核電站是這樣停堆換料的

劉國偉

反應堆是核電站的核心，反應堆內的核燃料不斷進行鏈式反應產生熱能進而轉化為電能。但這些核燃料需要定期更換，由于反應堆內高溫和強輻射，當前絕大多數核電站都需暫停反應堆才能進行換料，這被稱為“停堆換料”。由于停堆成本巨大，打開一）欠不容易，也會同時進行相應維修工作。那么，核電站是如何進行停堆換料的？我國核電站目前停堆換料的技術水平如何？

據中核集團官方微信公眾號“中國核電”發布的消息，該集團旗下海南昌江核電廠2號機組已于1月5日12時23分成功并網發電，這標志著該機組代號為202的換料大修工作結束。2018年11月23日0點01分，昌江核電廠2號機組從海南電網解列，標志著該機組的第二次大修正式開始。

換料大修損失巨額電量

昌江核電2號機組的這次大修歷時42天，除了更換部分燃料外，還實施了包括壓力容器開關蓋、裝卸料、2LHQ應急柴油機升級檢修、冷源檢修、發電機抽轉子等的大修，以及主廠變感溫電纜換型等重大技改項目。這是昌江核電2號機組第二次換料大修，該機組第一次換料大修是在2017年11月20日，歷時75天。除換料外，還有約7500項檢修項目，包括堆內的“一回路水壓試驗”、安全殼強度和密封性試驗、壓力容器在役檢查、主輔變年度檢修、汽輪發電機組全面檢查等大修項目，以及國家核安全局要求進行的測溫探頭（ MT）套筒返修、汽輔泵葉片檢查等項目。

昌江核電2號機組于2010年11月開工建設，2016年8月并網發電進入商運。2017年11月第一次換料大修，歷時75天;2018年11月第二次換料大修，歷時42天。這說明由于核電人多方面努力，反應堆停堆換料大修的時間在大幅減少，效率明顯提高。就拿昌江2號機組來說，停堆一小時，就要損失65萬千瓦時的電量。該機組的第二次大修比第一次少了33天，如果滿負荷運行，就相當于多發51480萬千瓦時的電。

既然如此耗時又花錢，反應堆為何要進行換料大修？

壓水堆核電站換料都需停堆

作為核電站中最關鍵的設備，反應堆的類型決定了核電站日常運行和維護的諸多差異。目前在役核電站使用的壓水堆，源于1953年美國原創開發成功的核潛艇動力堆。由于在設計和使用上具備明顯優勢，壓水堆目前占全球核反應堆總數的六成以上，也是我國核電站所用反應堆的主力軍。因此，本文中提到的核反應堆如無特別說明，則均為壓水堆（水在堆芯內不沸騰，保持在高壓狀態）。

從專業技術角度來看，壓水堆核電站的先天短板，在于被裝入堆芯的核燃料具有后備反應性，即堆芯中全部中子吸收體，如控制棒、可溶毒物、可燃毒物等都被取出后，反應堆還會保持反應性。可隨著反應堆運行時間延長，核燃料損耗的增加，后備反應性就逐漸減少，最終會使整個反應堆不能維持運行，也就無法產生核裂變的鏈式反應。因此，必須定期更換部分核燃料以保持機組正常運行，停堆換料實屬不得已而為之。

當然，不是所有的反應堆在換料時都需要停堆，我國秦山核電站三期工程使用的重水堆，在換料時就不需要強制停堆。這是因為重水堆的燃料棒束組件簡單又短小，又加上反應堆堆芯是水平管道式的，因此，在更換燃料的時候無須停堆，換句話說，重水堆在工作狀態中隨時都能換料。不過，重水堆在國內外核電站中屬于小眾，僅占核反應堆總數的一成左右。

換料間隔周期越長越好

對一個日發電量上百萬千瓦時的核電站來說，停堆換料工作所造成的經濟損失無疑是驚人的，但這項工作又是必不可少的。因此，延長核燃料的使用周期，停堆換料次數越少越好。這方面的世界紀錄是美國伊利諾伊州的拉薩爾核電站創造的，2006年該核電站一次換料后持續運行了739天，超過了兩年。

