VVER型機(jī)組乏燃料干式貯存工藝應(yīng)用研究

摘要：國(guó)際上VVER機(jī)組在運(yùn)行期間產(chǎn)生的乏燃料一般均采用濕式貯存方式進(jìn)行暫存，國(guó)內(nèi)某電站引進(jìn)實(shí)施了壓水堆機(jī)組乏燃料干式貯存工藝，并結(jié)合VVER機(jī)組特點(diǎn)對(duì)工藝流程和設(shè)計(jì)原則進(jìn)行了優(yōu)化，保障了乏燃料干法貯存工藝在VVER機(jī)組上的首次有效實(shí)施；電站最終通過(guò)實(shí)施乏燃料干式貯存，有效解決了機(jī)組產(chǎn)生的乏燃料貯存需要，保證了核電站的連續(xù)可靠運(yùn)行。

關(guān)鍵字：乏燃料 干式貯存 輻射 壓水堆

Research on Dry Storage Process of Spent Fuel in VVER Unit

LI Jianglin*" GE Kedang" ZHENG Haiquan

Fuel Service Department， CNNC Operation and Maintenance Technology Co.， Ltd.， Lianyungang， Jiangsu Province， 222000 China

Abstract： The spent fuel generated during the operation of VVER units is generally temporarily stored by wet storage internationally. A domestic power station introduced the dry storage process of Pressurized Water Reactor （PWR） units， and optimized the process flow and design principles based on the characteristics of VVER units， ensuring the first effective implementation of the dry storage process of spent fuel in VVER units. By implementing dry storage of spent fuel， the power station effectively solved the storage need of spent fuel generated by the unit and ensured the continuous and reliable operation of the nuclear power plant.

Key Words： Spent fuel; Dry storage; Radiation; Pressurized water reactor

VVER機(jī)組反應(yīng)堆廠(chǎng)房?jī)?nèi)設(shè)計(jì)了一個(gè)乏燃料貯存水池，水池中設(shè)計(jì)了10個(gè)乏燃料組件的立式貯存格架，考慮大修期間進(jìn)行壓力容器檢查等工作時(shí)需要全堆芯卸料，以及一次換料用新燃料組件的存放，在堆水池最多允許存放470組乏燃料組件。由于VVER機(jī)組乏燃料組件在外形尺寸、結(jié)構(gòu)、乏燃料參數(shù)等方面與國(guó)內(nèi)其他壓水堆核電機(jī)組乏燃料組件存在很大的差異，目前國(guó)內(nèi)VVER機(jī)組產(chǎn)生的乏燃料組件尚不具備離廠(chǎng)外運(yùn)接收條件，如果不解決乏燃料水池滿(mǎn)容問(wèn)題，將影響核電站的正常運(yùn)行。為保障乏燃料的貯存，國(guó)內(nèi)某核電站擬實(shí)施乏燃料中間貯存，乏燃料的中間貯存技術(shù)主要分為干式貯存和濕式貯存。壓水堆核電站內(nèi)部設(shè)計(jì)的乏燃料貯存水池和目前國(guó)內(nèi)乏燃料后處理廠(chǎng)的乏燃料貯存水池就屬于中間濕式貯存[1]，而近年來(lái)，國(guó)外使用干式貯存技術(shù)日益趨于成熟，其工藝和技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，利用干式貯存技術(shù)存儲(chǔ)的乏燃料數(shù)量顯著增加。

乏燃料中間貯存技術(shù)選擇

與乏燃料濕式貯存技術(shù)相比，干式貯存技術(shù)具有如下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：干式貯存的乏燃料貯存在惰性氣體中，可以更好地保護(hù)燃料和包殼；干式貯存運(yùn)行和維修費(fèi)用極低，特別是采用自然對(duì)流冷卻時(shí)，不需要電力供應(yīng)和試劑消耗，具有非能動(dòng)的固有安全性；干式貯存對(duì)抗事故能力更強(qiáng)，不用考慮失水事故的影響，安全可靠性更高；干式貯存運(yùn)行期間幾乎不會(huì)產(chǎn)生放射性廢物；干式貯存更為靈活，可以根據(jù)乏燃料貯存需求進(jìn)行擴(kuò)展。

