超聲波燃料清洗在核電廠降低集體劑量中的應用

關鍵詞：超聲波燃料清洗;輻射防護;集體劑量;應用實踐;收益;風險;代價;建議

中圖分類號：TL944 文獻標志碼：A

核電廠燃料棒包殼外表面會不可避免地沉積腐蝕產物，當沉積量達到一定程度后，可能引致燃料組件的軸向功率偏移異常（AOA）;腐蝕產物經堆芯活化、脫落、遷移，又將影響一回路系統設備的輻射水平，是輻射源項的來源之一。在行業內，有的核電廠對再入堆的燃料組件實施超聲波燃料清洗（UFC），去除沉積在燃料棒包殼外表面的腐蝕產物，可緩解或消除燃料組件AOA，以及降低一回路系統設備的輻射水平，具有成熟、無損、收益顯著等優點。1999年， 美國壓水堆核電廠Callaway 出于消除AOA的目的，在全球對再入堆的多個燃料組件實施了UFC，在后續的運行循環中，逐步消除了AOA 現象，同時觀察到一回路系統設備的輻射水平也有下降，與之相應的工作人員集體劑量也得到顯著的降低。

在Callaway核電廠實施UFC 并取得良好收益后，出于消除AOA 和/ 或降低集體劑量的目的，UFC 先在美國多家核電廠廣泛應用，后來在西班牙、瑞典、韓國、法國4 個國家的核電廠也得到了推廣。本文介紹了UFC 的工作原理，整理了在行業的應用實踐和降低集體劑量的收益，提示了實施UFC 需考量的風險和代價，提出了應用建議。

1UFC 的工作原理

UFC 系統包括一套布置在乏燃料水池上方的控制臺、安裝在乏燃料水池水下的一個清洗腔室和一套收集過濾裝置：包括潛水泵和水下過濾器。清洗腔室由匹配燃料組件尺寸的矩形通道、環繞在周圍的超聲換能器矩陣、外部反射通道組成。燃料抓具抓取燃料組件插入清洗腔室的過程中，超聲波能量反射和聚焦到燃料組件，使得燃料包殼外表面的腐蝕產物脫落。與此同時，潛水泵提供動力，形成從清洗腔室上方進水、流經燃料組件、腔室底部的單向水流，將脫落的腐蝕產物從腔室中帶走，最后由潛水泵下游的水下過濾器捕獲，防止腐蝕產物轉移并污染乏燃料水池。UFC 系統如圖1 所示。清洗結束后，燃料抓具將燃料組件吊回儲存格架或重新裝入反應堆。

控制臺、清洗腔室和潛水泵可移動，可在多個廠房或核電廠之間運輸、安裝和使用。水下過濾器一般固定安裝在乏燃料水池內，可多次使用，使用后當濾芯衰變到一定程度后，在水下更換、舊濾芯裝入鉛容器，最后吊出水池作為放射性廢物處理。

2行業應用與收益分析

2. 1行業應用

UFC 自1999 年在美國Callaway 核電廠應用，在2011 年進行了升級，清洗去污效能由原來的45%提升到85%。至2020 年，全球核電廠共有55臺機組、實施了253 次UFC，絕大多數是在壓水堆核電廠實施。在全球的壓水堆核電廠，共有美國、西班牙、瑞典、韓國、法國五個國家的45 臺機組實施了238 次UFC;以機組數統計，美國約占67%;以實施次數統計，美國約占74%。全球壓水堆核電廠的應用統計如圖2 所示（數據來自DominionEngineering，Inc. 內部資料）。

2. 2收益分析

選取實施了UFC、有大量樣本的壓水堆核電廠，從降低輻射水平或集體劑量角度來分析實施UFC 的收益，不包含緩解或消除AOA 對核電廠安全運行的收益。

2. 2. 1Callaway電廠的具體收益

美國Callaway 核電廠在第9 個運行循環發生的軸向功率偏移異常（AOA）接近17%，被美國核管理委員會（NRC）強制降低運行功率至50%。在第10 個運行循環AOA 幾乎達到技術規范限值。為了消除AOA，在1999 年的第10 輪換料大修對再入堆的16 組燃料組件試點實施UFC;在第11個運行循環，清洗過的16 組燃料組件沒有發現AOA 現象;在第11、12 輪換料大修分別對再入堆的96、97 組燃料組件實施UFC，對應的第12、13個運行循環沒有發現AOA 現象，輻射水平和集體劑量出現了顯著的下降[1] 。

