乏燃料干式貯存技術(shù)比較分析

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（環(huán)境保護部核與輻射安全中心，北京 100082）

乏燃料干式貯存技術(shù)比較分析

洪哲，趙善桂，楊曉偉，何瑋，潘玉婷?

（環(huán)境保護部核與輻射安全中心，北京 100082）

乏燃料貯存方式主要有濕式貯存和干式貯存兩種。本文主要調(diào)研了國內(nèi)外乏燃料干式貯存的概況，研究了具有貯存功能的混凝土筒倉式和具有貯存運輸功能的金屬容器式乏燃料干式貯存設(shè)施的技術(shù)特點，并對二者的功能、關(guān)鍵技術(shù)等方面進行了比較分析，指出了干式貯存技術(shù)存在的主要安全問題。最后，結(jié)合我國目前乏燃料的離堆貯存需求對我國未來乏燃料干式貯存工作提出了建議。

乏燃料；干式貯存；混凝土筒倉；金屬容器

截至2016年1月，我國投入運行的核電機組共30臺，總裝機容量約2800萬千瓦，在建機組約24臺，總裝機容量約2600萬千瓦［1］。按照我國核電發(fā)展規(guī)劃，到2020年，核電裝機容量達到5800萬千瓦［2］。

對于裝機容量是1000MWe的輕水堆核電機組來說，一般的換料周期為1年或1．5年，每次換料卸出的乏燃料約為25tU［3］。按照我國核電的發(fā)展情況分析，到2020年，乏燃料的年產(chǎn)生量將超過1000 tU，乏燃料的累積量將超過7000 tU。乏燃料的大量累積給核電發(fā)展帶來了嚴峻挑戰(zhàn)。

我國是實施乏燃料后處理的國家，在后處理建設(shè)發(fā)展相對緩慢的情況下，乏燃料離堆貯存是解決這一問題的重要出路。乏燃料離堆貯存主要有濕式貯存和干式貯存兩種方式。濕式貯存是把乏燃料放在乏池中進行貯存，干式貯存是指乏燃料組件在乏池中冷卻后轉(zhuǎn)移到干式貯存設(shè)施中進行貯存。干式貯存具有非能動的余熱排出系統(tǒng)及靈活性強等優(yōu)點。本文主要對國際上乏燃料干式貯存設(shè)施的概況進行了調(diào)研，對干式貯存采用的主要的技術(shù)路線進行了總結(jié)分析，并提出了我國乏燃料干式貯存工作的建議。

l 國內(nèi)外乏燃料干式貯存概況

l.l加拿大

加拿大主要有三種干式貯存設(shè)施：加拿大原子能公司的混凝土罐、加拿大原子能公司的氣冷貯存模塊、安大略電力公司的干式貯存容器［4］。

1．1．1 加拿大原子能公司混凝土罐

加拿大原子能公司混凝土罐乏燃料貯存計劃是20世紀70年代早期在白貝研究所進行的，獲得成功后用來貯存白貝1號反應堆的乏燃料。混凝土罐主要包括燃料吊籃、屏蔽工作站、轉(zhuǎn)運容器和混凝土罐四個部分。

1．1．2 加拿大原子能公司氣冷貯存模塊

氣冷貯存模塊是不同于混凝土罐的一種技術(shù)。早期設(shè)計的氣冷貯存模塊-200型是在鋼筋混凝土中有20個豎直的金屬圓筒，每個模塊可以貯存12000組乏燃料組件。每個圓筒由頂部的蓋板鎖死以確保安全。氣冷貯存模塊-200型在魁北克的 Gentilly-2廠址和羅馬尼亞的Cernavoda廠址均有使用。

新設(shè)計的氣冷貯存模塊-400型相對氣冷貯存模塊-200型來說成本略有增長，但是貯存的乏燃料卻是氣冷貯存模塊-200型的2倍。氣冷貯存模塊-400型有40個豎直的金屬圓筒，每個模塊可以貯存24000組乏燃料組件。該類型的貯存模塊在中國的秦山基地和羅馬尼亞的Cernavoda廠址均有使用。

