壓水堆乏燃料干法貯存技術(shù)應(yīng)用研究

袁呈煜，劉彥章，莫懷森

(深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東深圳518172)

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壓水堆乏燃料干法貯存技術(shù)應(yīng)用研究

袁呈煜，劉彥章，莫懷森

(深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東深圳518172)

介紹了國(guó)際上乏燃料干法貯存技術(shù)的產(chǎn)生背景以及技術(shù)發(fā)展歷程，總結(jié)了國(guó)際上各種乏燃料干法貯存技術(shù)特點(diǎn)并進(jìn)行了歸類。鑒于我國(guó)壓水堆乏燃料離堆貯存的需求，分析了國(guó)際上廣泛應(yīng)用于壓水堆的三類乏燃料干法貯存技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)。最后基于我國(guó)核電廠乏燃料管理的現(xiàn)狀，提出了我國(guó)壓水堆乏燃料干法貯存在近期和遠(yuǎn)期的技術(shù)選擇建議。

壓水堆；乏燃料；干法貯存；應(yīng)用研究

自核電廠商運(yùn)以來(lái)，乏燃料的產(chǎn)生量大幅增加，對(duì)于乏燃料的有效管理，成為當(dāng)今核工業(yè)的重要議題。目前國(guó)際上對(duì)于乏燃料的管理，主要存在如下三種方式：后處理戰(zhàn)略(Reprocessing)，一次通過(guò)戰(zhàn)略(Direct disposal)與觀望戰(zhàn)略(Wait and See)[1]。然而，由于乏燃料后處理能力不足以及成本高昂，加之尚未建成最終處置庫(kù)，目前國(guó)際上很多早期商運(yùn)的核電廠在面臨乏燃料水池逐漸達(dá)到滿容的情況下，采取了中間貯存(Interim storage)的方式來(lái)轉(zhuǎn)移核電廠乏燃料水池的乏燃料，使核電廠能夠持續(xù)安全運(yùn)行。

從反應(yīng)堆剛卸出的乏燃料具有很高之放射性和熱量，因此乏燃料轉(zhuǎn)移到中間貯存設(shè)施前，通常需要在核電廠的乏燃料水池中冷卻5～10年。對(duì)于乏燃料中間貯存技術(shù)，國(guó)際上主要存在濕法貯存和干法貯存兩種方式。濕法貯存是將乏燃料存放于水池，如核電廠乏燃料水池。干法貯存由于具有固有安全性高、經(jīng)濟(jì)性好且易于擴(kuò)容等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)逐漸成為國(guó)際上乏燃料中間貯存技術(shù)的主流，特別是在2000年以后，國(guó)際上新建的乏燃料中間貯存設(shè)施絕大多數(shù)都是采用干法貯存技術(shù)。因此，研究干法貯存技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)于未來(lái)拓展到我國(guó)壓水堆乏燃料干法貯存具有重要的意義。

1 乏燃料干法貯存技術(shù)發(fā)展歷程

國(guó)際上對(duì)于乏燃料干法貯存技術(shù)的應(yīng)用可以追溯到20個(gè)世紀(jì)70年代。早在1970年12月，英國(guó)監(jiān)管當(dāng)局就已經(jīng)為第一個(gè)乏燃料干法貯存項(xiàng)目頒發(fā)了運(yùn)營(yíng)許可，并于1971年3月，英國(guó)Wylfa核電廠(石墨慢化反應(yīng)堆，采用的是Magnox燃料)首次應(yīng)用了采用二氧化碳冷卻的短期干法貯存技術(shù)(在堆貯存)[2]。

20世紀(jì)70年代中后期，許多乏燃料干法貯存技術(shù)開(kāi)始了試驗(yàn)層面的研究。例如，1976年加拿大AECL開(kāi)發(fā)了一種混凝土筒倉(cāng)式干法貯存技術(shù)，用于貯存Whiteshell實(shí)驗(yàn)室WR-1重水堆的乏燃料。

到了20世紀(jì)80年代，國(guó)際上許多從事核燃料循環(huán)的企業(yè)針對(duì)干法貯存設(shè)備開(kāi)展了大量的試驗(yàn)，乏燃料干法貯存技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。