干式貯存是當(dāng)前國(guó)際上廣泛使用的安全、成熟的技術(shù)，通過(guò)對(duì)經(jīng)濟(jì)性、安全性和建造周期等方面進(jìn)行對(duì)比論證分析，乏燃料干式貯存方案最適合應(yīng)用于國(guó)內(nèi)VVER機(jī)組核電站乏燃料的中間貯存。

VVER型機(jī)組乏燃料干式貯存系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)組成

VVER機(jī)組乏燃料干式貯存系統(tǒng)主要包括密封貯存容器、混凝土貯存模塊、轉(zhuǎn)運(yùn)容器、轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)和部分輔助設(shè)備。該貯存系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用轉(zhuǎn)運(yùn)容器將裝滿(mǎn)乏燃料的密封貯存容器從反應(yīng)堆廠(chǎng)房運(yùn)輸?shù)交炷临A存模塊進(jìn)行貯存。

2.1.1 密封貯存容器

密封貯存容器主要由筒體和吊籃兩部分組成。

密封貯存容器筒體為不銹鋼（304不銹鋼）焊接容器，其提供了放射性物質(zhì)包容、密封貯存容器內(nèi)腔惰性氣體介質(zhì)（氦氣）封閉、衰變熱導(dǎo)出和軸向屏蔽等功能。密封貯存容器筒體主要由頂蓋（外蓋與內(nèi)蓋）、頂部屏蔽塞、筒體、底板、底部屏蔽塞、抓取環(huán)等部件組成。頂蓋、頂部屏蔽塞、底板、底部屏蔽塞為密封貯存容器燃料裝載操作和貯存過(guò)程提供屏蔽。抓取環(huán)焊接到底部筒體，用于將密封貯存容器送入混凝土貯存模塊或從混凝土貯存模塊回取密封貯存容器。

密封貯存容器吊籃由六邊形不銹鋼管、不銹鋼板、拉桿、鋁套管、硼鋁板、鋁圍欄等組合而成。31根六邊形不銹鋼管作為乏燃料組件的貯存小室，共可貯存31組乏燃料組件。

2.1.2 混凝土貯存模塊

混凝土貯存模塊為封裝在密封貯存容器內(nèi)的乏燃料提供了獨(dú)立的最終貯存空間。其主要設(shè)計(jì)功能包括為密封貯存容器的推入，貯存和回取提供結(jié)構(gòu)支承；為密封貯存容器的乏燃料提供輻射屏蔽；為密封貯存容器提供自然對(duì)流換熱條件；為密封貯存容器提供物理保護(hù)，包括但不限于防風(fēng)、防洪、抗震、防飛射物撞擊[2]。

混凝土貯存模塊主要由基座、頂、屏蔽門(mén)、密封貯存容器支撐和擋熱板組成。混凝土貯存模塊的接觸劑量根據(jù)輻射防護(hù)最優(yōu)化原則設(shè)計(jì)，其混凝土厚墻和頂蓋提供了充足的中子及γ屏蔽?；炷临A存模塊通過(guò)輻射、傳導(dǎo)和對(duì)流相結(jié)合的方式將乏燃料衰變熱導(dǎo)出。為了保護(hù)混凝土表面和強(qiáng)化傳熱，在混凝土貯存模塊內(nèi)設(shè)置擋熱板?？諝馔ㄟ^(guò)位于混凝土貯存模塊下部的通風(fēng)入口進(jìn)入，從密封貯存容器和擋熱板周?chē)鬟^(guò)，最終通過(guò)設(shè)在混凝土貯存模塊頂部的空氣流出口排出[3]。

