乏燃料批式溶解器放大的設計構想

□吳志強 劉 郢

一、引言

目前世界各國的乏燃料后處理廣泛采用Purex 水法流程，通過后處理提取和回收有用的可裂變元素，并對放射性廢物進行妥善處理和安全處置［1］。Purex 流程首先要將乏燃料組件剪切成20 ～50 mm 長的短段，送入溶解器內用6 ～8 mol/L 硝酸在亞沸騰或沸騰溫度下進行浸取溶解，制備后續流程所需的溶解料液［2］。溶解器是乏燃料后處理廠首端的關鍵設備，主要作用是將乏燃料芯塊溶解，其處理能力、溶解過程操控難易程度以及自身的可靠性等都將直接決定整個工廠的年處理能力和開工率。溶解器的設計必須考慮臨界安全問題，其工作環境具有高放射性、強腐蝕性的特點，設備維修難度高。乏燃料批式溶解器相對于連續溶解器而言，結構簡單，技術難度低，造價低，生產方式靈活。我國現已掌握動力堆乏燃料批式溶解器的設計、加工和運行相關技術。然而，現有的溶解器采用幾何形狀控制臨界安全，由于受幾何尺寸的限制，每批次設計生產能力不能完成一根乏燃料組件的溶解。剩余的殘段懸掛于剪切熱室，會對設備電纜及精密部件產生輻照損傷，并影響熱室相關操作及檢修。本文的主要目的是提出一次能夠處理一根乏燃料組件的批式溶解器設計構想，為將來我國動力堆中、大型商業后處理廠溶解器的設計提供參考。

二、批式溶解器設備結構及工作原理

世界上后處理強國，如英國、法國、俄羅斯、美國、德國、日本等，分別研制了不同形式乏燃料批式溶解器，其中自循環式批式溶解器是成功的設計案例［3］。

(一)設備結構。溶解器主要由溶解管、板式循環槽、大、小吊籃、進料溜槽和水封裝置組成，如圖1 所示。

(二)工作原理。溶解開始時，先向溶解管內注入濃度約6 mol/L 的硝酸至工作液位，通過夾套蒸汽加熱到60℃，調節排氣系統使溶解器內負壓控制在設定范圍內。然后開始邊剪切邊溶解，來自剪切機的乏燃料短段從進料溜槽滑落進入溶解管，堆積在大吊籃內，短段內的UO2芯塊與硝酸反應生成硝酸鈾酰(UO2(NO3)2)，同時放出氮氧化物氣體和反應熱，平均反應方程式為:UO2+3HNO3=UO2(NO3)2+0．5NO+0．5NO2+2H2O+72．97 kJ。溶解過程中產生的氮氧化物氣體和水蒸汽通過上循環管進入循環槽，從循環槽上面的排氣管排出進入溶解尾氣處理系統。溶解器上部的水封裝置可以起密封作用，并保持溶解器內氣相壓力在設定的負壓范圍內，避免放射性氣體逸出污染設備室。每批次剪切溶解時間約4 小時，結束以后保持溫度繼續溶解2 小時，保證鈾收率達到工藝要求。溶解過程中，循環槽和溶解管內的溶解液由于存在密度和溫度的差異而形成自循環流動，起到傳質和傳熱的作用，對加快溶解反應速度有利。可以向溶解管底部通入空氣或氧氣增強自循環流動，同時趕出溶解中的85Kr、129I 等氣態裂變產物。當溶解液密度不再變化或溶解尾氣中監測不到85Kr 時，表示溶解反應已達到終點。向溶解器夾套內通入冷卻水將溶解液冷卻到設定溫度后排出。繼續向溶解器內加入約6 mol/L 的硝酸至工作液位，加熱到亞沸騰或沸騰溫度蒸煮包殼。然后吊起大吊籃，在漂洗管內用去離子水漂洗包殼，經檢測鈾殘留量達標后送至固體廢物處置設施。蒸煮用酸作為下一批溶解用酸。

圖1 自循環式批式溶解器設備結構

三、批式溶解器放大的設計構想

隨著核電站卸出的乏燃料組件235U 初始富集度和燃耗的不斷增加，批式溶解器若要單批生產能力達到或超過一根乏燃料組件，單靠幾何尺寸控制臨界安全是無法實現的，必須借助中子毒物提高臨界安全系數，擴大生產能力。可采用的中子毒物有可溶中子毒物和固體中子毒物兩類。