1．1．3 安大略電力公司干式貯存容器

安大略電力公司的干式貯存容器除貯存乏燃料外，還可用于乏燃料的運輸。每個容器設(shè)計可以裝載384組重水堆燃料組件，空容器的質(zhì)量大約是60t，滿載后的質(zhì)量大概是70t。容器為矩形結(jié)構(gòu)，由三層組成，內(nèi)殼和外殼是由碳鋼組成，中間是鋼筋混凝土層。內(nèi)殼組成了包容邊界，外殼在強化結(jié)構(gòu)完整性的同時便于干式貯存容器外表面的去污。容器內(nèi)部充有氦氣保護燃料組件不被氧化。

l.2德國

德國的乏燃料貯存主要分為在堆的乏燃料中間貯存設(shè)施、戈萊本和阿豪斯的集中貯存設(shè)施、魯本和Jülich的貯存設(shè)施等［5］。

1．2．1 在堆的乏燃料中間貯存設(shè)施

德國在12個核電廠中已經(jīng)批準建設(shè)分散的乏燃料貯存設(shè)施，均是貯存運輸功能一體的金屬容器式干式貯存設(shè)施。

貯存設(shè)施依靠空氣自然對流釋放容器的熱量，采用非能動的技術(shù)系統(tǒng)。對金屬容器進行了密封性試驗和防事故能力試驗，以確保在正常工況和事故工況下放射性物質(zhì)的包容性、必要的輻射屏蔽以及臨界安全性。容器設(shè)計有較厚的器壁用來防護外部風險諸如地震、爆炸沖擊、飛機撞擊等。容器設(shè)計成至少滿足40年的貯存壽期。許可證中批復容器的貯存周期為40年。

1．2．2 戈萊本和阿豪斯貯存設(shè)施

戈萊本和阿豪斯的干式貯存設(shè)施已經(jīng)獲得貯存德國多個核電廠產(chǎn)生的乏燃料的許可證。此外，阿豪斯干式貯存設(shè)施還獲得了 CASTOR?THTR／AVR和MTR-2型兩種貯存運輸功能一體的容器的批準書，用來裝載試驗堆、示范堆以及研究堆的乏燃料。

1．2．3 Rubenow和Jülich貯存設(shè)施

來自鈉冷核反應堆 （KNK II）的乏燃料和部分新燃料組件等均貯存于Rubenow的Zwischenlager Nord（ZLN）干式貯存設(shè)施中。

l.3美國

美國的乏燃料干式貯存設(shè)施主要為螺栓連接或焊接的鋼筋混凝土容器［6］。一種設(shè)計是把容器水平放置于混凝土穹頂中進行輻射屏蔽并保護容器。另一種設(shè)計是把容器豎直放在混土基座上，使用金屬和混凝土外包殼進行輻射屏蔽并保護容器。

l.4英國

英國的壓水堆乏燃料主要來自于1995年開始運行的賽茲韋爾B核電站，其乏燃料目前貯存于該核電站的乏燃料水池中［7］。若沒有額外的乏燃料貯存設(shè)施，該核電站將在2017年面臨無法換料的問題。為解決這一問題，英國EDF能源公司準備在賽茲韋爾B核電站廠址建設(shè)獨立的乏燃料干式貯存設(shè)施。擬采用美國Holtec公司設(shè)計的可裝載24組乏燃料組件的干式貯存設(shè)施。

l.5日本

日本幾乎所有的乏燃料都貯存在核電站和研究堆內(nèi)，大部分采用在堆濕式貯存，少部分采用干式貯存［8］。在2011年3月福島核事故后，在陸奧地區(qū)開始啟動乏燃料干式貯存設(shè)施的建設(shè)。

l.6俄羅斯

俄羅斯的乏燃料均在西伯利亞克拉斯諾亞爾斯克附近的熱列茲諾戈爾斯克進行貯存，那里有一個為未完工的RT-2后處理廠建造的大型乏燃料水池。同時，計劃建造一個大的乏燃料干式貯存設(shè)施，以應對乏燃料累積的問題。

l.7中國

我國基本上都采用濕式貯存，只有秦山第三核電廠 （秦山三核）建立了國內(nèi)第一個離堆的乏燃料干式貯存設(shè)施，采用模塊式空氣冷卻貯存技術(shù)。貯存模塊的設(shè)計使用壽命為50年。