2.1.3 轉(zhuǎn)運(yùn)容器

轉(zhuǎn)運(yùn)容器在密封貯存容器裝料、密封操作和密封貯存容器轉(zhuǎn)運(yùn)到混凝土模塊過(guò)程中，為其提供屏蔽和防止其他潛在危害的功能。

轉(zhuǎn)運(yùn)容器由筒體、γ屏蔽材料、固體和液體（水）中子屏蔽、頂蓋、液壓推桿進(jìn)出口蓋板組成。筒體為頂部開(kāi)口的圓柱形部件，筒體底部為封閉結(jié)構(gòu)，該部件由同心的內(nèi)筒體（SA-240，304）、外筒體（SA-240，304）與底部的法蘭（SA-182，F(xiàn)304N）焊接而成。內(nèi)外筒體之間的環(huán)隙為鉛屏蔽層。筒體外側(cè)為中子屏蔽層，由鋼殼與圓形加強(qiáng)圈組成，內(nèi)部充入除鹽水進(jìn)行中子屏蔽。容器頂蓋螺栓采用24個(gè)直徑38.1 mm的螺栓連接到頂部法蘭上。容器底部的液壓推桿進(jìn)出口蓋板采用12個(gè)直徑為12.7 mm的螺栓及O型密封圈進(jìn)行密封。

2.1.4 轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)

乏燃料從核電站反應(yīng)堆廠(chǎng)房向干法貯存場(chǎng)地轉(zhuǎn)運(yùn)的過(guò)程中使用的轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備包括液壓推進(jìn)系統(tǒng)、牽引車(chē)、轉(zhuǎn)運(yùn)拖車(chē)、容器托架、托架定位系統(tǒng)等，用于轉(zhuǎn)運(yùn)容器和密封貯存容器的轉(zhuǎn)運(yùn)作業(yè)。

2.1.5 輔助設(shè)備

輔助設(shè)備包括容器吊具、真空干燥系統(tǒng)和焊接系統(tǒng)等，用于轉(zhuǎn)運(yùn)容器和密封貯存容器吊裝、排水、惰性氣體充填和焊接密封操作。

通用吊具。

通用吊具包括環(huán)吊使用的長(zhǎng)吊具和龍門(mén)吊使用的短吊具，用于密封貯存容器、轉(zhuǎn)運(yùn)容器在轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中的吊裝操作，參考VVER機(jī)組新燃料運(yùn)輸?shù)蹙哌M(jìn)行設(shè)計(jì)，該吊具可同時(shí)適用于密封貯存容器、轉(zhuǎn)運(yùn)容器的操作及電站原有新燃料運(yùn)輸容器和乏燃料運(yùn)輸容器的操作。

真空干燥系統(tǒng)。

真空干燥系統(tǒng)用于對(duì)密封貯存容器裝滿(mǎn)組件后對(duì)容器內(nèi)部進(jìn)行真空干燥。在密封貯存容器排水后，通入氦氣沖掃剩余的水分，然后抽真空至0.4 kPa（絕壓），真空干燥后，回充氦氣至0.17 kPa（表壓）。

自動(dòng)焊接系統(tǒng)。

自動(dòng)焊接系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)完全集成和遠(yuǎn)程操作的系統(tǒng)，包括遠(yuǎn)程觀(guān)察和焊接控制。該系統(tǒng)采用鎢極氬弧焊工藝來(lái)焊接裝載乏燃料后的密封貯存容器內(nèi)蓋及外蓋，可遠(yuǎn)程焊縫定位，無(wú)須人工手動(dòng)定位，保障了密封貯存容器內(nèi)外蓋的高質(zhì)量焊接[4]。

系統(tǒng)工藝流程

系統(tǒng)工藝流程主要包括密封貯存容器準(zhǔn)備、燃料裝料、密封貯存容器密封、轉(zhuǎn)運(yùn)容器運(yùn)往乏燃料貯存設(shè)施、密封貯存容器推入混凝土貯存模塊等操作流程[5]，整個(gè)流程可細(xì)分為以下20個(gè)步驟。