在我國，近年來核電站壓水堆核燃料的使用周期有了顯著增加，在燃料組件設計上下功夫是重要的突破口。在這方面，位于江蘇省連云港的田灣核電站走在了前面。2014年以前，田灣核電站使用的UTVS型燃料組件的換料周期只有300天。2014年開始，田灣核電1號機組啟動了“長周期項目”，即通過每年裝入部分TVS-2M型燃料組件的方式，逐步向長周期燃料循環階段過渡。國產化的TVS-2M燃料組件具有更好的穩定性和更多的鈾裝量，可把換料周期延長到480天，還能讓反應堆更安全、高效地運行，在技術性能與經濟性方面都得到了改善。2016年初，田灣核電站1號機組結束了混合堆芯的狀態，進入全堆長周期型高性能燃料組件運行階段，從而實現了長周期燃料組件的全堆應用。

《中國核工業報》披露的消息顯示，田灣核電站的兩臺機組完全實現長周期燃料循環后，預計每臺機組平均每年可增加運行時間約20天，兩臺機組年發電量增加9.6億千瓦時。折算到同等發電量的燃煤電站，兩臺機組每年將少消耗38.4萬噸煤炭。

停堆換料時間越短越好

同樣出于經濟上的考慮，停堆換料工作完成得越快越好也是核電行業的共識。以美國華盛頓州里奇蘭德的哥倫比亞核電站為例，30天的停堆要使核電站少發7000多萬千瓦時的電。不過拜技術進步和管理規劃水平提高所賜，20多年來核電站停堆換料造成的核電站“停擺”時間大體上越來越短。美國國家核能研究所（NEI）的資料顯示，在上世紀90年代初，全美核電站停堆換料平均時長超過了100天;而到了2014年，這個用時縮至37天左右，這種變化對于提高核電站運行的經濟效益是十分有利的。

對于核電占國家能源供應比例較大的國家來說，停堆換料的時機選擇很重要。據美國媒體介紹，美國的核電站通常是在春秋兩季進行停堆換料。這是因為這兩個季節電力需求較小，核電站停擺造成的電力缺口更容易被其他電力來源填補。相比之下，空調使用大增的夏季和取暖用電增加的冬季，并不是停堆換料的好時機。

由于反應堆停擺打開一次不容易，停堆換料通常與核電站設備大修工作合并進行，這期間核電站最為緊張忙碌，數千項乃至上萬項工作必須有條不紊地同步開展。就拿海南昌江核電廠2號機組停堆換料這一個多月里，大修工作共計實施了7679項，其中包括預防性維修4242項，技術改造44項，定期試驗684項，糾正性維修及其他2709項。如此大的工程量在爭分奪秒的停堆換料期間完成，顯示出了我國核電人過硬的專業素質。

換料多在水下進行

在我國，核電站停堆換料工作必須嚴格遵守國家核安全局頒發的《核電廠運行安全規定》及其附件《核電廠換料、修改和事故停堆管理》等規章制度。由于涉及核燃料元件，為確保核燃料的安全可靠，杜絕放射性物質外泄，裝卸核燃料過程中絕不允許出現任何紕漏。筆者綜合各方面材料，簡要描述一下反應堆更換核燃料過程。

首先，核電站方面要先花上幾天時間減緩和終止反應堆的鏈式反應，這個過程絕不是按下一個按鈕就能解決的。因為停堆后余溫尚存，冷卻系統還要持續對反應堆進行冷卻。接下來的換料工作可以稱之為“水下作業”，因為大部分工作都要在核電站的水池里進行。

裝在密閉容器里的核燃料在嚴密保護下一路運到核電站，核電站工作人員接料后將其運到燃料廠房。核燃料容器在燃料廠房開箱，燃料棒取出后被放到乏燃料池里，接著運到同廠房的燃料運輸池里，水池充滿高濃度的含硼水提供次臨界度以及中子屏蔽。在燃料運輸池的底部有一個通道直通反應堆廠房的構件池，傳輸小車把燃料棒從燃料運輸池轉移到反應堆廠房的構件池，由裝料機的機械臂將燃料棒從構件池取出裝入換料腔下面的反應堆里。

這里需要強調的是，通常我們講的換料工作，并不是將反應堆堆芯里所有的燃料棒一次性地全部更換，而是一般只更換1/3左右。以位于美國華盛頓州里奇蘭德的哥倫比亞核電站為例，764根燃料棒通常一次換料248根，堆芯燃料組件實現全部更換需要6年之久。