1986年，美國(guó)核能管理委員會(huì)向弗吉尼亞州薩利核電站(Surry Nuclear Power Plant)的干法貯存設(shè)施頒發(fā)了執(zhí)照，該設(shè)施應(yīng)用了德國(guó)GNS公司制造的CASTOR金屬容器。

20世紀(jì)90年代至今，受益于國(guó)際市場(chǎng)的大量需求，各個(gè)廠家開(kāi)始研制多樣化的技術(shù)和產(chǎn)品。例如，美國(guó)NAC公司(2013年已被日立造船公司收購(gòu))從早期的金屬容器起步，研發(fā)出了混凝土筒倉(cāng)系統(tǒng)UMS和MAGNASTOR；美國(guó)HOLTEC公司，也是從早期的金屬容器開(kāi)始，研發(fā)出了混凝土筒倉(cāng)系統(tǒng)HI-STORM系統(tǒng)，再到最新研發(fā)的地下干井式貯存方案；法國(guó)TNI公司，從早期的金屬容器系列，發(fā)展了混凝土臥式模塊NUHOMS以及單一貯存功能的分體式金屬容器。

縱觀國(guó)際乏燃料干法貯存技術(shù)的發(fā)展歷程，乏燃料干法貯存技術(shù)的研發(fā)工作在最近二十年得到加強(qiáng)?；趯?shí)際應(yīng)用需求和經(jīng)濟(jì)性的原因，為了滿足各種堆型燃料的特殊要求(如燃料包殼的最大許用溫度，填充氣體類型)，國(guó)際上主要廠家均開(kāi)發(fā)了多種乏燃料干法貯存技術(shù)。早期的干法貯存是單一功能系統(tǒng)，而且僅用于離堆貯存(Wylfa除外)，不需要將乏燃料重新操作和裝載到運(yùn)輸容器。例如，貯存庫(kù)、筒倉(cāng)和不可運(yùn)輸?shù)慕饘偃萜鞫际菃我还δ芟到y(tǒng)。隨著后來(lái)的研發(fā)，金屬容器及密封燃料的貯罐(以下簡(jiǎn)稱“燃料貯罐”)被識(shí)別出可以執(zhí)行多種功能。因此，具備貯存和運(yùn)輸雙功能的容器被開(kāi)發(fā)出來(lái)，例如德國(guó)的CASTOR，比利時(shí)的TN24，美國(guó)的NAC-STC。有些貯存系統(tǒng)的燃料貯罐也可以應(yīng)用于運(yùn)輸，甚至最終處置。總的來(lái)說(shuō)，乏燃料干法貯存技術(shù)朝著貯存容量更大、經(jīng)濟(jì)性更好、安全性更高以及功能更多元化(貯存、運(yùn)輸和處理處置)的方向發(fā)展。

2 乏燃料干法貯存技術(shù)的分類

國(guó)際上對(duì)于乏燃料干法貯存技術(shù)的分類并無(wú)明確統(tǒng)一的概念。縱觀國(guó)際上已有的各類乏燃料干法貯存技術(shù)，本文在參考IAEA發(fā)布的技術(shù)報(bào)告中對(duì)乏燃料干法貯存技術(shù)分類的基礎(chǔ)上，將乏燃料干法貯存技術(shù)歸納為四類，即：金屬容器系統(tǒng)；混凝土容器系統(tǒng)；貯存庫(kù)；其他類型[3]。各種技術(shù)的特點(diǎn)如表1所示。

表1 國(guó)際上乏燃料干法貯存技術(shù)分類及特點(diǎn)

以上四種乏燃料干法貯存技術(shù)的特點(diǎn)和配置雖然有可能大不相同，但作為乏燃料中間貯存設(shè)備，都須滿足下列要求：

(1) 提供足夠的放射性屏蔽，使環(huán)境輻射劑量低于法定限值；

(2) 提供足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，以確保吊裝、操作或遭受可能的自然及人為意外事故時(shí)，均能確保結(jié)構(gòu)安全并迅速恢復(fù)正常運(yùn)行；

