乏燃料干法貯存容器內(nèi)腔氣體雜質(zhì)含量分析

盧可可，李馨楠，張白茹

（中國核電工程有限公司, 北京 100840）

0 引言

輕水堆核電站的乏燃料組件從反應(yīng)堆中卸料后貯存在燃料貯存水池中進行冷卻。燃料貯存水池一般只能滿足電站運行壽期內(nèi)一定年限的濕法貯存需求，在水池滿容之前，需把乏燃料從水池中運輸至指定地點進行離堆貯存、后處理或者處置，從而保證核電站的正常運行。離堆貯存主要有濕法貯存和干法貯存兩種方式，濕法貯存是把乏燃料貯存在水池中，干法貯存是把乏燃料干式貯存在容器中。干法貯存具有非能動的余熱排出系統(tǒng)及靈活性強等優(yōu)點[1]。對于干法貯存，一般采用水下裝料方式裝載乏燃料，水下裝料后排出容器中的水，并通過抽真空干燥法或者熱氣循環(huán)干燥法排出殘留水分[2]。美國核廢物管理分析中心對抽真空干燥法殘留水分含量及影響因素進行了研究[3]。在乏燃料干法貯存容器中通常采用充入氦氣的方式，使乏燃料包殼在長周期貯存過程中保持在惰性氣體環(huán)境中。容器中殘留的水分和氧化性氣體可能會導(dǎo)致包殼的腐蝕、氧化等[4]，因此容器內(nèi)腔需保證足夠的干燥，并控制氧化性氣體的含量。

為防止乏燃料組件在長期貯存過程中燃料包殼因氧化性氣體而發(fā)生性能降解，美國核管理委員會在乏燃料干法貯存系統(tǒng)和設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)審查大綱中規(guī)定，干法貯存容器中的氧化性氣體（O2、CO2、CO等）的最大含量建議控制在1 mol以內(nèi)[5]。為有效控制氧化性氣體的含量，需要研究容器裝料過程各操作環(huán)節(jié)引入的氣體雜質(zhì)含量，以及長期貯存過程中容器內(nèi)氣體含量的變化情況。本文研究了干法貯存容器內(nèi)腔氣體雜質(zhì)含量，通過各操作環(huán)節(jié)指標(biāo)參數(shù)，可以判斷出容器內(nèi)腔氧化性氣體含量是否滿足設(shè)計要求。

1 參數(shù)假設(shè)條件

國際上已經(jīng)投入使用的乏燃料干法貯存容器有多種型號，其裝載量、容器內(nèi)氣體體積、初始充氣壓力不盡相同。主要采用金屬干法貯存容器和混凝土干法貯存容器兩種類型的容器進行貯存。其中，金屬干法貯存容器主要采用不銹鋼、碳鋼或球墨鑄鐵等金屬材料制成，在容器蓋上設(shè)置金屬密封圈進行密封。混凝土干法貯存容器由外側(cè)的混凝土容器和內(nèi)部的金屬密封罐組成。金屬密封罐為密封焊接的金屬罐體，外部的混凝土容器為密封罐提供散熱通道、屏蔽、防護外界自然災(zāi)害等功能。

國內(nèi)研制了CNSC-HS、CNSC-HV和CNSC-24等型號的乏燃料干法貯存密封罐和金屬容器。這些密封罐或容器的內(nèi)腔參數(shù)如表1所示。

表1 容器內(nèi)氣體體積及初始壓力參數(shù)

2 容器內(nèi)腔氣體雜質(zhì)含量分析

2.1 容器裝料后的操作流程

乏燃料干法貯存容器在裝載井進行水下裝料后，吊運至去污區(qū)域，一般采用壓縮氮氣或者氦氣進行排水，然后對容器內(nèi)腔抽真空干燥。達(dá)到真空度指標(biāo)后，切斷真空泵的連接，保壓一定時間，通過容器內(nèi)腔壓力升高情況判斷容器內(nèi)腔是否有殘留水分。保壓試驗合格后向容器內(nèi)腔充入氦氣等保護性氣體。上述操作和檢驗完成后，把容器運至干法貯存設(shè)施進行長期貯存。操作流程如圖1所示。

