乏燃料后處理維修技術(shù)特點(diǎn)分析

周琦

（中核龍安有限公司，浙江 臺州 318000）

0 引言

乏燃料后處理是在高放射、高腐蝕、高毒和高溫的嚴(yán)苛環(huán)境中進(jìn)行的，對工藝水平、材料特性、密封包容、設(shè)備可靠性、人工干預(yù)程度及工廠運(yùn)維能力要求極高。我國在后處理工藝研究、生產(chǎn)運(yùn)行及分析檢測等方面探索建立了一系列方法并初步形成了技術(shù)體系[1]，但相應(yīng)維修技術(shù)與行業(yè)發(fā)展和國際先進(jìn)水平之間仍存在較大的差距。隨著技術(shù)能力積累和管理觀念轉(zhuǎn)變，國內(nèi)后處理運(yùn)營單位在注重生產(chǎn)效率和安全目標(biāo)的同時，也在不斷提升對維修技術(shù)突破的關(guān)注。

1 后處理維修技術(shù)

后處理維修是指在后處理設(shè)備狀態(tài)劣化或發(fā)生故障后為恢復(fù)其要求的性能和功能而開展的技術(shù)活動，通?？煞譃轭A(yù)防性維修和糾正性維修。在使設(shè)備保持安全性和可用性工作狀態(tài)的同時，應(yīng)盡可能地減小運(yùn)行的中斷時間、減少維修人員受到的輻射劑量并避免放射性物質(zhì)的擴(kuò)散。基于乏燃料后處理工況環(huán)境具有放射性強(qiáng)、化學(xué)毒性高、潛在臨界風(fēng)險(xiǎn)等基本特性，按照設(shè)備分區(qū)和工作劑量，后處理維修技術(shù)在操作上大致可分為直接維修、遠(yuǎn)距離維修、間接維修等3種基本形式。

1.1 直接維修

直接維修是指當(dāng)設(shè)備被接觸部位和周圍環(huán)境的輻照水平在低位可接受范圍時，工作人員進(jìn)入設(shè)備區(qū)域與被維修部件通過直接接觸方式進(jìn)行的維修活動。直接維修前必須撤除或屏蔽放射源，實(shí)施必要的清洗去污和放射性控制，將輻射劑量和污染水平降低到可接受限值。在維修過程中嚴(yán)格限制人員進(jìn)入時間，就地設(shè)置臨時過渡措施形成屏蔽和包容屏障，保證人員在污染區(qū)和非污染區(qū)之間的出入安全。熱室內(nèi)進(jìn)行的此類維修通常屬于計(jì)劃外維修, 人員可能會遭受限值內(nèi)不可避免的職業(yè)性照射。

1.2 遠(yuǎn)距離維修

遠(yuǎn)距離維修是指工作人員在工作站通過窺視窗或攝像機(jī)，利用遙控吊車、機(jī)械手、機(jī)器人和專用工具等遠(yuǎn)距離操縱手段，對安置在輻照或污染水平過高，不允許直接進(jìn)入的高放熱室內(nèi)模塊化機(jī)械設(shè)備的失效部件進(jìn)行拆除和更換的非接觸性維修操作。

對于低放熱室內(nèi)維修預(yù)期不高、壽命低于工廠壽期的化工設(shè)備、管道、閥門和儀表等，在開展異常維修時，經(jīng)初步清洗去污后，利用自動切割機(jī)、焊接機(jī)和其他遠(yuǎn)距離操縱手段，遙控拆下被維修部件，再由人員進(jìn)入設(shè)備區(qū)域安裝新部件，這種維修方式稱為半遠(yuǎn)距離維修。

1.3 間接維修

間接維修是指在可達(dá)區(qū)采用具有包容和屏蔽能力的維修容器，在僅臨時改變而不破壞封閉屏障的情況下，對位于強(qiáng)放射性區(qū)域內(nèi)模塊化設(shè)備的易損內(nèi)芯體進(jìn)行抽取-更換的非直接接觸維修操作。維修容器作為間接維修的主要技術(shù)載體與物質(zhì)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)包容和完整屏蔽狀態(tài)下對標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備放射性沾污內(nèi)芯體的快速拆除、跨區(qū)轉(zhuǎn)運(yùn)和安全更換。

2 法國后處理維修策略

工業(yè)規(guī)模的乏燃料后處理已有80多年的發(fā)展，全球有17個國家從事后處理并建設(shè)了包括中間裝置和試驗(yàn)裝置在內(nèi)的32個后處理設(shè)施。法國采取核燃料閉式循環(huán)技術(shù)路線，是世界上輕水堆乏燃料后處理規(guī)模大、工藝成熟、技術(shù)先進(jìn)的國家之一[2]。本節(jié)以法國后處理維修技術(shù)為研究對象，梳理分析其后處理維修的深度經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)特點(diǎn)。