(3) 提供良好的散熱冷卻方式，以排出乏燃料釋熱。

在這四類技術(shù)中，目前廣泛應(yīng)用于壓水堆乏燃料的干法貯存技術(shù)主要是：金屬容器系統(tǒng)、混凝土容器系統(tǒng)和其他類型。

3 壓水堆乏燃料干法貯存技術(shù)

3.1 金屬容器系統(tǒng)

在核電發(fā)展早期，金屬容器被長(zhǎng)期用作乏燃料運(yùn)輸，后來(lái)隨著中間貯存的需求，逐漸將其功能拓展到貯存領(lǐng)域。在做貯存用途時(shí)，金屬容器可以露天存放混凝土基座上，也可以貯存于廠房?jī)?nèi)，這主要取決于不同國(guó)家的核安全監(jiān)管要求。在乏燃料干法貯存領(lǐng)域，金屬容器通?？梢栽O(shè)計(jì)成單一貯存或貯存運(yùn)輸雙功能。

3.1.1 貯運(yùn)雙功能金屬容器

貯運(yùn)雙功能金屬容器，顧名思義，是指具備貯存和運(yùn)輸兩種功能的金屬容器。因此如果未來(lái)需要將乏燃料運(yùn)輸?shù)狡渌麍?chǎng)所，可運(yùn)輸性是其優(yōu)點(diǎn)，但是從另一方面來(lái)說(shuō)，由于要求可運(yùn)輸性，其價(jià)格也相對(duì)更高。這種容器通常是整體式結(jié)構(gòu)，金屬筒體和燃料籃一般不可分離，如圖1所示。

圖1 貯運(yùn)雙功能金屬容器Fig.1 Dual-purpose metal cask

貯運(yùn)雙功能金屬容器的結(jié)構(gòu)材料可以是鍛鋼、球墨鑄鐵或其他合成材料，提供有效的輻射屏蔽，并通過(guò)熱傳導(dǎo)和熱輻射等方式排出乏燃料釋熱。容器頂端采用法蘭密封，并設(shè)置兩層法蘭密封蓋，能夠滿足法規(guī)的冗余密封要求。金屬容器內(nèi)腔填充了惰性氣體，并且在裝載乏燃料后進(jìn)行密封。第一層蓋通常也作為屏蔽蓋。按照國(guó)際上的監(jiān)管要求，對(duì)于法蘭密封式系統(tǒng)，必須設(shè)置密封性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。因此，容器的第二層密封蓋上，設(shè)置了壓力傳感器，通過(guò)監(jiān)測(cè)第一層蓋和第二層蓋之間的壓力，確保容器的密封性得到保障。一旦監(jiān)測(cè)到壓力下降到一定值，則將進(jìn)行故障識(shí)別并維護(hù)。

國(guó)際上大部分的金屬容器都具備貯存和運(yùn)輸兩種功能，這類產(chǎn)品主要有德國(guó)GNS公司的CASTOR系列容器、法國(guó)AREVA TNI公司的TN24系列容器、美國(guó)NAC公司的NAC-STC容器、美國(guó)西屋公司的MC-10容器等。

3.1.2 單一貯存功能金屬容器

單一貯存功能金屬容器，也即僅具備貯存功能的金屬容器，只取得貯存許可證，不能做運(yùn)輸容器使用。這種容器通常是分體式結(jié)構(gòu)，金屬外筒和燃料貯罐相對(duì)獨(dú)立，如圖2所示。需要說(shuō)明的是，國(guó)際上也有整體式結(jié)構(gòu)的單一貯存功能金屬容器，但是這類產(chǎn)品一般在設(shè)計(jì)上均考慮了運(yùn)輸功能，只是在使用時(shí)先滿足了貯存需求，暫時(shí)還沒(méi)有運(yùn)輸需求，因此暫未申請(qǐng)運(yùn)輸許可證，但是其本質(zhì)上仍應(yīng)歸類為貯運(yùn)雙功能金屬容器。

圖2 單一貯存功能金屬容器Fig.2 Storage-purpose metal cask

單一貯存功能金屬容器主要依賴燃料貯罐和金屬外筒之間的熱對(duì)流排出乏燃料釋熱。燃料貯罐頂端采用雙重焊接密封，同樣能夠滿足法規(guī)的冗余密封要求。對(duì)于冗余焊接密封系統(tǒng)，在國(guó)際上認(rèn)可其長(zhǎng)期貯存的密封性，美國(guó)NRC認(rèn)可其不需要設(shè)置密封性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。因此，第一層蓋和第二層蓋均焊接于貯罐頂端，但是第一層蓋通常也作為屏蔽蓋。

