壓水堆乏燃料干式貯存的安全考量

曹 鈞 朱桂明 （江蘇省安全生產科學研究院 ，南京，210042）

闞一煒 （江蘇省興安科技發展有限公司 ，南京，210042）

乏燃料干式貯存是指核電廠反應堆卸出的乏燃料于在堆水池冷卻一定的時間后，轉移至特定場所的干式貯存設施所進行的離堆中間貯存。截至2017年3月31日，我國已投入商業運行的核電機組共36臺［1］，其中只有秦山第三核電廠2臺CANDU型重水堆機組產出的乏燃料在水池中冷卻不少于5年后采取干式貯存，其他的壓水堆機組均采取將乏燃料置于在堆水池的濕式貯存。在堆貯存池的容量有限，在運核反應堆又不斷產生著乏燃料 ，一旦滿容就不能繼續收儲［2］，并影響壓水堆每隔1年或1.5年換料的正常實施。

我國乏燃料的累積量在2015年已達3 100 tU［3］，較早建立的核電廠都面臨著在堆貯存池內乏燃料趨于滿容的問題［4］。因此，現階段需要采取在堆濕式貯存和離堆干式貯存并行的方案，亦即將在堆水池中已冷卻超過5年以后的乏燃料轉移至干式貯存設施作離堆貯存，使在堆水池保持合適的周轉容量，能夠收貯新產生的乏燃料。

相較于乏燃料貯存池容量難以擴展、二次過濾的放射性廢物較難處置、建設和維護成本高等缺點 ，乏燃料干式貯存設施具有貯存量大、幾乎不產生廢物、建設和維護費用較低、危害控制和事故預防能力更強等顯著優勢［5］。

乏燃料貯存乃至于出路問題的最終解決，依賴于未來我國建成核燃料循環項目從而形成規模化的乏燃料后處理能力 ，在此規劃實現之前 ，尤其是當前階段，研究并實施乏燃料干式貯存已成為確保我國核電持續穩定發展的一項重要而緊迫的任務。目前大亞灣核電廠、田灣核電廠已經開始部署和實施乏燃料干式貯存設施的建設［6］。

壓水堆乏燃料干式貯存在我國是一項新的實踐 ，在其實施過程（包括決策、設計、建設、運行和管理等）的各個環節中會遇到一些難以避免和需要重視的安全問題。在此項實踐的啟動節點，研究乏燃料干式貯存的安全問題，并建立起認識和處置相關安全問題的信息儲備，對于預防和減少實施過程中確定與不確定的各類危險因素，促進各核電企業以及整個核電行業對乏燃料干式貯存的優化決策和穩健實施，將是十分必要和有益的。

1 乏燃料干式貯存工藝簡析

通過乏燃料轉運系統［7］的操作 ，將貯存池內冷卻5 a以上的乏燃料裝入容器，使用轉運輔助設備［8］對容器進行充氣排水、風干、充氦氣和泄漏檢測，待容器符合要求后再吊裝于專用運輸車 ，運送至干式貯存設施進行中間貯存。乏燃料干式貯存設施主要有混凝土筒倉式和金屬容器式兩類［9］。如采取金屬容器式干式貯存技術 ，則所用的金屬容器能夠兼具運輸和貯存乏燃料的功能。乏燃料干式中間貯存可達50 a，在此期間或期滿后具備條件時可進入后處理程序。

1.1 任務區域

乏燃料干式貯存實施過程分為準備、運輸、貯存3個階段，各階段工藝任務執行和完成的區域可相應地稱為準備區、運輸區和干式貯存區。兩種主要類型乏燃料干式貯存的操作流程見圖1。

準備區限于乏貯池所在的核電廠廠房內，此區域內完成將乏燃料裝載于容器的操作；運輸區包括毗連乏貯池廠房而建的運輸專用房和通至干式貯存場的專用道路，運輸專用房與乏貯池廠房通過移動式屏蔽門對接；貯存區系指乏燃料干式貯存場 ，包括貯存設施及其四周由實體墻、欄所圍護的區域。

圖1 壓水堆乏燃料干式貯存操作流程

1.2 工藝設備

乏燃料干式貯存的操作和實施過程使用的設備設施主要包括乏燃料轉運系統、乏燃料轉運輔助設備、容器、專用運輸車、干式貯存設施 ，以及用以提升、吊裝乏燃料設備的各類起重設備等。