蒸發器一次側水室的劑量率是核電廠評價一回路輻射水平的重要指標之一。圖3 是Callaway核電廠蒸發器一次側水室在第9 至12 輪換料大修的平均劑量率[1] ，由蒸發器一次側水室U 型管管板中點、熱端中點、冷端中點、熱端和冷端隔板、熱端底部、冷端底部的多個測點的劑量率取平均值得到。AOA 在第10 個運行循環惡化，運行循環結束開始第10 輪換料大修，大量增加的腐蝕產物大幅提高了蒸發器一次側的平均劑量率;在第10、11 輪換料大修實施UFC 后，第12 輪大修蒸發器的平均劑量率比第10 輪換料大修下降約43%。

選取每輪大修工作內容相同、人工時相當、具有可比性的兩項維修專項工作的集體劑量作對比。專項工作一是蒸發器一次側裝、拆堵板，集體劑量在第12 輪大修較第10 輪大修下降了約49%，如圖4 所示[1] ;專項工作二是反應堆開、關大蓋，集體劑量在第12 輪大修較第10 輪大修下降了約51%，如圖5所示[1] 。

選取實施UFC 前后的4 輪次換料大修的集體劑量，實施UFC后大修的集體劑量有明顯下降。第10～12 輪大修相繼實施UFC，清洗再入堆的燃料組件分別為16 組、96 組、97 組，在第11、12輪大修人工時高于第9 輪大修的情況下，集體劑量與第9 輪大修相比，第11 輪大修下降約46%，第12輪大修下降約51%，如圖6 所示[1] 。

在第10、13輪大修和運行循環期間，陸續實施UFC、調高一回路pH 值、注鋅三項重大源項措施（ 信息來自Dominion Engineering， Inc. 內部資料），集體劑量/ 人工時的歸一值如圖7 所示[2] ，可以看出：

（1） 第9 輪大修歸一值為22.9 μSv/ （人·小時）;第10輪大修上升至30. 9 μSv/ （人·小時），并首次實施UFC。

（2）第10 輪大修后的第11 運行循環，開始調高一回路pH 值，有利于減少腐蝕產物的產生量，但不能減少已有活化腐蝕產物的存量，需要多個循環才能呈現效果。

（3） 第11、12輪大修輻射水平下降使得集體劑量明顯降低，第11、12 輪大修歸一值較第9 輪大修下降約53%，較第10 輪大修下降約65%，Callaway 核電廠認為輻射水平的下降更多歸因于UFC，估計UFC 帶來的劑量率下降達50%[3] 。

（4）第12輪大修后的第13運行循環，開始注鋅并在往后的運行循環持續。

（5） 第13輪大修， 歸一值繼續下降至8. 9μSv/ （人·小時），應該是UFC、調高一回路pH 值、注鋅的共同作用所致，基于技術上的限制，未能具體量化這些措施的各自收益[4] 。

由于UFC對消除AOA和降低集體劑量有明顯的效果，Callawa"核電廠在后續的換料大修中多次實施，結合調高一回路pH 值、注鋅等有利于降低源項的措施（ 信息來自Dominion Engineering，Inc. 內部資料），總體上使得大修集體劑量在顯著下降后保持在較低區間，如圖8所示[2] 。

（1）第13輪大修為更換蒸汽發生器開展了大量的準備工作，第14輪大修更換了4臺蒸汽發生器，兩輪大修的集體劑量有明顯上升[4] 。

（2）經過10 輪次大修實施UFC，結合9 個運行循環注鋅和11 個運行循環調高一回路pH 值，污垢減少使腐蝕產物穩定在一定程度，Callaway 核電廠認為集體劑量、AOA 風險的降幅可以接受，決定從第21 輪大修開始暫停實施UFC;如果未來AOA 風險增加，或堆芯功率升高、切換到24個月換料周期會導致燃料組件的污垢增加，需要再次實施UFC。

2. 2. 2行業代表性核電廠的大體收益

雖然各個核電廠實施UFC 的動機各有不同（消除AOA 和/ 或降低集體劑量），但UFC 在行業內仍得到了廣泛的應用。為了從大體上判斷UFC對于降低集體劑量的收益，通過選取有代表性機組的年度集體劑量數據做進一步分析。結合注鋅情況（注或不注，先注或后注），將全球實施UFC的45 臺壓水堆機組分為4 類：（1）先實施UFC、后注鋅;（2） 僅實施UFC、不注鋅;（3） 先注鋅、后實施UFC;（4）同一年實施UFC 和注鋅。這4 類統計結果如圖9 所示（ 數據來自DominionEngineering，Inc. 內部資料），第（1）類最多，第（2）類次之。