國(guó)際上這種單一貯存功能的金屬容器產(chǎn)品很少，目前僅有法國(guó)AREVA TNI公司的NOVA系列，也僅應(yīng)用于瑞士和亞美尼亞，主要是綜合考慮當(dāng)?shù)卣O(jiān)管層面的要求以及經(jīng)濟(jì)性。

3.2 混凝土容器系統(tǒng)

混凝土容器系統(tǒng)的顯著特征是采用混凝土作為屏蔽材料，這類產(chǎn)品的研發(fā)具有重要的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)意義。國(guó)際上已有的混凝土容器系統(tǒng)大體上可以分為三類：混凝土單體容器、混凝土筒倉(cāng)系統(tǒng)和混凝土臥式模塊系統(tǒng)。

3.2.1 混凝土單體容器

混凝土單體容器(見(jiàn)圖3)的外形與貯運(yùn)兩用金屬容器類似，采用整體式結(jié)構(gòu)。混凝土容器內(nèi)腔的鋼襯里(或燃料貯罐)提供包容。乏燃料裝載后鋼襯里將被密封?；炷羻误w容器采用自然冷卻，通過(guò)混凝土材料排出乏燃料釋熱。混凝土單體容器通常為貯存和運(yùn)輸雙功能系統(tǒng)，要求特殊的容器以符合運(yùn)輸規(guī)范。例如，德國(guó)GNS公司的CONSTOR容器。

圖3 混凝土單體容器Fig.3 Concrete cask

3.2.2 混凝土筒倉(cāng)系統(tǒng)

混凝土筒倉(cāng)系統(tǒng)是由混凝土筒倉(cāng)和燃料貯罐構(gòu)成的分體式結(jié)構(gòu)，如圖4所示。在混凝土筒倉(cāng)底部和頂端分別設(shè)置了進(jìn)氣和排氣流道，這種結(jié)構(gòu)具備更大的熱排出能力，可以容納更大的熱裝載?；炷镣矀}(cāng)可以水平或豎直存放，可以露天或室內(nèi)存放于貯存廠房。由于混凝土筒倉(cāng)通常不可運(yùn)輸，因此乏燃料的廠內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)和長(zhǎng)途運(yùn)輸需要借助于專用的轉(zhuǎn)運(yùn)和運(yùn)輸容器。

圖4 混凝土筒倉(cāng)系統(tǒng)Fig.4 Concrete silo storage system

混凝土筒倉(cāng)提供輻射屏蔽，內(nèi)部的燃料貯罐則提供放射性核素包容。乏燃料裝載完成后燃料貯罐將被雙重蓋板焊接密封。混凝土筒倉(cāng)系統(tǒng)通過(guò)自然對(duì)流排出乏燃料釋熱，同時(shí)可以避免過(guò)熱和混凝土材料的降級(jí)。

典型的混凝土筒倉(cāng)系統(tǒng)是美國(guó)HOLTEC公司開(kāi)發(fā)的HI-STORM系統(tǒng)，以及NAC公司開(kāi)發(fā)的MAGNASTOR系統(tǒng)。

3.2.3 混凝土模塊系統(tǒng)

混凝土模塊系統(tǒng)是由混凝土模塊和燃料貯罐構(gòu)成的分體式結(jié)構(gòu)，但同時(shí)一系列混凝土模塊并排布置又構(gòu)成了整體式結(jié)構(gòu)，如圖5所示?；炷聊K通常呈臥式布置，固定于地上的貯存基座上。在混凝土模塊底部和頂端分別設(shè)置了進(jìn)氣和排氣流道，這種結(jié)構(gòu)具備更大的熱排出能力，可容納更大的熱裝載?；炷聊K通常是露天存放。由于混凝土模塊通常不可運(yùn)輸，因此乏燃料的廠內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)和長(zhǎng)途運(yùn)輸需要借助于專用的運(yùn)輸容器。