圖1 容器裝料后的主要操作流程

2.2 容器內(nèi)腔氣體雜質(zhì)來源分析

容器中的雜質(zhì)氣體主要來自于如下3個方面：1）抽真空干燥后容器內(nèi)腔殘留的氣體；2）充氦后氦氣中的雜質(zhì)氣體；3）乏燃料組件表面和容器內(nèi)的結(jié)構(gòu)表面通過解吸和放氣形式向內(nèi)腔釋放的氣體。

2.2.1 排水和抽真空干燥

容器內(nèi)腔水下裝料后，需要通過抽真空干燥等形式排出容器中殘留的水分。容器抽真空指標(biāo)一般為300 Pa（絕壓）。取容器內(nèi)腔壓力為300 Pa、溫度為298 K進行預(yù)估，容器內(nèi)抽真空干燥后內(nèi)腔的殘留氣體含量為0.848 mol。這些氣體主要為排水所用的氣體（氦氣或氮氣等）、殘留液態(tài)水分因壓力減小蒸發(fā)產(chǎn)生的水蒸氣、吊籃中的鋁基材料在高溫下與水反應(yīng)產(chǎn)生的微量氫氣等。容器在抽真空過程中，有時為加速抽真空過程，或者防止容器排水管路結(jié)冰，會在抽真空干燥過程中向容器內(nèi)腔中多次充入氦氣。因此，容器內(nèi)腔抽真空后殘留的雜質(zhì)氣體少于0.848 mol。

2.2.2 氦氣中的雜質(zhì)氣體

干法貯存容器采用氦氣作為貯存氣體，氦氣本身是惰性氣體，化學(xué)穩(wěn)定性好，與容器結(jié)構(gòu)材料相容性好，不存在濕法貯存中的各種腐蝕問題。但由于充氣管路、氦氣純度等問題，充氦過程中不可避免地會導(dǎo)致容器內(nèi)腔充入各種雜質(zhì)。氦氣中的雜質(zhì)一般有氫氣、氖氣、氬氣、氧氣、氮氣、一氧化碳、二氧化碳和水分等[6]。根據(jù)GB/T 4844-2011的規(guī)定，純氦的氦氣純度≥99.9%，高純氦的氦氣純度≥99.999%，超純氦的氦氣純度≥99.9999%[7]。假設(shè)充入的為純氦級的氦氣，考慮抽真空干燥后殘留氣體的影響，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，充入的氦氣（含雜質(zhì)）總量為422.930 mol，其中氦氣中雜質(zhì)氣體總量為0.042 mol，氦氣為422.888 mol。 因氦氣中氧化性氣體僅為雜質(zhì)氣體的一部分，容器內(nèi)腔中因充氦引入的氧化性氣體的含量小于0.042 mol。

2.2.3 乏燃料組件和容器結(jié)構(gòu)的解吸和放氣

干法貯存容器的筒體內(nèi)表面、吊籃等結(jié)構(gòu)件及乏燃料組件在裝料前吸附了微量氣體或揮發(fā)性液體，在抽真空干燥和貯存過程中，氣體從容器和乏燃料組件表面解吸和放氣，向容器內(nèi)腔的氦氣中釋放出微量雜質(zhì)氣體。

放氣受多種因素影響，如材料種類、表面質(zhì)量、總面積、溫度、時間、環(huán)境壓力等，其產(chǎn)生量很難準(zhǔn)確預(yù)估。由于容器內(nèi)腔結(jié)構(gòu)及乏燃料組件表面均為金屬材料，且表面光滑，不存在小孔隙、微裂縫，零部件本身吸附的微量氣體很少。在容器抽真空干燥過程中，由于容器內(nèi)腔為接近真空狀態(tài)，負(fù)壓和乏燃料組件的衰變熱會加速氣體的釋放，大部分因解吸和放氣產(chǎn)生的雜質(zhì)氣體發(fā)生在抽真空干燥過程中，且釋放出的氣體被真空泵抽走。因此，在貯存期間因零部件表面解吸和放氣產(chǎn)生的雜質(zhì)氣體含量可忽略。