由于第（4）類的樣本較少，分析降低集體劑量收益的價值較低，故在第（1） ～ （3） 類中選擇樣本較多的機組來做大體的收益分析。每一類機組樣本的選取規則：UFC 實施3 次或以上的機組，以覆蓋所有再入堆的燃料組件;在這些機組中，取實施UFC 次數的前4 名。計算集體劑量收益的規則：以首次實施UFC年份為分界線，取1995年至實施UFC 前一年的集體劑量單機年均值，與實施UFC當年至2020 年的集體劑量單機年均值，兩者對比。統計數據列于表1 ～ 表3[1，5] ，第（1） ～ （3） 類樣本在UFC 前后的集體劑量單機年均值降幅結果較接近，在44% ～ 51%之間。值得注意的是，僅實施UFC、不注鋅的樣本降幅也有44%，可以從側面證明UFC的貢獻。

3風險與代價

集體劑量是世界核電運營者協會（WANO）的核電廠性能指標之一，持續降低集體劑量也是核電廠運營方遵循輻射防護最優化原則的重要體現。從實踐和數據上看，實施UFC 可顯著地降低集體劑量，但也需要運營方考量實施UFC 的風險和代價。風險主要是燃料組件相關的安全風險和操作人員相關的輻射防護風險，代價主要包括對換料大修工期（ 關鍵路徑） 的影響和直接經濟成本。

3. 1風險

與燃料組件相關的安全風險。應用超聲波能量去除燃料包殼外表面腐蝕產物的同時，也會在燃料棒包殼內引起低頻振動，可能會帶來潛在的燃料和包殼完整性的負面影響，包括：包殼疲勞失效;燃料芯塊開裂和粉碎;燃料芯塊的不規則移動增加了芯塊- 包殼相互作用失效的可能性。在Callaway 核電廠的試點實施前，基于完整的17×17陣列模擬燃料組件的試驗觀察和工程分析，認為UFC 帶來的負面影響預計在燃料供應商的設計限制范圍內[5] ;試點清洗的16 組再入堆燃料組件經過一個運行循環后，未發現任何燃料和包殼完整性的負面影響[5] 。后續UFC 在全球推廣應用后（55 臺機組、253 次、超過400萬根燃料棒），未有燃料和包殼完整性的負面案例報告，安全風險可接受。

與操作人員相關的輻射防護風險。實施UFC的工作場所是在燃料廠房，操作人員在乏燃料水池上方操作控制臺，由于水層的生物屏蔽，水池上方的場所劑量率一般不會超過20 μSv/ h，相對于正常的換料操作（換料操作工作時間比UFC 要長得多），UFC 操作人員受照劑量遠低于換料操作人員。安裝在乏燃料水池水下的收集過濾裝置捕獲從燃料組件脫落的活化腐蝕產物， 據美國Callaway、South Texas Project、Vogtle 核電廠的經驗數據，水下過濾器的最大接觸劑量率分別為1 330mSv/ h、1500 mSv/ h、400 mSv/ h[6] ，這是主要的外照射風險來源。由于收集過濾裝置的整個運行過程一直在水下，水層的生物屏蔽可消除對池上操作人員的影響;水下過濾器為金屬材質，可連續使用10個運行循環，當需要更換時，利用衰變特性（主要核素是半衰期70.9d 的Co-58 和5. 3a的Co-60），在水池內暫存直至劑量率降到可接受水平，再吊入鉛容器在水下裝載該濾芯，最后連同鉛容器一并吊出作為放射性廢物處理。無論是操作UFC還是更換水下過濾器，操作人員的外照射風險可控。

3. 2代價

3. 2.1對換料大修工期（關鍵路徑）的影響

停堆后的氧化凈化是大多數核電廠的通用做法，其基本原理相同，目的一致：降低主系統總的放射性、減少再入堆燃料組件的腐蝕產物存量避免影響后續的運行循環。氧化凈化需要反應堆冷卻劑泵（ 主泵） 的運行，占用換料大修關鍵路徑10～30 小時不等，盡可能短的關鍵路徑和盡可能長的凈化時間成為一對矛盾決策。