使用轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)將轉(zhuǎn)運(yùn)容器運(yùn)輸至反應(yīng)堆廠(chǎng)房龍門(mén)吊下。

翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)運(yùn)容器至豎直狀態(tài)，將密封貯存容器安裝到轉(zhuǎn)運(yùn)容器內(nèi)部。

安裝轉(zhuǎn)運(yùn)容器底部適配器。

使用龍門(mén)吊將轉(zhuǎn)運(yùn)容器提升至設(shè)備閘門(mén)運(yùn)輸小車(chē)上。

使用設(shè)備閘門(mén)運(yùn)輸小車(chē)將轉(zhuǎn)運(yùn)容器運(yùn)入反應(yīng)堆廠(chǎng)房。

使用環(huán)吊將轉(zhuǎn)運(yùn)容器放置于去污支座上。

在轉(zhuǎn)運(yùn)容器和密封貯存容器之間的環(huán)隙中注入硼酸水并安裝環(huán)隙密封圈。

使用環(huán)吊將轉(zhuǎn)運(yùn)容器吊入換料井（其間須保證密封貯存容器吊籃小室與乏燃料貯存格架小室方向的一致性）。

使用裝卸料機(jī)裝載乏燃料組件至密封貯存容器。

使用環(huán)吊安裝頂部屏蔽塞。

使用環(huán)吊將轉(zhuǎn)運(yùn)容器放置于去污支座上，根據(jù)需要清洗容器表面沾污。

移除轉(zhuǎn)運(yùn)容器與密封貯存容器之間的環(huán)形密封圈。

使用環(huán)吊安裝密封貯存容器內(nèi)蓋。

使用環(huán)吊安裝自動(dòng)焊機(jī)，焊接密封貯存容器內(nèi)蓋。

對(duì)密封貯存容器進(jìn)行排水、真空干燥、氦檢漏、回充氦氣操作，并通過(guò)手工焊接的方式密封排水排氣孔孔蓋。

使用環(huán)吊安裝密封貯存容器外蓋，隨后安裝自動(dòng)焊機(jī)并焊接密封貯存容器外蓋；通過(guò)測(cè)試孔進(jìn)行氦檢漏，如無(wú)異常焊接氦檢漏測(cè)試孔并安裝轉(zhuǎn)運(yùn)容器頂蓋。

排出轉(zhuǎn)運(yùn)容器與密封貯存容器環(huán)隙之間硼酸水，通過(guò)環(huán)吊、設(shè)備閘門(mén)、運(yùn)輸小車(chē)將轉(zhuǎn)運(yùn)容器運(yùn)輸?shù)椒磻?yīng)堆廠(chǎng)房外。

拆除轉(zhuǎn)運(yùn)容器底部的適配器，使用龍門(mén)吊將轉(zhuǎn)運(yùn)容器放到轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)上并翻轉(zhuǎn)到水平狀態(tài)。

使用轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)將轉(zhuǎn)運(yùn)容器轉(zhuǎn)運(yùn)到貯存區(qū)。

打開(kāi)混凝土貯存模塊屏蔽門(mén)和轉(zhuǎn)運(yùn)容器頂蓋，開(kāi)展轉(zhuǎn)運(yùn)容器與混凝土貯存模塊的對(duì)中工作；對(duì)中后將密封貯存容器水平推入混凝土貯存模塊中，隨后安裝混凝土貯存模塊屏蔽門(mén)，完成一次貯存過(guò)程。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

2.3.1 放射性物質(zhì)包容

對(duì)于完整的燃料組件，燃料組件包殼是限制放射性物質(zhì)的第一道屏障，在貯存期間，燃料組件包殼溫度保持在400 ℃以下；同時(shí)，乏燃料組件貯存在惰性的氣體環(huán)境中，可以防止燃料包殼由于氫化物的徑向分布或燃料組件包殼氧化而發(fā)生功能退化。乏燃料在裝載作業(yè)期間處于水、氦或真空中，不會(huì)暴露在空氣中。其次，密封貯存容器是一個(gè)由不銹鋼焊接而成的完整結(jié)構(gòu)，沒(méi)有貫穿結(jié)構(gòu)，在任何情況下，氦氣都不會(huì)通過(guò)筒體擴(kuò)散至空氣中，因此整個(gè)工藝可以有效保障放射性物質(zhì)包容。

