乏燃料運輸容器排水及干燥方法淺析

盧可可+張白茹

【摘 要】乏燃料運輸容器在水下裝料后通常采取干式運輸，需對容器內腔進行排水、干燥、充惰性氣體、檢漏等一系列操作。介紹了三種排水方法和兩種干燥方法，分析了兩種干燥方法常見問題及解決方法，探討了容器內腔干燥的準則。

【關鍵詞】抽真空干燥；熱氣循環干燥；乏燃料運輸容器

中圖分類號： TL932.1 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）35-0078-002

Analysis of Drainage and Drying Methods of Spent Fuel Transport Container

LU Ke-ke ZHANG Bai-ru

（Nuclear Equipment Institute of China Nuclear Power Engineering Co. Ltd.， Beijing 100840， China）

【Abstract】Spent fuel transport containers usually take dry transport after being charged underwater. A series of operations such as drainage， drying， inert gas filling and leak detection are required. Three kinds of drainage methods and two kinds of drying methods are introduced. The common problems and solutions of the two kinds of drying methods are analyzed， and the criterion for drying the inner cavity of the container is discussed.

【Key words】Vacuum drying； Hot gas circulation drying； Spent fuel transport container

0 引言

核電站反應堆壓力容器中的燃料在卸料后將轉運至乏燃料水池中進行濕法貯存。通常，核電站的乏燃料水池設計貯存量僅能滿足核電站壽期內一定年限的貯存需求。因此，需定期將乏燃料水池中的乏燃料外運至乏燃料后處理廠進行后處理，或者運至乏燃料貯存設施進行離堆貯存，以保證核電站的正常運行。一般采用金屬運輸容器干式運輸乏燃料[1]。

乏燃料在裝載井中進行水下裝料并蓋上容器蓋后，將從裝載井中轉運至清洗井進行排水、干燥、充惰性氣體和檢漏操作，以保證乏燃料在運輸或貯存期間容器內腔為干燥惰性氣體環境。

1 排水及干燥目的

乏燃料運輸容器排水和干燥的目的主要有：

（1）排出容器裝料時容器內腔的水；

（2）排出容器中殘留的水及氧化性氣體，保證乏燃料在運輸或貯存期間處于干燥、惰性氣體保護、無腐蝕的環境中；

（3）乏燃料內容物的衰變作用及容器屏蔽層對放射性射線的吸收將產生熱量，乏燃料的熱量將導致殘留水分蒸發成氣體，真空干燥可保證容器內腔的壓力不會因水分殘留而升高；

（4）便于把惰性氣體充入到容器內腔中，通過惰性氣體的高傳熱性能，及時散出乏燃料組件的衰變熱，防止乏燃料組件的包殼溫度超過限值。

2 容器排水方法

容器中的水可通過三種形式排出：充氣排水法、抽水法、重力排水法（圖1）。充氣排水法是通過向容器內腔充入干燥的壓縮氣體把水從容器排水管中排出。抽水法是通過水泵從排水管中把水抽出。充氣排水法和抽水法均需把排水管插入到容器內腔底部，為最大限度排出容器中的水，可在容器底部開設集水槽。重力排水法是在容器底部開設排水孔，容器內腔的水依靠自重排出。三種方法均需在容器的包容邊界上開立貫穿性孔道，該孔道最終需通過焊接、法蘭連接或者具有自封堵功能的快速接頭等結構形式保證其密封性，以保證放射性物質不漏失。

3 容器干燥方法

容器排水后，容器中殘留的水大部分為自由態的水，還有部分為物理吸附和化學吸附的水，以及微量的存在于燃料包殼積垢、腐蝕產物中的水。其中最后一種形態的水存在量極少，可忽略不計。自由態的水和物理吸附的水主要存在于乏燃料組件的縫隙、容器中吊籃的縫隙以及零部件外表面?；瘜W吸附的水主要產生于水與材料之間的反應。容器內腔自由態的水、物理吸附和化學吸附的水可通過壓力、溫度、濕度的變化排出。