（1）當前停堆策略下可能增加數小時關鍵路徑

核電廠在每個運行循環后的換料大修，通常是更換三分之一的新燃料，三分之二的燃料再入堆。以壓水堆M310 和CPR1000 機組為例，共有157組燃料，實施UFC 的對象是再入堆的105 組，UFC 的單組凈清洗時間約2分鐘，合計約210 分鐘（約3.5小時）。在實施時，當前常用的流程有兩種：（1）停堆→氧化凈化→燃料從堆芯卸出→進入乏燃料池→在乏燃料池暫存→再入堆前實施UFC→裝入堆芯，或者（2）停堆→氧化凈化→燃料從堆芯卸出→進入乏燃料池→在乏燃料池實施UFC→不暫存裝入堆芯。無論是哪一種流程，凈清洗時間約3.5小時，如在十年大修或標準年度大修，有較充分的時間窗口可以利用，不會占用大修關鍵路徑;如在短大修，可能會用大修關鍵路徑數小時。即如采用“氧化-凈化-停主泵-UFC”停堆策略，在短大修可能會增加數小時關鍵路徑。

（2）改進停堆策略可節省關鍵路徑且可減少腐蝕產物沉積

近些年來，美國的部分核電廠將實施UFC與常規的停堆氧化有機結合，停堆策略改進為“停主泵-氧化不凈化-UFC”。兩種停堆策略的對比如圖10 所示。

在“氧化-凈化-停主泵-UFC”策略中，氧化凈化的通用操作沒有變化，但存在兩個不利因素：（1）凈化本身占用關鍵路徑;（2）由于化容系統的凈化流量遠低于主泵流量，凈化時間受限于關鍵路徑，使得從燃料組件脫落并遷移到堆芯外的腐蝕產物只能部分被凈化，部分在系統設備中沉積，后續在乏燃料池實施的UFC并不能去除這些已沉積的腐蝕產物，導致本次大修一回路輻射水平上升（人員受照劑量增加）和顆粒污染物增加（污染風險增加，特別是高活度離散粒子粘污體表后將導致較高的皮膚劑量）。

改進為“停主泵-氧化不凈化-UFC” 策略后，主泵更早地停運，帶來兩個好處：（1）不凈化可減少關鍵路徑;（2）腐蝕產物絕大部分保留在堆芯內可減少釋放以及向堆芯外遷移、沉積，避免本次大修一回路輻射水平上升和顆粒污染物增加。在卸料后，對再入堆的燃料組件在乏燃料水池實施UFC，去除燃料組件的腐蝕產物，以避免入堆后轉移到后續的運行循環。該策略實現了既節省換料大修關鍵路徑又降低集體劑量的雙贏目標。

以國內成熟的6 臺M310 和CPR1000機組換料大修為例，如實施UFC 并且將“氧化-凈化-停主泵-UFC” 策略改進為“停主泵-氧化不凈化-UFC”策略，保守估算可節省11. 25 小時，兩種策略下的大修關鍵路徑對比如圖11 所示。估算方法：在過去的18 輪大修的凈化時間平均為26. 75 小時，這是主關鍵路徑，包含了低壓貫穿件試驗的次關鍵路徑12 小時;改為“ 停主泵-氧化不凈化-UFC”后，低壓貫穿件試驗成為關鍵路徑，此時節省凈化時間26.75-12= 14. 75 小時;在乏燃料水池對再入堆的燃料組件實施UFC，保守估計會額外增加關鍵路徑3. 5小時（只在少數的短大修增加），那么總的關鍵路徑可節省14.75-3.5 =11.25小時。如在10年大修或年度大修，UFC 基本不占用關鍵路徑，可節省的時間還能再增加3. 5小時。

美國杜克公司旗下的McGuire、Catawba 和Oconee核電廠使用了“ 停主泵- 氧化不凈化-UFC”策略，有效地減少了停堆釋放和向堆芯外遷移、沉積，并節省了大修工期。以McGuire 核電廠1、2號機為例，一回路冷卻劑中Co-58峰值的降幅列于表4[7] 。

由此可見，如采用“氧化-凈化-停主泵-UFC”策略，在少數的短大修需增加數小時關鍵路徑來實施UFC，以降低集體劑量;如采用“停主泵-氧化不凈化-UFC”策略，既能節省換料大修關鍵路徑又可降低集體劑量。