（1）乏燃料轉運系統：包括水下操作工具、橋式起重機和操作平臺 ，以及主要由手動閥、電磁閥和冷卻器構成的臺架與冷卻模塊等輔助設備。該系統負責將乏燃料于貯存池水下置入貯存籃，再裝入容器 ；對容器進行清污、排水、干燥、充氦和泄漏檢查后，通過起重操作而裝載于專用運輸車。

（2）轉運容器 ：主要由容器殼體、容器密閉系統和減震器等部分組成，容器殼體則是由鋼質結構層、γ屏蔽材料層和中子屏蔽材料層所構成。

（3）乏燃料吊籃 ：主要由乏燃料組件套筒、支撐板和傳熱板構成。套筒結構為雙層不銹鋼壁，其中間夾層填充中子吸收材料，可保持乏燃料處于次臨界狀態。

（4）專用運輸車：負責將容器運至干式貯存區，并將卸空的容器送返準備區。

（5）干式貯存區主要設備設施：干式貯存區的核心是乏燃料干式貯存容器及其具有散熱、屏蔽和圍護功能的配套設施，其他設備包括起重機、輻射監測儀等。

兩種主要干式貯存設施技術特點列于表1。

2 危險因素分析

2.1 準備區

準備區的放射性危害因素主要是由γ射線所產生的外照射。對于乏燃料產生的α、β射線、乏燃料中裂變產物和錒系元素釋放的緩發中子，前兩者可被完全屏蔽，后者產額很低并可有效屏蔽，因而對它們所形成的外照射可以忽略。

準備區可能存在放射性氣溶膠和表面污染。放射性氣溶膠主要是容器在清洗、干燥等過程中產生并可能被泄漏至準備區空間；表面污染則是由于操作乏燃料組件和容器的工具所粘附的池水、容器清洗所產生的廢液滴落到準備區的地面、物體表面所造成。

準備區主要使用運動裝置和起重設備操作乏燃料組件和容器，因而可能給作業人員帶來起重傷害、機械傷害、高處墜落等危險。尤其是當運動裝置失控、零部件重物脫落、設備碰撞和人因失誤等事件損害或破壞乏燃料裝載設備的包容、屏蔽和圍護結構時，可造成或加重放射性危害。

表1 兩種主要的乏燃料干式貯存設施的技術特點

準備區已完成裝載乏燃料的容器在焊接過程中產生的錳煙等電焊煙塵和氮氧化物等有害氣體，一般都能有效地排放于準備區廠房內排風系統，對作業人員的影響較輕 ，但當作業人員個體防護不當時，產生的電弧光及其紫外輻射可能對其眼睛、皮膚等造成灼傷。此外 ，電焊過程中所涉及的電氣設備和電纜可能會因為腐蝕、超負荷、絕緣老化和短路等現象引致火災 ，或使其他介質、裝置過火而擴大火災。

2.2 運輸區

運輸區可能出現放射性危害的情況包括：當準備區出現放射性異常，而屏蔽門又處于開啟狀態時 ，運輸專用廠房會受到波及；裝載乏燃料的容器裝車后定位于運輸車的承載盤，如準備區干燥等作業失誤，使得容器表面殘留有池水并滴落于承載盤甚至卡車表面、輪胎等處，會造成這些部件的表面污染；運輸途中萬一發生傾覆和嚴重撞擊事故 ，損壞容器的屏蔽結構 ，司機、隨車人員甚至事故處理和救援人員受γ射線照射的機會和劑量率都會增加。

2.3 干式貯存區

乏燃料干式貯存設施無氣載和液態的放射性物質釋放至大氣、地表水和地下水中 ，因而貯存區的危險因素除了γ輻射外，主要是對干式貯存設施具有破壞性影響的因素，即對放射性物質包容的完整性、乏燃料貯存的臨界安全、衰變熱的移除和輻射防護具有破壞和擾動作用的各種因素。