圖5 混凝土模塊系統(tǒng)Fig.5 Concrete module storage system

混凝土模塊提供放射性屏蔽，內(nèi)部的燃料貯罐則提供放射性核素包容。乏燃料裝載完成后燃料貯罐將被雙重蓋板焊接密封。乏燃料裝載完成后燃料貯罐將被雙重蓋板焊接密封?；炷镣矀}(cāng)系統(tǒng)通過(guò)自然對(duì)流排出乏燃料釋熱，同時(shí)可以避免過(guò)熱和混凝土材料的降級(jí)。

典型的混凝土模塊是TN公司的NUHOMS混凝土臥式模塊系統(tǒng)。

3.3 地下干井式系統(tǒng)

地下干井式系統(tǒng)，是由一系列固定于地下的獨(dú)立腔室組成，如圖6所示。周圍的大地和頂部屏蔽塞提供輻射屏蔽。主要通過(guò)熱傳導(dǎo)方式將乏燃料釋熱排出到大地。每個(gè)貯存腔室可以設(shè)計(jì)成包容若干乏燃料組件，具體數(shù)量取決于燃料特性和貯存介質(zhì)。貯存介質(zhì)可以是空氣、氮?dú)狻⒍趸蓟蛘呷魏味栊詺怏w，如氦氣、氬氣或氖氣等。

圖6 地下干井式系統(tǒng)Fig.6 Dry-well storage system

美國(guó)HOLTEC公司還研發(fā)了一種新型的地下干井式貯存方案，即HI-STORM 100U系統(tǒng)，如圖7所示。這種系統(tǒng)采用了與混凝土筒倉(cāng)系統(tǒng)類似的通風(fēng)流道設(shè)計(jì)，但是由于其整體位于地下，其進(jìn)氣口和排氣口均位于頂蓋上，地下貯存腔室利用隔板形成流道實(shí)現(xiàn)與外界空氣的自然對(duì)流通風(fēng)[4]。HI-STORM 100U系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成能夠與HI-STORM 100系統(tǒng)完全兼容，也即可以采用同樣的燃料貯罐。

4 我國(guó)應(yīng)用壓水堆乏燃料干法貯存技術(shù)的建議

4.1 我國(guó)壓水堆乏燃料管理現(xiàn)狀

截至2013年年底，我國(guó)大陸已投運(yùn)核電機(jī)組共有18臺(tái)，總裝機(jī)容量約1467萬(wàn)kW，已累計(jì)產(chǎn)生了乏燃料約2400 tHM，并且每年按約350 tHM的速度遞增。根據(jù)國(guó)防科工局《核電廠乏燃料處理處置基金2011-2020年使用規(guī)劃》，預(yù)計(jì)到2020年我國(guó)核電廠累計(jì)產(chǎn)生的乏燃料將達(dá)9000 tHM，每年產(chǎn)生量約 1300 tHM；2030年將達(dá)19500 tHM，每年產(chǎn)生量約2000 tHM。

壓水堆核電廠的在堆貯存水池通常只能滿足反應(yīng)堆正常運(yùn)行10～20年卸出的乏燃料貯存需求，之后需要乏燃料外運(yùn)。面對(duì)我國(guó)乏燃料的產(chǎn)生量呈快速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，在2016年前后全國(guó)年乏燃料外運(yùn)需求將增長(zhǎng)到600組左右；在“十三五” 期間全國(guó)乏燃料外運(yùn)需求累計(jì)達(dá)3202組。然而，目前我國(guó)大陸僅大亞灣核電廠兩臺(tái)機(jī)組開(kāi)展了乏燃料外運(yùn)，每年外運(yùn)4罐(104組乏燃料)。自2003年年始至2012年年底大亞灣核電廠已累計(jì)向中核404有限公司外運(yùn)了858組乏燃料，現(xiàn)在該水池已經(jīng)滿容，不能再接收乏燃料。

我國(guó)實(shí)行核燃料循環(huán)政策，堅(jiān)持乏燃料后處理。但隨著乏燃料在堆貯存水池的逐漸滿容，乏燃料運(yùn)輸能力不足、離堆貯存設(shè)施短缺、后處理能力滯后等已成為我國(guó)核燃料循環(huán)后端面臨的重大現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