綜上，國外關(guān)于壓水堆乏燃料干式貯存的研究與應用較多，乏燃料干式貯存設(shè)施在乏燃料貯存領(lǐng)域占的比例逐漸增大，現(xiàn)已達到所有貯存乏燃料量的20%左右。我國國內(nèi)尚未系統(tǒng)開展壓水堆乏燃料干式貯存技術(shù)及其應用的研究工作，亟需對此展開深入研究。

2 乏燃料干式貯存主要技術(shù)比較

通過對國內(nèi)外乏燃料干式貯存設(shè)施的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，用于乏燃料干式貯存的設(shè)施主要有兩種，一種是混凝土筒倉式，一種是金屬容器式，本文主要就這兩種主要的技術(shù)路線進行比較分析。

2.l兩種干式貯存設(shè)施介紹

混凝土筒倉式乏燃料干式貯存設(shè)施主要包括三部分：（1）燃料貯罐，用于裝載乏燃料組件，基本結(jié)構(gòu)為圓柱形不銹鋼金屬筒，內(nèi)置燃料籃，每個貯存單元四周安裝有中子吸收板，貯存期間充滿氦氣。頂部和底部設(shè)有密封蓋板。運輸時置于轉(zhuǎn)運容器內(nèi)，貯存時置于混凝土筒倉內(nèi)；（2）場內(nèi)轉(zhuǎn)運容器，用于燃料貯罐廠內(nèi)轉(zhuǎn)運，為圓柱形金屬容器，腔室內(nèi)放置燃料貯罐。包含吊耳軸及可將燃料貯罐從轉(zhuǎn)運容器垂直降入／吊出混凝土筒倉的屏蔽門。容器的主要結(jié)構(gòu)材料為碳鋼，含有中子吸收材料和伽馬屏蔽材料；（3）混凝土筒倉，是由鋼板焊接構(gòu)成內(nèi)外圍包覆層，包覆層之間設(shè)置加強筋。用于放置及固定燃料貯罐，具有結(jié)構(gòu)保護、輻射屏蔽、余熱導出等功能。

下面以美國Holtec公司的混凝土筒倉式乏燃料干式貯存設(shè)施［9］為例進行簡單說明。Holtec的方案是基于多用途內(nèi)罐 （MPC），包括如下部件：多用途內(nèi)罐 （MPC，Multi-Purpose Canister）；場內(nèi)轉(zhuǎn)運容器 （HI-TRAC，transfer cask）；儲存外包裝 （HI-STORM，storage overpack）。

MPC（如圖1所示）是一個焊接的、圓柱形不銹鋼罐，可為乏燃料提供密封保護。MPC適用于暫存、運輸和最終處置，與HI-STORM儲存外包裝兼容。

HI-TRAC（如圖2所示）是用于將MPC運到儲存地的場內(nèi)轉(zhuǎn)運容器。轉(zhuǎn)運容器可為MPC在裝料、卸料和運輸操作時提供機械保護和輻射防護。HI-TRAC是個多層罐體的圓柱形容器，帶有活動的底板和上蓋，便于裝入和卸出MPC。轉(zhuǎn)運容器重約100多噸。

圖l Holtec HI-STORM的內(nèi)容器Fig.l The inner cask of Holtec HI-STORM system

圖2 轉(zhuǎn)運容器Fig.2 Transfer cask

HI-STORM儲存模塊 （如圖3所示）是由內(nèi)外鋼殼加夾層混凝土組成的圓柱體，由螺栓緊固的蓋封閉。HI-STORM儲存外包裝在暫存時為MPC提供保護、屏蔽和排出熱量。非能動熱量排出是通過外包裝底部進風口和頂部出風口，在MPC和外包裝內(nèi)壁之間的間隙的空氣自然對流來實現(xiàn)。外包裝底部由鋼板和混凝土板來封閉。

圖3 HI-STORM儲存外包裝和內(nèi)容器的剖面示意圖Fig.3 The sectional drawing for the overpack and inner cask of HI-STORM system

金屬容器式干式貯存設(shè)施德國GNS公司研究較多，且制造了較多的容器。下面以GNS公司的CASTOR?類容器為例進行介紹。

CASTOR?類容器是由球墨鑄鐵整體鑄造的厚壁圓柱筒體構(gòu)成，如圖4所示。在容器筒體上有深鉆孔，裝有中子屏蔽材料以增強對中子的屏蔽能力。容器筒體內(nèi)表面有鎳涂層以增強抗腐蝕能力，外表面涂有多層易去污漆。在容器筒體內(nèi)裝有吊籃以放置乏燃料，吊籃含有中子吸收材料以防止臨界。

