natural uranium fuel. In 1993, the U.S. Department of Energy (DOE) decided to put eight production reactors (except for B) into Interim Safe Storage (ISS) for 75 years followed by deferred one-piece removal. Reactor B will remain as a national historical landmark. By the end of 2013, six reactors C, F, D, DR, H and N had been successfully put into the ISS. Reactors KE and KW will be put into the ISS in the coming years. Taking reactor C as an example, this paper mainly talks about how to put the production reactors in the Interim Safe Storage, e.g. how to make site preparation, how to construct the safe storage enclosure (SSE) and how to perform surveillance and maintenance during the ISS period, etc.

Hanford site；production reactor；decommissioning；interim safe storage (ISS)；safe storage enclosure；reactor block

TM623 Article character：A Article ID：1674-1617(2014)03-0275-05

TM623

A

1674-1617(2014)03-0275-05

2014-05-07

王海良（1964—），男，河北文安人，高級工程師，從事退役治理管理研究。