2.3.1 包容完整性

干式貯存的乏燃料具有鋯合金包殼和金屬容器所組成的密封屏障，可在貯存的全周期內保持對放射性物質的包容。鋯合金包殼的強度較弱，在轉運和裝貯時遇及撞擊、震動較易發生破損 ；容器同樣在轉運、裝貯時可能因為跌落、碰撞而受損；長期持續的電離輻射也會對容器材質產生緩慢的損害；金屬容器受到外界因素侵損的機會最多 ，如：大氣中酸性污染氣體、酸雨、沿海區域的鹽霧對其外表材質的腐蝕，外界溫度和濕度的變化對其結構組織的損害，重物撞擊、爆炸甚至墜機、高烈度地震等難以預計的事故和災害的破壞等。

密封屏障受到損壞和出現缺漏，干式貯存設施的包容失效，不僅造成放射性物質泄漏 ，而且會使空氣和現場可能存在的水（如發生洪澇災害）進入干貯設施核心，乏燃料的鋯合金包殼接觸空氣而氧化升溫 ，高溫下可發生鋯水反應 ，包殼損壞使得放射性外泄和污染，反應產生的氫氣與進入的空氣在較為有限的空間混合，達到爆炸極限后在高溫時會發生爆炸，導致放射性物質更大范圍的擴散和污染，作業人員和公眾受到嚴重的放射性危害，甚至可造成重大的人員傷亡。

2.3.2 臨界安全

對乏燃料干式貯存臨界安全具有不利影響的因素主要有：乏燃料的富集度評估和臨界分析失當，在其基礎上建立的乏燃料干式貯存方案存在偏差，導致貯存數量以及貯存操作的不合理 ；吊籃在裝入貯存容器時，如因操作失誤而發生碰撞和跌落，或者貯存場發生爆炸等意外事故 ，可能會損壞貯存容器 ，使得內置的吊籃結構變形 ，籃內中子吸收材料的包覆完整性受到破壞，貯存幾何條件發生改變 ，甚至造成外界的水等慢化物的侵入 ；金屬貯存容器焊封、吊籃裝入貯存容器時有異物介入，如塑料膠帶和墊片等慢化材料、具有酸性和氧化性的腐蝕材料等，也會對臨界安全造成威脅。

2.3.3 衰變熱移除

干式貯存乏燃料產生的衰變熱主要憑借空氣自然對流而排出。金屬容器式干貯設施為促進排熱而采取外表面加置散熱片的設計，乏燃料的衰變熱通過容器壁傳導至容器外表面以及散熱片，釋放于大氣；混凝土筒倉式干貯設施的下部和上部分別設有空氣入口和出口，外界空氣從下部入風口進入內置容器與混凝土體之間的空腔，吸收熱量后從上部出風口排出至大氣中。此外，被屏蔽的γ射線產生的熱量以及少部分衰變熱通過混凝土體的熱傳導而釋放。

金屬容器式干貯設施外表面散熱片如果受到損壞或者被外界異物侵占，則其吸熱能力和熱傳導能力均會減低 ，影響衰變熱的移除；混凝土筒倉式干貯設施可能會因為空氣入、出口出現異物占位、堵塞而使空氣對流不暢，影響衰變熱的排出。最有可能侵占和堵塞的異物是鳥、鼠、蛇等小動物，落葉、廢紙等一些片狀、條索狀的異物也可能被風吹入。

乏燃料衰變熱移出減少將使貯存設施內部形成熱蓄積，溫度不斷升高，會造成乏燃料組件、吊籃、貯存容器局部溫度達到或超出溫度限值 ，使密封結構破壞，造成輻射強度的加大甚至于放射性物質的外泄 ，引發放射性事件/事故。

2.3.4 輻射屏蔽

金屬容器式干貯設施的輻射屏蔽主要由厚壁的金屬容器和內置吊籃構成。混凝土筒倉式干貯設施則是由吊籃、薄壁的金屬容器、混凝土構造體及其外覆鋼板組成屏蔽層，其中混凝土構造體的屏蔽效能最強，可以彌補薄壁金屬容器的屏蔽弱勢。

影響輻射屏蔽效能的因素主要有 ：吊籃、金屬容器在制造和安置過程中可能存在的質量缺陷，長期而緩進性地致使屏蔽層材質組織結構受腐蝕和劣化的大氣有害因素和電離輻射，引起外道屏蔽層的變形和損傷的重物撞擊、破壞性爆炸等。貯存設施屏蔽層結構如受到損害會減弱對γ射線的屏蔽 ，尤其是當筒倉式設施的迷宮型入、出風口受到破壞時 ，將增加γ射線的外泄 ，會造成貯存場內作業人員受照劑量率增加、超出限值 ，以至造成健康損害。