圖4 CASTOR?V／l9運輸和儲存兩用容器Fig.4 Dual purpose container for transportation and storage of CASTOR?V／l9

容器內(nèi)腔通過螺栓緊固的雙蓋系統(tǒng)封閉，雙蓋系統(tǒng)由不銹鋼初級蓋和二級蓋組成。兩級蓋均使用HELICOFLEX?密封墊圈，這是工業(yè)上性能最好的密封墊圈，是專門為核工業(yè)、航天和軍事工業(yè)的極端環(huán)境設(shè)計的。兩級蓋之間的空間充有高壓氦氣，高壓氦氣既可作為內(nèi)部泄漏的屏障，也可作為長期暫存期間密封性監(jiān)測的手段。

2.2 兩種干式貯存技術(shù)差異分析

2．2．1 功能

混凝土筒倉式干式貯存設(shè)施具有貯存乏燃料組件的功能。反應堆卸出的乏燃料在經(jīng)過冷卻后，根據(jù)其燃耗、釋熱等選擇合適的吊籃，從而實現(xiàn)干式貯存。

金屬容器式干式貯存設(shè)施具有貯存和運輸乏燃料組件的功能。除對乏燃料組件實現(xiàn)常規(guī)的貯存功能外，金屬容器式干式貯存設(shè)施還可以作為運輸容器對乏燃料組件進行運輸。以德國GNS公司的容器為例，只需在頂部和底部加裝減震器，便可很方便的轉(zhuǎn)換成運輸容器，加裝減震器后的容器如圖5所示。在乏燃料組件的接收設(shè)施 （例如集中儲存設(shè)施），容器又可恢復成貯存設(shè)施。從而實現(xiàn)貯存、運輸功能的靈活轉(zhuǎn)換。

圖5 CASTOR?V／l9運輸容器Fig.5 The transfer cask of CASTOR?V／l9

2．2．2 容物

混凝土筒倉式干式貯存設(shè)施內(nèi)可以使用不同的吊籃裝載沸水堆、壓水堆等不同類型的乏燃料組件，設(shè)計允許裝載的壓水堆乏燃料組件的燃耗可達到 63GWd／tHM，釋熱率可達到28．2kW［10］。

金屬容器式干式貯存設(shè)施有不同的型號，可以裝載沸水堆、壓水堆等不同類型的乏燃料組件，設(shè)計允許裝載的壓水堆乏燃料組件的燃耗可達到75GWd／tHM，釋熱率可達到40kW。

2．2．3 關(guān)鍵技術(shù)

（1）臨界安全。為保證乏燃料在正常貯存狀態(tài)或事故工況下的臨界安全，混凝土筒倉式干式貯存設(shè)施和金屬容器式干式貯存設(shè)施在燃料吊籃上均設(shè)置有中子吸收材料，通過合理的幾何布置，經(jīng)臨界安全分析，以確保臨界安全。

（2）輻射安全。混凝土筒倉式干式貯存設(shè)施的內(nèi)容器是一個薄壁容器，起屏蔽作用的主要是外邊的混凝土筒倉及筒倉外邊的鋼殼。金屬容器式干式貯存設(shè)施是一個厚壁容器，通過容器壁實現(xiàn)容器的屏蔽作用［11］，以滿足法規(guī)關(guān)于輻射防護的要求。

（3）余熱排出。兩種干式貯存設(shè)施在余熱排出方面雖然都是依靠空氣流動實現(xiàn)乏燃料組件的熱量排出，但還有一些區(qū)別。混凝土筒倉式干式貯存設(shè)施在內(nèi)外容器間有縫隙，燃料組件產(chǎn)生的熱量通過內(nèi)容器 （薄壁）傳遞出來，之后依靠內(nèi)外容器間空氣的自然對流將熱量排出 （如圖6所示）。而金屬容器式干式貯存設(shè)施是在容器外表面設(shè)置有車削的散熱片 （如圖4中容器外部），乏燃料組件產(chǎn)生的熱量從容器內(nèi)通過容器筒體 （厚壁）傳導至容器外表面，然后再經(jīng)過散熱片將熱量傳遞到空氣中。