(一)可溶中子毒物。溶解反應開始前，向硝酸中加入中子毒物硝酸鹽溶液，如硝酸釓溶液。可溶中子毒物在溶解液中分布均勻，可以大大降低臨界安全對溶解器設備尺寸的要求，達到一定的濃度后甚至可以解除對設備尺寸的限制，一定程度上簡化了溶解器的設備設計。同時，可以大幅度增加溶解器的單批生產能力。英國THORP 后處理廠和美國的巴威爾后處理廠都采用可溶中子毒物輔助控制臨界安全，溶解器單批生產能力分別達到1．6 噸和1 噸乏燃料。

(二)固體中子毒物。加入固體中子毒物也是控制臨界安全，提高溶解器生產能力的有效措施。固體中子毒物無法像可溶中子毒物一樣均勻分布在溶解液中，因此效果一般不如可溶中子毒物，需限制設備尺寸一起控制溶解器臨界安全。此外，固體中子毒物材料，如硼、鎘、釓等，都不耐硝酸腐蝕，必須外加耐硝酸腐蝕的材料(如鋯、鈦及其合金)加以保護。溶解器運行過程中，也要對溶解液的中子毒物濃度進行分析，發現異常升高說明保護材料失效，要及時更換固體中子毒物部件。

若要溶解器單批生產能力達到一根乏燃料組件，可采用兩種固體中子毒物方案:

1．籠式固體中子毒物裝置［4］。多根直徑較小的中子毒物棒沿周向均布，中子毒物棒包裹在耐硝酸腐蝕的保護套管內。中子毒物棒長度不小于大吊籃高度，上、下兩端均用底盤固定，封住端口，中間可用夾板加強穩定性，整體形成一個籠狀的固體中子毒物裝置，上部設有起吊頭。放入溶解器內，中子毒物棒位于溶解管和大吊籃的間隙內，下段溶解管截面圖如圖2 所示。這種固體中子毒物裝置是一個獨立部件，正常情況下一直放置在溶解器內，只有在定期檢修或監測到保護材料失效的情形下才會被吊出檢測或更換［5］。

圖2 采用籠式固體中子毒物裝置的溶解管截面圖

2．單根中子毒物棒［6］。在大吊籃內部中間設有直徑較大的單根中子毒物棒，為同軸多層結構的柱狀部件，從外到內依次為中子毒物包裹層、固體中子毒物、慢化劑包裹層和慢化劑。中子毒物棒頂部設計成錐形，以免積存料液和固體殘渣，四周與大吊籃之間在不同高度處設置支撐件。從下段溶解管截面圖中可以看出溶解管、大吊籃和中子毒物棒相對位置關系，如圖3 所示。這種方案的中子毒物棒是固定在大吊籃內的，每批次溶解完成后都與大吊籃一起吊出傾倒廢包殼。大吊籃在每運行若干個批次之后需進行檢測，并根據實際情況進行維修或更換，以確保其結構完好，固體中子吸收裝置沒有因為磨損和腐蝕而損壞。

(三)設計方案評價。可溶中子毒物最大的優點中子毒物在溶解液中分布均勻，臨界安全控制性能更好，可以通過加入足夠濃度的中子毒物來解除臨界安全對溶解器設備尺寸的限制，簡化溶解器設備設計、加工和檢修要求，溶解器生產能力容易達到大型后處理廠要求。但是，加入可溶中子毒物后處理廠首端需要額外匹配中子毒物料液配制和送料系統，使工藝流程更加復雜。更為重要的是，加入的可溶中子毒物在后續的萃取分離過程都將進入到高放廢液中，而高放廢液的儲存、處理和處置成本高昂，因此可溶中子毒物的加入大大增加了后處理廠的經濟成本，也不符合廢物最小化原則，從后處理廠的整個壽期來看，這一點尤為明顯。相對而言，采用固體中子毒物最為突出的優勢就是在提供臨界安全性能，增加溶解器生產能力的同時，不會額外增加高放廢物量，即使是被腐蝕損壞也不會影響臨界安全性能。雖然采用固體中子毒物會使得溶解器設備設計、加工的難度更高，運行中操作也更加復雜，溶解器最大單批生產能力也達不到采用可溶中子毒物時的水平，但其相對于采用可溶中子毒物的溶解器仍然具有不可比擬的經濟優越性。從兩個固體中子毒物方案對比來看，籠式固體中子毒物裝置位于溶解管和大吊籃的間隙內，不需要每批次溶解完成取出，這就避免了溶解過程中乏燃料短段進料以及廢包殼傾倒時對保護套管的磨損，因此具有更好的可靠性。而單根中子毒物棒方案的優勢在于溶解管的直徑可以更大，相同生產能力下大幅降低了溶解器的總體高度，從而降低了溶解器設備室高度，節省土建投資成本。綜合來看，籠式固體中子毒物方案優于單根中子毒物棒方案。