2.3.5 其他危險因素

根據干式貯存場所使用的設備和作業內容，可以推定乏燃料干式貯存和維護管理過程中存在著起重傷害、高處墜落、機械傷害等職業危險因素，以及筒倉式干貯設施內的金屬容器焊封時產生的電焊煙塵等職業危害因素；此外還存在著雷擊、龍卷風、洪水、地震等自然災害危險。

3 防控對策研究

3.1 輻射危害因素防控

3.1.1 準備區

（1）外照射危害的防控

準備區作業過程中最有可能增加γ外照射的操作環節有兩個：一是檢查擬進行干式貯存的乏燃料組件是否完好，二是將檢查合格的乏燃料組件逐件裝入貯存籃的套筒中，兩者皆于水下進行。如果操作過程發生失誤，導致乏燃料組件向上位移甚至出水，會使瞬態輻射劑量升高。預防的關鍵是必須精準操作，確保乏燃料組件上方有足夠厚度的屏蔽水層，同時盡可能縮短暴露時間并保持足夠的操作距離。乏燃料組件裝籃完成后，須確保容器的密封可靠。此外 ，在準備區以及專用運輸廠房合理布點進行γ劑量率連續監測，實時了解外照射的分布和變化情況，及時進行因應處置。

（2）放射性氣溶膠的防控

放射性氣溶膠主要產生于容器清洗、干燥等過程中，預防關鍵是確保乏燃料轉運系統內保持負壓環境和通風、過濾功能的完好性。同時，準備區衛生出入口需嚴格管控，工作人員需更衣進入和下班淋浴后離開。

（3）松散污染的防控

乏燃料操作工具水下作業、容器出水及清洗等過程中 ，應確保操作的精準度和熟練度 ，防止池水和清洗殘液滴漏于池外地面和設備表面；及時對準備區地面、容器的表面進行檢查和檢測，一旦發現污染，立即使用中性去污劑（或除鹽水）進行去污處理。去污產生的廢液需無泄漏收集后送入核電站放射性廢液處理系統處置。

3.1.2 運輸區

對于乏燃料裝車和起運時運輸專用廠房的γ幅射，通過輻射監測和報警系統進行連續的劑量監測，以實時監控異常情況并當即處置。在場工作人員應正確穿戴個體防護用品；對于可能會出現的放射性氣溶膠，應將屏蔽門（乏貯池廠房和運輸專用廠房之間）與運輸專用廠房門（專用運輸車進出）設置聯鎖裝置 ，使得兩者不能同時開啟，以保持乏貯池廠房內的微負壓狀態。工作人員不得從運輸專用廠房門進出，而應從規定的衛生出入口進出。凡人員離場時應對手和衣物、鞋底進行放射性污染檢測；對專用運輸車的承載盤和輪胎等可能會存在松散污染的部位進行檢查和檢測，發現污染即進行擦拭清污。經檢測確認沒有污染后，運輸車才可離開輻射控制區。

乏燃料運輸過程中須做好沿途安保，確保路況順暢 ，杜絕意外的車輛和交通事故的發生。

3.1.3 貯存區

貯存區輻射危害預防的主要內容是對γ射線的屏蔽以及監測和管控。金屬容器式干式貯存設施主要憑借容器的厚壁發揮屏蔽效用，因而其選材制造和組裝集成的質量、基址處理和定位固置的工況、容器表面的抗腐蝕涂層保護、對外物撞擊和損害的防備等方面都需要達到優質和完善的要求，確保設計所規定的屏蔽效能在全壽期內有效實現；混凝土筒倉式干貯設施除全壽期都要符合上述要求外 ，還應針對γ射線較易從筒倉的通風入、出口漏出的特點 ，在設計和建設過程中賦予通風口迷宮型結構以減少漏束，在運維和管理過程中加強對迷宮型通風口的觀察、檢查和保護。此外，還需健全輻射監測、作業人員個體防護、墻欄實體圍護和貯存場安全保衛等體系，以確保乏燃料干貯過程安全無虞。