圖6 混凝土筒倉容器余熱排出系統(tǒng)Fig.6 Heat Removal System of Concret Silo

（4）放射性物質(zhì)包容及回取。混凝土筒倉式干式貯存設(shè)施主要是通過內(nèi)容器的焊接實現(xiàn)放射性物質(zhì)的包容，焊接后，要通過氦檢漏試驗來驗證密封是否滿足要求。內(nèi)容器的密封與初始的焊接關(guān)系較大。在貯存結(jié)束需要回取乏燃料組件時，需要對內(nèi)容器進行切割。混凝土筒倉儲存系統(tǒng)要確保包容的完整性，若出現(xiàn)泄漏，由于金屬內(nèi)罐表面的劑量率和溫度極高，對其進行干預是非常復雜的，換罐的操作涉及到頂蓋切割和乏燃料裝卸操作，會帶來較大的安全風險、核材料管制風險和人員受照風險等。金屬容器式干式貯存設(shè)施主要是通過兩層蓋板及金屬墊圈，使用螺栓緊固的方式實現(xiàn)放射性物質(zhì)的包容。當需要取出乏燃料組件時，通過緊固過程的反向操作便可方便實現(xiàn)。容器的密封是通過檢測兩層密封蓋板之間惰性氣體的壓降來實現(xiàn)的［12］。出現(xiàn)泄漏時 （不會向環(huán)境釋放）的處理也簡單，由于兩用容器本身的屏蔽使得更換密封墊圈的操作易于實現(xiàn)。

總體來說，混凝土筒倉式和金屬容器式干式貯存設(shè)施均能實現(xiàn)乏燃料組件的安全貯存。二者在功能、允許裝載的內(nèi)容物、傳熱方式、密封方式等方面各有優(yōu)缺點，主要區(qū)別見表1。

表l 兩種干式貯存設(shè)施的差異Table l The differences between two dry storage facilities

3 干式貯存技術(shù)中的主要安全問題

乏燃料干式貯存技術(shù)在國外得到了廣泛應用，我國在開展壓水堆乏燃料干式貯存技術(shù)研究時，應重點關(guān)注臨界安全、屏蔽安全等主要問題。

3.l臨界安全問題

在乏燃料的貯存過程中，臨界安全是要考慮的重要的安全問題。應對貯存的各種可能情況進行分析并證明在所有可能 （正常和異常）的配置和條件下，整個系統(tǒng)能夠保持所貯存燃料處于次臨界狀態(tài)。

裝載多組乏燃料組件的干式貯存設(shè)施，若采用新燃料假設(shè)，在事故工況下不能滿足臨界安全的要求［13］。

在臨界安全分析過程中，為增大乏燃料組件的貯存數(shù)量，同時滿足臨界安全分析的合理性，通常有可溶硼信任和燃耗信任兩種方式。我國核安全導則 HAD102/15［14］中明確規(guī)定，“如果池水中包含可溶性中子吸收劑，則只有假設(shè)無法提供能夠引起池水稀釋的補給水時，才可在研究次臨界度時加以考慮。可溶性中子吸收劑和燃耗兩種信用不應同時應用于相同的貯存區(qū)域”。即可溶硼信任和燃耗信任二者在乏燃料干式貯存的臨界安全分析中只能選擇其一。考慮到池水中硼濃度的人為及客觀因素影響較大，存在較大的不確定性，建議在臨界安全研究過程中，采用燃耗信任的方式進行臨界安全分析。

3.2 屏蔽安全問題

關(guān)于職業(yè)照射的劑量限值，在我國國標GB18871-2002［15］中有明確規(guī)定。我國關(guān)于屏蔽安全制定的劑量限值與美國的劑量限值存在差異 （如表2所示），因此，在屏蔽安全分析過程中應予以關(guān)注。此外，混凝土筒倉式干式貯存設(shè)施需要使用轉(zhuǎn)運容器。轉(zhuǎn)運容器外表面的輻射水平可參考我國國標GB11806-2004［16］中規(guī)定的運輸容器的輻射水平限值，確保在滿足工作人員與公眾所受劑量盡量低的前提下安全運輸。

