核電乏燃料水池泄漏維修技術發展研究

楊 濤，李青華，簡海林，孫 湞

（國核電站運行服務技術有限公司，上海 200233）

0 引言

乏燃料水池是核電站用于暫存乏燃料的主要設施，是以不銹鋼材料為主的大型金屬結構，其制造和安裝過程大量采用焊接技術。這些焊縫在核電站整個運行周期中始終處于帶水和高輻射環境中，容易發生局部腐蝕、損傷和破壞，是核電站特種維修領域重點關注的對象。

由于乏燃料水池處于高放射性區域，高輻射會對人體造成很大傷害，不利于維修人員直接接近待修部位，在這種條件下進行維修，需利用水對中子和γ 射線的吸收來顯著降低現場輻射強度。早期設計的核電站乏燃料水池與堆內構件檢查井等設施相通，以便在前者出現泄漏時，將乏燃料暫存于后者，以減少維修過程中人員和設備所承受的輻射劑量。國內現有的維修作業主要采用移除乏燃料、排空水池，人員直接進入水池內進行修復。使用該技術維修準備時間長，人員輻照風險極大。以秦山一廠為例，秦山一期核電廠乏燃料水池進行過焊接修復，但因其設置有兩個乏燃料水池，在進行泄漏維修時，可以將需要維修的水池騰空后，操作人員直接進入乏燃料水池內進行修復。然而，包括AP/CAP 和大多數二代加系列機組的乏燃料水池并不相通，如果出現泄漏，無法進行上述操作，這給維修工作帶來極大的危險性。

1 乏燃料水池簡介

核電乏燃料水池，是一種以不銹鋼作為鋼覆面的大型水池，其采用不銹鋼材料，耐腐蝕性能和耐疲勞性能都良好，因水池面積巨大，鋼覆板通過一塊一塊的方板，焊接搭接而成，焊縫搭接如圖1 所示。

圖1 焊縫搭接示意

早期的核電堆型，如M310，VVER 等，采用的是316L 不銹鋼，不銹鋼厚度為5 mm，該種不銹鋼，在運行一定周期后，發現水池焊縫出現不同程度的泄漏情況。因此，在新建的核電堆型，已開始使用新的不銹鋼材料，如AP1000 核電機組采用的則是S32101 雙相不銹鋼，同時，為了避免水池泄漏，不銹鋼板厚度增加到了12.7 mm。但因剛覆面是焊接而成，受焊縫質量、服役環境、服役周期的影響，實際運行過程中，依然出現了泄漏。

2 國內外泄漏現狀

因乏燃料水池的焊縫，在核電站整個運行周期中，始終處于帶水和高輻射的環境中，容易發生局部腐蝕、損壞，腐蝕損壞的焊縫如圖2 所示。

圖2 腐蝕損壞的焊縫

近年來，越來越多的乏燃料水池或類乏燃料水池的剛結構水池發生了泄漏，國內外核電機組泄漏案例見表1。

表1 國內外核電機組泄漏案例

尤其巴基斯坦核電，因乏燃料水池泄漏嚴重，且無有效的技術方案解決，給運行帶來相當的安全隱患。

3 國內外公司研究現狀

針對乏燃料水池底板的維修，國內外公司都展開大量的技術研究，主要研究工作都圍繞焊接穩定性較高的氬弧焊和激光焊接所展開[5]。其中，日本日立和石川化成重工業公司，開發乏燃料水池水下遠程控制維修專機，其核心技術是在乏燃料水池池邊安裝大型橫梁，以搭載維修專機系統，但存在體積過大，可實施性較差等問題。西屋電氣公司旗下的PCI 公司，則對激光焊接技術展開深入的研究，采用小型專機局部排空水域的方法，對乏燃料水池底板進行激光焊接修復，但焊接效果不甚理想。歐洲的相關研究機構則采用不同思路，他們采用熱塑性聚合物對漏點進行水下加熱封堵，該方案容易給乏燃料水池帶來異物，同時熱塑性聚合物在輻射的水環境下，使用壽命也存在考驗。

國內方面，在乏燃料水池泄漏方面也展開研究。其中，國核電站運行服務技術有限公司開發的水下固定氣罩覆板氬弧焊接維修系統，可以實現對水池底板的水下補板焊接修復；上海核工程研究設計院則研發水下激光焊接技術，采用移動氣罩排水的方式，排空水域進行水下焊接。

4 未來維修技術發展趨勢

因燃料水池高輻射環境的特殊性，其內部還安裝有存放乏燃料組件的格架，當出現缺陷需要修復時，一方面會面臨高輻射人員難以達到的情況，另一方面水難以排空，且隨著服役周期的增加，燃料棒組件[6]的挪移也越來越困難。因此，國內外對乏燃料水池維修的研究，尤其是焊接修復專機系統的開發，越來越向小型化、遠程化、自動化方向發展。

其未來的技術研究主要會集中在以下4 個方面：

（1）缺陷的精確定位及測量。

（2）缺陷施焊區域的表面處理及碎屑收集。

（3）水下干式環境建立的設備開發。

（4）小型遠程控制焊接維修專機的開發。

其作業流程如圖3 所示。

圖3 乏燃料水池焊接修復流程

5 結束語

當前，國內核電產業高速發展，不斷有新機組投入建設和運行，乏燃料水池的安全運行是電站安全運行的保障。越來越多的乏燃料水池，面臨著缺陷修復的需求，因此，乏燃料水池水下焊接維修技術的開發及應用，一方面能促進國內核電維修技術的發展，另一方面可以提高核電的安全運行。