3.2 放射性包容

在規劃和設計階段，應對干式貯存設施的結構和材料在較為漫長的壽期內出現腐蝕、疲勞、蠕變、收縮、老化和受外力作用變形等問題 ，以及可能遇到的各種事故的破壞情況 ，進行全面考慮 ，采取有效的防護措施，確保在正常運行工況和設計基準事故工況下，都能保持干式貯存設施的結構完整和功能齊全。

干式貯存設施能否保持對放射性物質的包容，關鍵在于三道密封屏障的完整性能否得到有效保障。對于鋯合金包殼完整性的保護，要求涉及乏燃料的所有操作嚴守規程 ，精準謹慎 ，防止誤操作和碰撞、震動等劇烈動作所造成的損害。禁止鋯合金包殼暴露于空氣并與水接觸的機會，以杜絕鋯水反應所致包殼破損與氫氣產生和爆炸的可能性；對于容器及其乏燃料吊籃的操作同樣需要嚴謹細致 ，防止跌落、撞擊而受損；金屬貯存容器在定位固置時，需考慮因熱膨脹而與基址面相擠壓的問題以及防止其受損的緩沖措施；貯存容器需內部充入惰性氣體，外表涂敷相關的功能性涂料，以緩解氧化、腐蝕所致的慢性損害。

應根據不同類型的干式貯存設施的特點采取針對性的防護措施。金屬容器式干式貯存設施的容器壁厚度大，具有足夠的強度 ，但因完全暴露而受到直接損害的概率較大，故應將外物打擊侵害作為預防重點；混凝土筒倉式干式貯存設施雖然增加了混凝土體和鋼板面的保護，但其容器壁較薄，對經由通風口進入的腐蝕性物質等有害因素的抵抗能力也相對為弱。如果混凝土體及其通風口受到破壞，則外界的有害因素即較易對其造成損害。因而應將混凝土體及其通風口結構和功能的保護作為防控重點。

3.3 臨界安全

設計和建設過程中應賦予干式貯存設施足量、長效的預防損害的能力 ，確保全壽期內乏燃料貯存和裝載設備的完整，使干式貯存的乏燃料始終處于次臨界狀態 ；制定貯存方案時 ，推薦采用燃耗信任制對擬干式貯存的乏燃料進行臨界分析，計算貯存設備設施裝載不同燃耗乏燃料的 keff，只有當 keff＜0.95時方可符合臨界安全的要求［10］，據此確定貯存數量并規定操作要求；加強對乏燃料干式貯存作業過程的安全監督和管理，防止人為因素引起的操作失誤和乏燃料貯存條件的改變，杜絕中子吸收材料層受損、慢化物侵入、幾何變形和反射變化等各種失誤后果對臨界安全造成的威脅；重視對不確定性風險的預測、預評和預防，制定可行、可靠的應對預案并適時演練 ，將爆炸和火災等事故、洪水漫淹和暴雪覆壓等災害以及地震、墜機、隕石墜落等低概率事件都納入預案范疇。

3.4 衰變熱移除

衰變熱移除能夠保持正常化和長效化的關鍵在于觀察和檢查。加強對干式貯存設施的常規檢查和監控 ，及時發現影響衰變熱移除的因素 ，及時對癥處置并排除。對金屬容器式干貯設施應重點檢查和保護其表面的散熱片，及時消除可能發生的異物占位和降塵積聚現象；對混凝土筒倉式干貯設施防護的重點是保持空氣入、出口的通暢 ，防止小動物和異物進入而造成排熱障礙。

3.5 非放射性危害

對于乏燃料干式貯存作業過程中存在的起重傷害、機械傷害、車輛運輸傷害、高處墜落等危險因素和電焊煙塵等有害因素，應遵照職業安全衛生的相關法規和標準進行預防和控制。

4 重水堆乏燃料干式貯存的經驗借鑒

秦山第三核電廠引進加拿大原子能有限公司（AECL）的技術 ，于2010年建成了重水堆乏燃料干式貯存場，關鍵設施QM－400模塊包括混凝土構造體及其內置的金屬貯存容器和乏燃料貯存籃，組成結構與混凝土筒倉式干式貯存設施相仿。該廠兩臺重水堆機組產生的乏燃料經在堆貯存池不少于5 a的冷卻后，均轉運至QM－400模塊作離堆貯存。筆者基于對該廠的現場調查和對重水堆乏燃料干式貯存安全影響因素的分析［11］，認為重水堆乏燃料干式貯存已取得的實踐成果，對壓水堆乏燃料干式貯存具有重要借鑒意義。