3. 2. 2直接經濟成本

實施UFC的直接經濟成本包括：設備費用（約2000～3000萬元人民幣，一次性投資，如群廠共用其成本可攤分）、耗材費用（主要是水下過濾器，約200 萬元人民幣，可用10個循環）、操作人員的人工費用、放射性廢物處置費用（ 主要是更換下來的水下過濾器）。具體經濟成本需根據不同國家和不同核電運營單位的實際情況來測算。

還需要考慮對發電量的影響。同樣以國內成熟的M310 和CPR1000機組為例（大亞灣1、2 號機，嶺澳1、2 號機，嶺東1、2號機，共6臺），按2022年單機平均每小時上網電量97. 13 萬千瓦時[11] 、平均計劃電價0. 411 7 元/ 千瓦時（含稅）[8]計算，則每小時的售電收入約為40 萬元。如采用“氧化-凈化-停主泵-UFC”策略，假設少數的短大修需增加3. 5小時關鍵路徑，則需要減少售電收入40萬元/ 小時× 3. 5小時= 140萬元來實施UFC;如采用“停主泵-氧化不凈化-UFC”策略，因節省大修關鍵路徑從而可額外增加售電收入40萬元/ 小時×1125小時= 450萬元。

4建議

4. 1美國電力研究協會的建議

UFC在美國的核電廠多次應用后，美國電力研究協會（EPRI）對此技術提出了以下建議[1] ：

（1）經歷AOA 的核電廠應考慮對再入堆的燃料組件實施UFC，以緩解或消除AOA。

（2）注鋅也是降低一回路輻射水平的措施，但注鋅會增加第1 個或第2 個運行循環的腐蝕產物，疊加再入堆燃料組件的腐蝕產物存量，將共同增加AOA 的風險。因此，注鋅的核電廠應考慮在開始注鋅的運行循環之前實施UFC，一是降低AOA 風險，二是與UFC 協同、使降低輻射水平的效果更加顯著。

（3）一回路輻射水平較高的核電廠應考慮將UFC 作為減少人員受照劑量解決方案的一部分。行業經驗表明，UFC 能有效地從源頭處去除堆芯腐蝕產物，從而顯著降低集體劑量。

4. 2對國內核電行業的建議

國內核電自1994 年第一臺機組商運開始，至2022年共有51臺機組投入商運（含49臺壓水堆、2臺重水堆）。1995—2022年51臺商運機組集體劑量單機平均值為403人·mSv（數據來自WANO;按照WANO規則，商運未滿一年機組的集體劑量不統計），統計如圖12所示。對于早期商運或運行過程中源項水平異常的機組，集體劑量的絕對值會明顯高于所有機組平均值，如嶺澳1 號機、大亞灣1、2號機等。

對于集體劑量較高的機組，建議實施UFC。以處在最高位的嶺澳1號機為例，它屬于M310堆型改進的CPR1000堆型，于2002年商運，如應用UFC，假設在第N 輪次大修開始實施、連續實施N+3輪次大修（每次清洗三分之一再入堆組件，3次可覆蓋所有再入堆組件）、第N+4 運行循環和大修的集體劑量下降約304. 4人·mSv（按40%收益估算，該機組單機年平均值761×40% = 304. 4 人·mSv）。如實施UFC，清洗腔室和收集過濾裝置安裝在乏燃料水池的側邊及底部（沿池壁至池底），控制臺安裝在池邊地面，使用時這些設備不需要移動，平面布置如圖13 所示。

大致的實施方案可分為兩個階段。第一階段采取“氧化-凈化-停主泵-UFC”策略，積累實踐經驗，驗證清洗效果，其操作流程可參考圖14;第一階段實施3 輪次或更多輪次的大修，如清洗效果符合預期，策略改為“停主泵-氧化不凈化-UFC”，即取消圖14中的凈化操作、其他操作不變。

總的來說，UFC從1999年應用至今已超過20年，技術是成熟的;在全球的55臺核電機組實施了253次，未有燃料和包殼完整性的負面案例報告，燃料組件的安全風險可接受、可控;從國外具體實施的核電廠或行業代表性核電廠的實踐數據看，集體劑量的降幅約40%。對于我國的核電廠運營方，經考量后如認為利益大于代價，建議實施UFC 來降低集體劑量，以改善核電廠的WANO性能指標。