2.3.2 衰變熱排除

系統(tǒng)主要依靠非能動(dòng)冷卻的方式帶出燃料組件內(nèi)的熱量。放置在密封貯存容器內(nèi)的燃料組件最大衰變熱可達(dá)35.25 kW，在貯存與運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以保障燃料組件包殼的溫度、密封貯存容器的內(nèi)腔壓力等始終維持在設(shè)計(jì)限定范圍內(nèi)[6]，在正常工況下，燃料包殼的最高溫度不超過(guò)400 ℃；正常貯存情況下（燃料棒破損率1%）密封罐腔體內(nèi)壓不超過(guò)103.4 kPa。

2.3.3 輻射防護(hù)

通過(guò)設(shè)計(jì)和管理措施，乏燃料組件在操作和貯存期間的輻射安全能得到有效保證。轉(zhuǎn)運(yùn)容器在廠(chǎng)內(nèi)運(yùn)輸過(guò)程中外表面上任一點(diǎn)的最高輻射水平不超過(guò)2 mSv/h。貯存系統(tǒng)正常運(yùn)行期間人員可到達(dá)位置的最高輻射水平不超過(guò)1 mSv/h。干法貯存設(shè)施周邊設(shè)置單層實(shí)體屏障，作為輻射控制區(qū)的邊界，保證屏障外圍的輻射水平不超過(guò)1 μSv/h。

VVER型機(jī)組乏燃料干式貯存工藝應(yīng)用

在完成設(shè)備設(shè)計(jì)、制造、驗(yàn)收、操作培訓(xùn)、設(shè)備調(diào)試、模擬演練等一系列準(zhǔn)備工作后，國(guó)內(nèi)某核電站于2019年順利實(shí)施了VVER機(jī)組首臺(tái)次乏燃料干貯工作，整個(gè)工藝過(guò)程與設(shè)備性能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

國(guó)內(nèi)VVER機(jī)組在廠(chǎng)房布置上既與國(guó)內(nèi)M310機(jī)組不同，也與俄羅斯VVER機(jī)組不同，主要表現(xiàn)在VVER機(jī)組在反應(yīng)堆廠(chǎng)房?jī)?nèi)設(shè)置有乏燃料水池、換料井與去污支座，但是并未設(shè)置乏燃料運(yùn)輸容器沖洗井，既沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的乏燃料運(yùn)輸通道，也沒(méi)有可以方便運(yùn)輸容器沖洗的操作裝置。國(guó)內(nèi)核電站VVER型機(jī)組乏燃料干式貯存工藝不同于任何乏燃料裝載運(yùn)輸和卸出工藝，全球首創(chuàng)。

結(jié)語(yǔ)

VVER型機(jī)組乏燃料干式貯存工藝滿(mǎn)足設(shè)計(jì)中的技術(shù)可行性和安全可靠性要求。在目前國(guó)內(nèi)VVER機(jī)組核電站乏燃料暫時(shí)未開(kāi)展外運(yùn)處置的情況下，本項(xiàng)目的順利實(shí)施有效地緩解了機(jī)組目前乏燃料貯存問(wèn)題。

另外，本項(xiàng)目為壓水堆機(jī)組乏燃料干式貯存工藝在我國(guó)首次引進(jìn)優(yōu)化實(shí)施，為我國(guó)乏燃料干法貯存技術(shù)的自主研發(fā)奠定了基礎(chǔ)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，對(duì)國(guó)內(nèi)M310機(jī)組乃至國(guó)際VVER機(jī)組乏燃料的中間貯存工作具有重大示范和借鑒意義。

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