核電廠壓力容器退役方法研究

卞向南， 黃祥明， 張潁， 于瀟

（上海核工程研究設計院有限公司，上海200233）

0 引言

20世紀發(fā)現(xiàn)核裂變后，核能技術飛速發(fā)展。特別是核能發(fā)電技術得到了廣泛應用。一些發(fā)達國家的核能發(fā)電量占總發(fā)電量的50%以上。隨著部分核電廠運行壽命到期，陸續(xù)退役，國外已有核設施的退役經(jīng)驗。我國核能發(fā)電起步較晚，所有商業(yè)性核電廠尚處于快速建設或平穩(wěn)運行期，但是需要對其進行退役工作的前瞻性研究，做好退役技術儲備，以盡可能提高核電廠退役活動的安全性、經(jīng)濟性。作為反應堆的主設備，壓力容器的退役是退役活動的研究重點和關鍵點。本文以三代非能動核電堆型“國和一號”的反應堆壓力容器為例，對其退役方案進行研究和探討。

1 壓力容器概況

反應堆壓力容器是包裹燃料組件和一回路的封閉容器，用于安放反應堆堆芯、堆內(nèi)構件等，以及密封高溫、高壓的一回路冷卻劑。由于長期接觸燃料組件等放射性物質(zhì)，長時間在強輻射環(huán)境下運行，其內(nèi)部易活化元素經(jīng)過活化，具有強烈的放射性，對工具設備的選擇、操作人員的屏蔽防護提出了較高的要求。

“國和一號”反應堆壓力容器（以下簡稱“壓力容器”）外形如圖1所示。其外徑約為4.9 m，總高度約為12.6 m。總質(zhì)量接近440 t，體型巨大。

2 退役策略

現(xiàn)有的拆除、分割技術眾多，核設施退役拆解的退役方案的選擇應遵循以下因素：1）安全性；2）經(jīng)濟性；3）可實現(xiàn)性[1]。可在保證安全的前提下，選用較為經(jīng)濟且高效的技術進行高輻射劑量設備的拆解工作，盡可能減少放射性的二次交叉污染，降低放射性廢物的量。

壓力容器體型大，質(zhì)量重，普通的樓板無法承受其自重荷載，難以通過核島廠房內(nèi)的運輸路徑進行運輸。核電廠修建之時，壓力容器等大型主設備利用反應堆廠房未封頂?shù)臅r機，從外部經(jīng)廠房上部空間直接吊入并固定安裝。退役時因須密封環(huán)境以防止污染物擴散，不考慮在廠房內(nèi)所有設備退役完成前拆解廠房頂蓋，故排除壓力容器整體吊裝外移進行貯存的方案，利用廠房內(nèi)部空間對壓力容器進行解體，將小型的切割碎塊進行屏蔽處理并轉(zhuǎn)運為較優(yōu)方式。

對壓力容器進行切割解體時，無論采取冷切割或熱切割均會產(chǎn)生含有放射性物質(zhì)的顆粒或氣溶膠。利用反應堆廠房內(nèi)的換料水池對壓力容器進行水下切割，既縮短了壓力容器的轉(zhuǎn)運路程，又可以利用水的屏蔽特性以屏蔽放射性物質(zhì)對工作人員的高劑量輻射，同時避免了放射性氣溶膠的外逸等，為較佳的可行切割方案。

圖1 “國和一號”壓力容器示意圖

3 解體技術

可用于金屬材料水下切割的冷切割技術有動力沖剪、機械鋸切割、研磨切割等；熱切割技術有等離子弧切割、電弧鋸切割、電火花切割、激光切割等。國外退役的核電廠常用的切割技術有機械切割、等離子切割、高壓射流切割等。例如Shoreham電站采用機械切割與等離子切割混合切割技術進行壓力容器退役[2]；Maine yankee電站則采用的是高壓射流切割解體方案。圖2為國外核電廠對壓力容器自外而內(nèi)進行退役切割的工作場景。

如圖3所示，法國的PROTEM公司針對某一快中子堆開發(fā)了一款深入容器內(nèi)部自內(nèi)而外的切割裝置，為退役切割提供了另一種切割途徑思路。

圖2 機械切割與高壓射流切割的應用

圖3 PROTEM公司切割產(chǎn)品方案

不同的切割方式有迥異的優(yōu)缺點（例如切割速度、二次廢物產(chǎn)生量、人員劑量水平等），應根據(jù)具體的應用需求進行合理的選擇，以達到各方面的平衡。與廢物處理和人員防護成本相比，工具的投資成本微乎其微，成本不應成為選擇工具的主要考慮因素。工具保養(yǎng)、維護和去污的難易程度才是選擇切割工具與方法的重要因素。