4.1 較有代表性的操作問題

重水堆乏燃料干式貯存過程中遇到的操作方面的安全問題、解決對策 ，以及可以對壓水堆乏燃料干式貯存所具有的參考作用，總結于表2。

4.2 主要管理經驗

（1）從規劃、設計、建設、投運、驗收到運行操作、維護管理的每一步驟和環節 ，都嚴格執行核安全法規和標準，確保了干式貯存設施質量的可靠性、乏燃料裝運和貯存操作的規范性。

（2）重水堆乏燃料干式貯存場處于核電廠廠址范圍內 ，但與反應堆保持足夠的距離 ，既可滿足乏燃料離堆貯存的要求，又考慮了與反應堆運行的互不干擾性，還便于充分應用核電廠的輻射監測和安全監管的資源。

（3）各類乏燃料操作設備都保有安全裕量，乏燃料移動操作的取徑盡量短而直，保證操作人員的受照符合合理、可行、盡量低的原則。

表2 乏燃料干式貯存的安全操作與管理方面有代表性的問題

（4）對貯存設施運行中所遇問題及時記錄和分析 ，研究、改進和優化解決對策，最終定型為操作規程和工藝規范等企業標準，再增益于乏燃料干式貯存設施的運行及管控。

5 結語

本研究對壓水堆乏燃料干式貯存過程存在的輻射危害與影響包容完整性、乏燃料貯存的次臨界態、衰變熱移除和輻射屏蔽的相關因素進行了前瞻性的分析，對秦山第三核電廠重水堆乏燃料干式貯存設施運行過程中有代表性的安全操作問題和管理經驗進行了概要總結，在此基礎上對壓水堆乏燃料干式貯存的實施和安全防護提出了具有針對性和借鑒性的措施和建議，因而可為我國正處于開局階段的壓水堆乏燃料干式貯存設施的建設增添助力。

［1］核電評估部.2017年1～3月全國核電運行情況［EB/OL］ ．中國核能行業協會 ．http ：//www ．china － nea ．cn/html/2017 －06/38560 ．html，2017－06－27 ．

［2］Feiveson H ，Mian Z ，RamanaM V ，et al．Managing spent fuel from nuclear power ractors［M］．International Panel on Fissile Materials，2011 ．

［3］洪哲 ，趙善桂 ，張春龍 ，等 ．我國乏燃料離堆貯存需求分析分析［J］ ．核科學與工程 ，2016 ，36（3） ：411 －418．

［4］劉彥章 ，王鑫 ，袁呈煜 ，等 ．壓水堆乏燃料中間貯存技術研究［J］ ．核科學與工程 ，2015 ，35（1） ：44 －49 ．

［5］馬敬 ，劉繼連 ．田灣核電站乏燃料離堆貯存方案研究［J］ ．科技和產業 ，2014 ，14（4） ：147 －153 ．

［6］劉永德．我國核電站乏燃料安全管理有保障［EB/OL］ ．http ：//www ．sastind ．gov ．cn/n112/n117/c6769827/content．html.2017 －01 －22 ．

［7］任憲常 ，何英勇 ，王歡 ，等 ．壓水堆核電廠乏燃料轉運系統工藝分析［J］ ．起重運輸機械 ，2014 ，（4） ：106－110．

［8］翁松峰．壓水堆核電站乏燃料運輸輔助設備設計［J］．核動力工程 ，2012 ，33（6） ：147 －150 ．

［9］洪哲 ，趙善桂 ，楊曉偉 ，等 ．乏燃料干式貯存技術比較分析［J］．核安全 ，2016 ，15（4） ：75 －81 ．

［10］洪哲 ，趙善桂 ，張敏 ，等 ．乏燃料干式貯存設施臨界計算研究［J］ ．核技術 ，2016 ，39（7） ：070601 ．

［11］曹鈞．重水堆乏燃料干式貯存安全影響因素分析［J］ ．安全與環境學報 ，2017 ，17（6）：2062 －2068 ．