2.1 法國后處理維修技術(shù)發(fā)展

法國的后處理技術(shù)發(fā)展可分為3個階段：第一階段以UP1為代表，主要目的是提取武器級钚；第二階段以UP2和UP2-400為代表，奠定了該國工業(yè)規(guī)模后處理的基礎(chǔ)；第三階段以UP3和UP2-800為代表，后處理技術(shù)進(jìn)一步改進(jìn)提升，鈾钚分離系數(shù)達(dá)到99.88%，廢物產(chǎn)生量大幅減少，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模商業(yè)化運(yùn)行[3]。法國3個階段后處理維修技術(shù)的發(fā)展情況如表1所示。

表1 法國各階段后處理維修技術(shù)概況

由表1可知，隨著工廠創(chuàng)新和經(jīng)驗(yàn)積累，法國后處理維修技術(shù)不斷迭代發(fā)展，工作人員所受職業(yè)照射劑量也隨之大幅降低。UP1除機(jī)械首端和化學(xué)分析之外的其它放射性操作均集中在主工藝廠房，工藝設(shè)備分散布置在各個小設(shè)備室，著重于選擇適當(dāng)?shù)臋C(jī)械或化學(xué)去污手段清潔熱室及相關(guān)設(shè)備后直接接觸維修。UP2不同車間選用維修方式不同，中放車間采用直接維修、高放車間采用遠(yuǎn)距離維修和操作，導(dǎo)致中放車間人員受照劑量顯著高于高放車間。UP3大部分機(jī)械設(shè)備采用遠(yuǎn)距離維修，化工設(shè)備直接或免維修，內(nèi)芯可拆換標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備利用維修容器間接維修。

2.2 法國后處理維修技術(shù)特點(diǎn)分析

UP3作為法國第三代后處理技術(shù)的代表，在設(shè)計(jì)、建造、調(diào)試、運(yùn)行的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行了大量的開發(fā)與驗(yàn)證工作，數(shù)十年穩(wěn)定運(yùn)行記錄充分證明了相關(guān)技術(shù)的可靠性與安全性。在維修技術(shù)方面，該廠在總結(jié)以往運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上采取全新維修理念，在設(shè)計(jì)上進(jìn)行了重大改進(jìn)，主要有以下特點(diǎn)：

1）采用“最小維修”策略，即在設(shè)備壽期內(nèi)維修需求和維修作業(yè)最小，僅開展使用保障及最少化的計(jì)劃內(nèi)維修，無需進(jìn)行非計(jì)劃維修活動。這需要對相關(guān)工藝設(shè)備和流程進(jìn)行改造與簡化，以高置信度保證設(shè)備能夠在一個完整的生產(chǎn)周期內(nèi)穩(wěn)定可靠使用，例如盡量少用動力泵而改用空氣提升和蒸汽噴射等方式輸送料液、取消與放射性介質(zhì)直接接觸的桿式儀表、一次儀表改用吹氣液位計(jì)和密度計(jì)等，避免了設(shè)施在生產(chǎn)期間發(fā)生故障。

2）在正常生產(chǎn)周期內(nèi)可能需要維修的機(jī)械設(shè)備，如機(jī)械首端的剪切機(jī)、化學(xué)首端的溶解器、玻璃固化工藝的煅燒爐等，布置在適用遠(yuǎn)距離操作的工藝熱室，設(shè)置專門的維修吊車和主從機(jī)械手等遠(yuǎn)距離維修措施，相關(guān)動力部件安裝在與熱室毗鄰的工作間內(nèi)。

3）間接維修技術(shù)是對直接維修與遠(yuǎn)距離維修兩大后處理維修技術(shù)的補(bǔ)充和發(fā)展，創(chuàng)造性的開發(fā)與運(yùn)用對于保障設(shè)備的可用率和安全性、提高工廠的維修效率和綜合效益起到了決定性的關(guān)鍵作用。間接維修容器提供完整的生物屏蔽和有效措施防止污染擴(kuò)散，充分保證了人員和環(huán)境免于過量電離輻射的損害。

3 中國后處理維修概況

過去一個時期內(nèi)，我國后處理工業(yè)發(fā)展速度較慢，后處理技術(shù)水平不強(qiáng)，基礎(chǔ)研究和技術(shù)儲備不足。近年來，國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)和運(yùn)營單位不斷投入力量加大科研攻關(guān)力度，在后處理工藝、設(shè)備和維修等能力建設(shè)方面取得了顯著進(jìn)步，持續(xù)推動我國乏燃料后處理技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用。