排出殘留水分可采用兩種方式：第一種方式是抽真空干燥法，第二種方式是熱氣循環干燥法。

3.1 抽真空干燥法

3.1.1 抽真空干燥法原理

抽真空干燥法是通過對容器內腔抽真空的形式，降低容器內腔的壓力，從而使殘留水分汽化變成蒸汽后被真空泵抽出[2]。當容器的容器蓋通過螺栓固定在容器筒體上后，容器內腔將組成密封環境。通過真空泵對容器內腔持續抽真空，容器內腔的殘留水因壓力降低而轉化成氣態被真空泵抽出。由于抽出的氣體濕度較大，需在真空泵前端設置冷凝器，把氣體中的水冷凝并收集后定期排出（圖2）。

3.1.2 抽真空干燥法的問題及解決方法

（1）燃料包殼溫度超過限值

抽真空干燥法的主要問題之一是燃料包殼的散熱問題。當容器內腔已經達到或接近真空狀態后，容器內腔的傳熱性能較差，導致乏燃料組件的熱量無法及時傳出到容器表面。如果抽真空時間過長，將有可能導致乏燃料組件包殼的溫度持續升高進而超過其溫度限值。因此，采用抽真空干燥法時，需限制抽真空干燥的完成時間。一旦超過限制的時間，可通過向容器內腔充入干燥氦氣，加快散熱并采取后續應急措施。endprint

（2）結冰

抽真空干燥法的另一個主要問題是結冰問題。抽真空時由于容器內腔壓力降低，容器內腔殘留的水會蒸發成氣體被排出。由于水從液態蒸發成水蒸氣需要吸收熱量，且真空或接近真空狀態下內腔的傳熱性能較差，乏燃料組件的衰變熱很難及時傳導至容器內腔各處，因此，容器內腔局部位置會發生結冰的風險。根據操作經驗，容器排水管是發生結冰的主要位置之一。一旦排水管被冰塊堵塞，將導致抽真空的路徑被切斷。根據水的三相圖（圖3）可知，容器內腔的壓力大于610Pa時不宜結冰[3]。為了防止或解決容器內腔結冰，當容器內的壓力抽到約600Pa后，如果長時間達不到真空狀態，可間斷性的向容器內腔通入一定的干燥氣體，使容器內腔壓力升高至600Pa左右。

3.2 熱氣循環干燥法

隨著核電站燃料組件燃耗的不斷增加，乏燃料組件的衰變熱也不斷增加。對于衰變熱較高的乏燃料組件運輸容器，采用抽真空干燥法時對抽真空干燥的完成時間要求較高。熱氣循環干燥法將解決抽真空干燥法對時間的限制。熱氣循環干燥法是通過向容器內腔持續通入經加熱的惰性氣體（通常為氦氣），容器中的水分被惰性氣體帶出，排出的氣體經過干燥、加熱后循環通入容器內腔。由于容器在運輸期間內部也是通入惰性氣體，因此，采用熱氣循環干燥法進行干燥時，乏燃料組件的環境條件與運輸期間基本一致。此種方法對干燥時間沒有限制，適用于裝載高燃耗乏燃料的運輸容器。

熱氣循環干燥法可避免出現抽真空干燥法中的燃料包殼溫度超過限值和容器內腔結冰的問題。

4 容器干燥準則

對于抽真空干燥法，可通過容器內腔的真空度直觀判斷。根據水的三相圖，當容器內腔的溫度大于0℃且內腔壓力低于600Pa時，容器內腔不會存在液態的水和固態的冰。保守起見，可對容器內腔抽真空至300-500Pa后，若容器內腔壓力可維持一定時間不升高，證明容器內腔殘留的水已全部被排出。

對于熱氣循環干燥法，在不同操作階段可通過控制溫度、壓力、氣體循環率等參數進行判斷。容器內腔干燥的驗收準則可通過干燥系統冷凝器出口溫度或容器排氣孔處的氣體露點溫度進行判斷。

5 總結

乏燃料運輸容器在裝料后，可采用充氣排水法、抽水法或重力排水法對容器內腔進行排水。對于排水后殘留的水分，可通過抽真空干燥法和熱氣循環干燥法對容器內腔進行干燥。

【參考文獻】

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

[2]徐成海，張世偉，關奎之.真空干燥[M].北京：化學工業出版社，2003.

[3]International Atomic Energy Agency. Spent Fuel Performance Assessment and Research：Final Report of Coordinated Research Project（SPAR-II）[M].IAEA-TECDOC-1680， IAEA Vienna， 2012.endprint