4.2 我國(guó)壓水堆乏燃料干法貯存技術(shù)選擇

4.2.1 近期內(nèi)的技術(shù)選擇建議

大亞灣核電基地和田灣核電廠都是我國(guó)早期建設(shè)的核電站，這些機(jī)組的在堆乏燃料貯存水池都將在2018年前后達(dá)到滿容狀態(tài)，如果不及時(shí)轉(zhuǎn)移到離堆貯存設(shè)施，將面臨嚴(yán)峻的停堆風(fēng)險(xiǎn)。

為了優(yōu)先解決近期內(nèi)我國(guó)壓水堆核電廠乏燃料離堆貯存的迫切需求，在當(dāng)前階段，我國(guó)應(yīng)盡快通過(guò)“引進(jìn)、消化、吸收”方式，大力引進(jìn)國(guó)外廣泛應(yīng)用、技術(shù)成熟、經(jīng)濟(jì)性好的乏燃料干法貯存技術(shù)。通過(guò)分析，混凝土容器系統(tǒng)具有安全性高、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)能夠與我國(guó)乏燃料后端閉式循環(huán)路線匹配，是緩解當(dāng)前我國(guó)后端能力不足的最佳選擇，可保障我國(guó)壓水堆核電廠的持續(xù)運(yùn)行。

4.2.2 遠(yuǎn)期的技術(shù)選擇建議

遠(yuǎn)期來(lái)看，盡管我國(guó)堅(jiān)持走乏燃料后處理路線，但是在后處理大廠建成投運(yùn)且后處理能力達(dá)到要求之前，面對(duì)眾多核電廠乏燃料的大量產(chǎn)生，我國(guó)乏燃料后端能力仍然會(huì)面臨嚴(yán)峻的形勢(shì)。因此，我國(guó)可以提前考慮建立國(guó)家大型的集中式乏燃料中間貯存設(shè)施，或者區(qū)域性的乏燃料中間貯存設(shè)施。

從技術(shù)選擇來(lái)看，如果大規(guī)模實(shí)現(xiàn)干法貯存，既要考慮貯存的安全性，還要考慮整體工程的經(jīng)濟(jì)性。我國(guó)可以在近期引進(jìn)國(guó)際成熟的乏燃料干法貯存技術(shù)的基礎(chǔ)上，逐步形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新技術(shù)。從大規(guī)模應(yīng)用來(lái)看，混凝土容器系統(tǒng)、貯存庫(kù)和地下干井式等類型都是很好的技術(shù)選擇。而且國(guó)際上已經(jīng)有部分國(guó)家開(kāi)始應(yīng)用，例如，俄羅斯正在西伯利亞的熱列茲諾哥爾斯克建造一座大型的乏燃料干法貯存設(shè)施(約4萬(wàn)tHM)，該設(shè)施采用地下干井式貯存方式，將乏燃料放置在地下設(shè)施中建立的許多隔開(kāi)的單元中，通過(guò)空氣自然對(duì)流實(shí)現(xiàn)乏燃料的冷卻。

4.3 國(guó)際上乏燃料干法貯存應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)對(duì)我國(guó)的啟示

盡管國(guó)際上乏燃料干法貯存技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用了逾40年，并且通過(guò)大量的試驗(yàn)證明了其固有安全性，得到國(guó)際上核電行業(yè)的廣泛應(yīng)用，但是乏燃料干法貯存在整個(gè)技術(shù)發(fā)展過(guò)程中也并非一帆風(fēng)順。

在20世紀(jì)90年代，美國(guó)NAC公司研發(fā)的燃料貯罐在焊接密封時(shí)發(fā)生了一起氫爆事件。后來(lái)IAEA調(diào)查結(jié)果顯示，主要是由于該燃料貯罐的結(jié)構(gòu)材料采用了鍍鋅碳鋼，在乏燃料裝載和密封時(shí)由于池水中的硼酸與鋅發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生了氫氣，在焊接過(guò)程中高溫及火花的作用下發(fā)生了爆炸，所幸當(dāng)時(shí)并未造成人身傷害事故。因此，在乏燃料干法貯存容器的結(jié)構(gòu)材料中，目前已經(jīng)被禁止使用鍍鋅碳鋼等易與硼酸反應(yīng)產(chǎn)生氫氣的材料。