2.3 氣體的泄漏分析

氣體的泄漏包括貯存廠址大氣環(huán)境中的空氣向容器內(nèi)的泄漏，以及容器內(nèi)的氣體向大氣中泄漏兩種情況。乏燃料組件衰變熱的影響，容器內(nèi)腔壓力一般會高于外界大氣壓力，即容器正常工作狀態(tài)下內(nèi)部壓力為正壓，可忽略空氣向容器內(nèi)泄漏的影響。對于混凝土貯存容器，外部的混凝土容器無包容功能，內(nèi)部的密封罐為密封焊接的金屬結(jié)構(gòu)，在制造和裝料后均需進行密封性檢驗，空氣和氦氣很難滲透金屬材料，很容易實現(xiàn)內(nèi)部氦氣不泄漏準(zhǔn)則（1×10-8Pa·m3/s SLR）。對于金屬干法貯存容器，容器筒體為金屬結(jié)構(gòu)或者金屬焊接結(jié)構(gòu)，其發(fā)生泄漏的可能位置位于容器蓋的密封面及容器蓋上貫穿孔處的密封面處。容器蓋和貫穿孔蓋通常采用特制的C型金屬密封圈進行密封，也能實現(xiàn)不泄漏準(zhǔn)則的密封要求。容器的氦氣容量泄漏率設(shè)計值取2×10-7cm3/s，則貯存40 a泄漏的氣體量為2.523×10-4m3。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，可計算出貯存40 a容器內(nèi)泄漏的氣體量約為0.015 mol。在長期貯存過程中，因氣體泄漏導(dǎo)致的容器內(nèi)氣體含量的變化可忽略不計。

3 容器內(nèi)腔氣體含量分析

根據(jù)上文分析，容器內(nèi)腔中的氣體含量估算如表2所示。表2中列出了容器內(nèi)的氣體含量預(yù)估值，基本考慮了主要的可能因素。由表2可知，在裝料過程中，容器內(nèi)腔中雜質(zhì)氣體主要來自于容器抽真空干燥后的殘留氣體和充入氦氣中的雜質(zhì)氣體，其中抽真空干燥后的殘留氣體含量占絕大多數(shù)。為降低容器抽真空干燥后的雜質(zhì)氣體含量，一種方法是提高真空度，另一種方法是降低殘留氣體中的雜質(zhì)氣體含量。對于體積為7 m3左右的容器，提高真空度會延長抽真空時間，會引起容器內(nèi)腔靠近燃料組件附近出現(xiàn)局部過熱的風(fēng)險，或者排水管局部過冷導(dǎo)致結(jié)冰堵塞管路的風(fēng)險。為降低殘留氣體中雜質(zhì)氣體含量，可采用2次或2次以上充入氦氣的方法，即對容器內(nèi)腔充氦后再次抽真空并再次充入氦氣，以達(dá)到大幅度降低殘留氣體中的雜質(zhì)氣體含量的目的。容器在40 a貯存壽期內(nèi)，因包容邊界泄漏導(dǎo)致的容器內(nèi)腔氣體的泄漏量僅為容器內(nèi)腔氣體總量的0.004%，容器內(nèi)腔氣體含量不會因長期貯存明顯降低。不考慮泄漏量的影響，因抽真空干燥后殘留氣體和氦氣中雜質(zhì)氣體引起的容器內(nèi)腔雜質(zhì)氣體含量之和為0.890 mol。由于雜質(zhì)氣體中氧化性氣體僅為其中一部分，滿足美國核管理委員會在乏燃料干法貯存系統(tǒng)和設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)審查大綱中建議的氧化性氣體小于1 mol的要求。

表2 容器內(nèi)腔氣體含量估算值

4 結(jié)語

本文從容器裝料過程和長期貯存過程兩方面對乏燃料干法貯存容器內(nèi)腔氣體雜質(zhì)含量進行了分析。容器內(nèi)腔的雜質(zhì)氣體主要來自于裝料過程中容器抽真空干燥后的殘留氣體，裝料過程中氦氣的雜質(zhì)含量占比較小。抽真空干燥過程中，采用2次及以上充氦的方式，可進一步降低氧化性氣體的含量。

數(shù)十年長期貯存過程中容器內(nèi)腔氣體泄漏量可忽略不計。采用控制抽真空干燥后容器內(nèi)腔真空度指標(biāo)、充入氦氣的純度等方法，可以滿足容器內(nèi)腔氧化性氣體含量低于推薦限值的要求。目前國內(nèi)僅有少數(shù)電站采取了乏燃料干法貯存技術(shù)路線，且為起步階段。缺乏對容器內(nèi)腔雜質(zhì)氣體含量的實測數(shù)據(jù)，為進一步研究容器內(nèi)腔雜質(zhì)氣體成分，建議在裝料后抽取部分容器進行取樣分析，建立數(shù)據(jù)庫，以利于后續(xù)開展老化分析和管理。