圖3 采用單根固體中子毒物棒的溶解管截面圖

四、今后需開展的研究工作展望

(一)燃耗信任制。燃耗信任制的應用是今后溶解器優化設計和應用的一個重要研究方向。我國目前還未采用燃耗信任制，溶解器臨界安全計算不得不采用最保守的方式，這是一種安全可靠的做法，但也大大降低了乏燃料溶解器的設計處理通量。對于采用可溶中子毒物的溶解器，采用燃耗信任制可以降低可溶中子毒物的投入量，從而減少高放廢液的產生量。英國THORP 廠研究應用了燃耗信任制，至2005年已將可溶中子毒物的投入量降低了一半。對于采用固體中子毒物的溶解器，采用燃耗信任制可以降低臨界安全要求對溶解器設備尺寸的限制，減輕溶解器的設計和加工難度，提高溶解器的生產能力。

(二)溶解器材質。溶解器在高溫、高酸、強放射性的環境下工作，設備腐蝕以及遠距離檢修相關問題一直是困擾溶解器設計的難題。設備選材是溶解器設計領域的敏感話題，很難從國外文獻資料或合作交流中獲取詳細信息。目前的溶解器實際應用經驗已經表明，超低碳奧氏體不銹鋼的耐腐蝕性能達不到溶解器的使用要求。而鋯、鈦及其合金材料在亞沸騰或沸騰硝酸中具有良好的耐腐蝕性能，是溶解器適合選材對象。這些材料的耐腐蝕性能以及機械加工工藝等都是今后重要研究內容。

(三)工藝過程優化。根據現有的設計和應用經驗反饋，我國批式溶解器的應用在工藝條件、操作手段、溶解尾氣處理等方面仍有優化設計的余地，批式溶解器的放大設計需對此做進一步的優化和試驗研究。

五、結語

本文介紹了乏燃料批式溶解器的設備結構和工作原理，提出了批式溶解器采用可溶中子毒物或固體中子毒物的放大設計構想，并進行了分析和比較，最后提出了溶解器今后的研究工作的重要方向，結論如下:一是單臺批式溶解器僅靠幾何尺寸控制臨界安全生產能力達不到大型后處理廠的設計要求，必須加可溶或固體中子毒物提高生產能力。二是采用可溶中子毒物雖然具有臨界安全控制性能，溶解器設備設計和加工也相對簡單，但增加了高放廢物量，不符合廢物最小化的要求，且增大了廢物處置的費用。三是籠式固體中子毒物方案是批式溶解器放大設計的優選方案，不會額外產生放射性廢物，且具有更好的可靠性。四是燃耗信任制的應用、溶解器材質、工藝過程優化將是溶解器今后的研究工作的重要方向。

［1］姜圣階，任鳳儀．核燃料后處理工學［M］．北京:原子能出版社，1995，第1 版

［2］劉郢，馬敬，林懋貞．動力堆乏燃料溶解設計問題探討［J］．產業與科技論壇，2014，13(8):105

［3］Meichsner O，Blinn K．Planning for the Chemical Head End of the Wackersdorf Reprocessing Plant［J］．Kerntechnik，1989，54(4):235

［4］劉郢，吳志強，秦永泉等．一種處理乏燃料元件的溶解裝置．實用新型專利［P］．ZL2014 2 0326044．9

［5］史繼紅，劉存銀，李瑋等．一種乏燃料溶解器的臨界安全控制裝置．實用新型專利［P］．ZL2014 2 0325882．4

［6］吳志強，劉郢，秦永泉等．一種批式乏燃料溶解裝置．實用新型專利［P］．ZL2014 2 0324451．6