4 工藝方案

“國和一號” 反應堆壓力容器布置在反應堆廠房中心，整個壓力容器位于換料水池中。退役作業(yè)開始前，先對廠房內(nèi)的區(qū)域進行清理、整備。如圖4所示，將操作區(qū)域劃分為干式操作區(qū)、濕式操作區(qū)和控制區(qū)。以換料水池為濕式操作區(qū)，用于壓力容器水下切割解體；切割低放和放置設備、工具更換、維護為主的區(qū)域為干式操作區(qū)。控制區(qū)為整個放射性環(huán)境中嚴格監(jiān)控和進行人員進出管控的區(qū)域。工作人員對切割過程的監(jiān)控和切割設備的遠程控制均在控制區(qū)進行。控制區(qū)邊界處設置屏蔽擋板以屏蔽和降低輻射對人體和電子設備的影響。退役現(xiàn)場的通風流向應從控制區(qū)流至操作區(qū)，防止空氣的交叉污染。

壓力容器頂蓋體積相對較小，且為低放廢物，可將頂蓋移至干式操作區(qū)進行切割。干式切割為工作站形式，工作站由屏蔽墻分為前切割和后切割兩個區(qū)域，可通過輸送裝置相連，配置低壓控制系統(tǒng)。前切割進行環(huán)向切割，然后運輸至后切割區(qū)域進行垂直向切割，最終分解為小塊零件。分解過程可采用鋸切等機械切割形式以減少氣溶膠（另配置相關的空濾系統(tǒng)）的產(chǎn)生，切割完畢后直接包裝放進貯存箱。

壓力容器位于反應堆堆腔內(nèi)，下部懸空，由4個進口管嘴下的分別獨立的箱體結(jié)構對其進行支承。4個支承沿著屏蔽墻按90°均布。移除壓力容器時，利用廠房頂部的環(huán)形吊車通過繩具承載設備質(zhì)量，方可切割各個連接管嘴。如圖5所示，待管嘴切割后將壓力容器從堆腔吊至布置在換料水池內(nèi)的壓力容器支座上。

壓力容器就位并安裝切割設備后，提升換料水池內(nèi)的水面高度，將壓力容器淹沒，對其進行水下切割，如圖6所示。

圖4 反應堆廠房操作區(qū)域劃分

圖5 壓力容器吊運位置示意

圖6 壓力容器就位及切割示意

如圖7所示，壓力容器的切割路徑遵循分層分段的原則，將壓力容器本體分為13層，每層均勻分段，從上往下逐步切割。壓力容器支座亦采用分段設計，當壓力容器切割至一定高度時，利用遠程工具對支座相應的分段進行拆卸，直至壓力容器的低封頭切割完畢。

壓力容器支座側(cè)方放置有方便排水的網(wǎng)式吊籃，切割后產(chǎn)生的切割塊放置在吊籃中，依靠水池對其進行屏蔽暫存，如圖8所示。待壓力容器切割完畢后，將水底的吊籃移出水面，放入屏蔽貯存箱中，最終轉(zhuǎn)運至放射性廢物處置場。

圖7 壓力容器切割路徑

圖8 切割塊裝載模型

5 結(jié)語

核電廠的退役是一個系統(tǒng)性工程[3]，高放射性的反應堆主設備的退役工作是整個過程中的重中之重。且退役工程的工作量大、技術要求高、時間跨度長，國外部分核電廠的退役過程可持續(xù)10 a以上。我國尚無退役經(jīng)驗，應對各個不同堆型退役進行未雨綢繆的針對性規(guī)劃，積極儲備退役相關技術，提前開建放射性廢物貯存場，為后續(xù)的核電廠退役工作打下堅實的基礎。同時對退役技術的研究亦可反哺新堆型的設計工作，為其提供一定的參考。

本文就“國和一號”系列堆型的壓力容器的退役工作進行了探討，對拆解技術和工藝流程進行了初步的梳理和設定。同時通過對國外壓力容器等主設備的退役過程研究，可為我國核電廠日后的退役技術研發(fā)提供較有價值的借鑒。相關技術也可以推廣到其他的堆型。