表2 中國與美國劑量限值對比Table 2 Comparison of dose limits between China and the United States

3.3 干燥問題

乏燃料組件從乏燃料水池轉(zhuǎn)移動到干式貯存設(shè)施的過程中，干燥是一個重要的過程。它可以去除殘留的水分，以防止貯存期間某些結(jié)構(gòu)材料的老化，保證貯存的安全。

干燥主要有真空干燥和熱氣體循環(huán)干燥兩種技術(shù)手段或二者聯(lián)合使用。在干燥的實施過程中，應重點關(guān)注幾個問題：一是采用真空干燥時，由于散熱條件較差，應注意燃料包殼溫度的限值在推薦范圍內(nèi)；二是注意防止局部冷卻結(jié)冰情況的發(fā)生；三是破損的燃料組件要選擇合適的干燥方法。

3.4 乏燃料組件的回取及與后處理廠接口問題

我國是實施后處理的國家，無論采用何種貯存方式，均需考慮乏燃料組件的可回取性。同時，在回取的操作過程中，要考慮到與后處理廠的接口問題。

金屬容器式干式貯存設(shè)施采用螺栓緊固密封的方式，可以實現(xiàn)反向操作，從而方便地實現(xiàn)燃料組件的回取。混凝土筒倉式干式貯存設(shè)施采用焊接密封的方式，在貯存周期結(jié)束需要回取乏燃料組件時，需對內(nèi)部的金屬容器進行切割，然后取出乏燃料組件。關(guān)于通過切割的方式對乏燃料組件實現(xiàn)回取，目前國外尚未有實踐經(jīng)驗，建議對此問題進行深入研究。

此外，還要注意焊接和回取過程中的安全問題。如對混凝土筒倉式干式貯存設(shè)施內(nèi)的薄壁容器進行密封焊接或回取切割時，要注意預防氫氣燃爆［18］等事件的發(fā)生。

4 結(jié)論和建議

通過對國內(nèi)外乏燃料干式貯存設(shè)施的調(diào)研以及對干式貯存技術(shù)的比較分析，得出以下結(jié)論和建議：

（1）乏燃料干式貯存設(shè)施主要有混凝土筒倉式和金屬容器式兩種類型，二者均可實現(xiàn)乏燃料的安全貯存，在技術(shù)上各有優(yōu)缺點。核電業(yè)主單位可根據(jù)自身實際情況，選擇適合的貯存方式。

（2）在臨界安全研究過程中，采用新燃料假設(shè)是保守的，可以采用燃耗信任制的方法進行研究。建議對不同富集度乏燃料的臨界進行分析，得到相應的裝載曲線，以確保臨界安全。

（3）乏燃料干式貯存設(shè)施外部輻射水平較高，建議采取相關(guān)的措施例如增加屏蔽層厚度，或者劃定控制區(qū)域等 （如美國部分干式貯存設(shè)施要求距離控制區(qū)周界的最小距離是100米［9］），滿足工作人員和公眾所受的劑量盡量低的要求。

參考文獻

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［18］J．Kessler．Industry Spent Fuel Storage Handbook［M］．ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE．2010．

Comparison and Analysis of Dry Storage Technologies for Spent Fuel

HONG Zhe，ZHAO Shangui，YANG Xiaowei，HE Wei，PAN Yuting?
（Nuclear and Radiation Safety Center，MEP，Beijing 100082，China）

There are two kinds of Spent fuel storage，wet storage and dry storage．Dry storage facility status of domestic and several main foreign countries was investigated in this paper．The technological characteristics of concrete silo and metal cask were studied and analysed．Some safety problems were pointed out about dry storage techonlogies．Finally，it is suggested to carry out some studies on dry storage facilities for spent fuel in the future combined with the needs for the away-from-reactor storage．

spent fuel；dry srorage；concrete silo；metal cask

TL24

：A

：1672-5360（2016）04-0075-07

2016-06-30

2016-08-16

環(huán)保公益性行業(yè)科研專項，項目編號201209041

洪 哲 （1984—），男，河南舞鋼人，博士，現(xiàn)主要從事核燃料循環(huán)與材料、乏燃料干式貯存研究工作

?通訊作者：潘玉婷，E-mail：pyt263＠163．com