此后，美國(guó)還發(fā)生過(guò)燃料貯罐的焊接質(zhì)量問(wèn)題，出現(xiàn)焊縫裂紋并且可能導(dǎo)致燃料貯罐內(nèi)部的氦氣發(fā)生泄漏，造成乏燃料棒溫度升高和棒體的加速腐蝕[5]。為此美國(guó)核管會(huì)不得不多次介入其中，解決燃料貯罐因焊接質(zhì)量而導(dǎo)致的燃料貯罐焊縫開(kāi)裂問(wèn)題。

因此，我國(guó)在引進(jìn)和應(yīng)用乏燃料干法貯存技術(shù)的同時(shí)，要不斷汲取國(guó)際上的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，在積極應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，也務(wù)必時(shí)刻保持對(duì)核安全的敬畏，勿讓類似事件再次發(fā)生。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)國(guó)際上各種乏燃料干法貯存技術(shù)進(jìn)行研究，總體上可以將壓水堆乏燃料干法貯存技術(shù)分為金屬容器、混凝土容器系統(tǒng)和地下干井式系統(tǒng)三類。金屬容器具有導(dǎo)熱性好、重量輕便于運(yùn)輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，但考慮制造成本與技術(shù)要求較高的限制，混凝土容器系統(tǒng)是當(dāng)前較為主流的技術(shù)。

縱觀我國(guó)近期和遠(yuǎn)期乏燃料管理狀況，我國(guó)在引進(jìn)乏燃料干法貯存技術(shù)時(shí)，應(yīng)選擇國(guó)際上已經(jīng)成熟應(yīng)用的可靠技術(shù)。對(duì)于大亞灣核電基地和田灣核電廠，建議首選安全性好、經(jīng)濟(jì)性高的混凝土容器系統(tǒng)。而如果遠(yuǎn)期國(guó)家建立大型的集中式貯存設(shè)施，則應(yīng)在滿足安全要求的同時(shí)，在引、消、吸的基礎(chǔ)上，通過(guò)自主化創(chuàng)新的方式，不斷提高貯存設(shè)施的經(jīng)濟(jì)性。

[1] ICEM05-1356 “Operation and Maintenance of Spent Fuel Storage and Transportation Casks/ Containers.” IAEA-TECDOC-1532, International Atomic Energy Agency, 2007.

[2] Survey of wet and dry spent fuel storage(IAEA-TECDOC-1100)，VIENNA：IAEA，July 1999：36

[3] Selection of Away-From-Reactor Facilities for Spent Fuel Storage(IAEA-TECDOC-1558)，VIENNA：IAEA，September 2007：13

[4] SINGH, K.P.“A Complementary on the Roles of DOE, NRC, and Industry in Advancing Homeland Security”, presentation at the Institute of Nuclear Materials Management Seminar, 26-28 January 2005, Washington DC.

[5] Benjamin K.Sovacool (2011).Contesting the Future of Nuclear Power: A Critical Global Assessment of Atomic Energy, World Scientific, p.144.

Research On The Application of Pressurized Water Reactor Spent Fuel Dry Storage Technology

Yuan Cheng-yu, Liu Yan-zhang, Mo Huai-sen

(China Nuclear Power Design Company LTD., Shenzhen of Guangdong Prov.518172, China)

This paper introduces the background and development process of dry storage technology of spent fuel in the world.The characteristics and classification of various kinds of dry storage technology in the world are summarized.In view of the demand for the storage of spent fuel in the pressurized water reactor, the technical characteristics of the three kinds of dry storage technology in the world, which are widely used in the pressurized water reactor, are analyzed.Based on the present situation of the spent fuel management of nuclear power plant in China, the short term and long term technical selection suggestions are put forward for the dry storage of the spent fuel in China.

Pressurized Water Reactor；Spent Nuclear Fuel；Dry Storage；Application Research

2016-12-27

袁呈煜(1988—)，男，江西省于都縣人，工程師，工學(xué)學(xué)士，現(xiàn)主要從事核燃料循環(huán)技術(shù)研究

TL93+3

A

0258-0918(2017)03-0470-07