3.1 中國后處理維修技術(shù)現(xiàn)狀

國內(nèi)自20世紀(jì)50年代開始相關(guān)基礎(chǔ)研究，在20世紀(jì)70年代開展了動力堆乏燃料后處理技術(shù)探索，并于1986年著手進(jìn)行后處理中試廠的立項(xiàng)工作[4]。本世紀(jì)以來，啟動了乏燃料后處理科研專項(xiàng)和商業(yè)大廠推進(jìn)工作，中試廠和首座玻璃固化工程相繼成功完成熱調(diào)試，標(biāo)志著我國實(shí)現(xiàn)了乏燃料后處理工藝技術(shù)和能力的突破[5]。

中試廠是國內(nèi)重要的集后處理工藝技術(shù)研究與工程應(yīng)用驗(yàn)證于一體的綜合性示范設(shè)施，采用Purex流程，處理對象為燃耗33 GW·d/tU的動力堆乏燃料，設(shè)計(jì)年處理能力為50 t級。圍繞該廠的工藝特點(diǎn)和維修需求，國內(nèi)后處理科研機(jī)構(gòu)深入開展了技術(shù)理論和工程應(yīng)用研究，攻克了立式送料剪切機(jī)、間歇式溶解器、倒杯式沉降離心機(jī)、折流板脈沖萃取柱等一批關(guān)鍵主工藝設(shè)備的設(shè)計(jì)制造和維修技術(shù)。依托核燃料后處理放化實(shí)驗(yàn)設(shè)施（CRARL）研制了新的系列裝備，填補(bǔ)國內(nèi)空白、形成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在國際上首次采用臺架式熱室系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對強(qiáng)放設(shè)備的及時檢維修，解決了熱室內(nèi)設(shè)備直接檢維修和人員進(jìn)出熱室易造成大面積污染等難題[6]。

綜合來看，國內(nèi)后處理廠維修策略采用的是以直接維修為主、半遠(yuǎn)距離維修為輔的初級混合維修。對于未經(jīng)放射性沾污的清潔設(shè)備，采用與一般化工廠相同的常規(guī)方法和工具進(jìn)行維修；放射化工設(shè)備和放射性流體輸送裝置盡可能采用免維修設(shè)計(jì)，壓力、液位和密度等測量選用結(jié)構(gòu)簡單的一次儀表，避免在生產(chǎn)周期內(nèi)開展維修活動；輻射環(huán)境下有維修需求的設(shè)備、管道、閥門和儀表等，在經(jīng)清洗去污后半遠(yuǎn)距離或人員直接進(jìn)入設(shè)備間和維修大廳接觸維修；對于可拆換的濾芯、閥芯、泵芯等標(biāo)準(zhǔn)模塊部件，利用袋封、雙蓋容器或人工直接抽取到與設(shè)備間相鄰的維修間，設(shè)置臨時塑料帳篷或裸防護(hù)直接接觸維修和更換。

3.2 中國后處理維修技術(shù)分析

國內(nèi)后處理維修在基礎(chǔ)研究、設(shè)計(jì)思想、技術(shù)體系和關(guān)注程度等方面與國際先進(jìn)水平之間仍有一定差距，特別是在能有效提高維修效率、降低人員受照劑量的遠(yuǎn)距離維修和間接維修技術(shù)方面較為薄弱。直接維修技術(shù)在某些方面存在短板，主要表現(xiàn)為工程設(shè)計(jì)缺乏系統(tǒng)性和全局性考慮，維修前需進(jìn)行長時間清洗去污，導(dǎo)致停工時間過長，增加了放射性廢物的產(chǎn)生量。

后處理維修活動高度復(fù)雜、專業(yè)且具有潛在危險(xiǎn)性，受工藝和核因素的影響與限制，開展該項(xiàng)工作需嚴(yán)格遵守安全規(guī)定、限制作業(yè)時間并采取必要的防護(hù)措施，保證人員受到的職業(yè)照射符合強(qiáng)制規(guī)定且合理可行、盡量低（ALARA）。受限于早期設(shè)計(jì)與建造時的技術(shù)水平和基礎(chǔ)能力，國內(nèi)老的運(yùn)營單位主要采用直接維修和半遠(yuǎn)距離維修兩種后處理維修技術(shù)，使得工廠的安全性和經(jīng)濟(jì)性無法達(dá)到理想水平。在安全方面，工作人員所受集體劑量較高，工藝和設(shè)備的本質(zhì)安全性無法得到有效保證；在經(jīng)濟(jì)方面，維修工作效率和工廠開工率不高，增加了物力和人力資源投入，難以達(dá)到工廠的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行要求。

4 中法后處理維修技術(shù)對比

中法乏燃料后處理工廠的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，放射性沾污設(shè)備的檢修是工廠歇產(chǎn)時間長短與工作人員受照劑量大小的主要原因，也是影響項(xiàng)目投資、工程進(jìn)度和技術(shù)可靠性的重要因素。

法國在設(shè)備設(shè)計(jì)制造、工藝廠房布置、維修策略及工器具開發(fā)等方面形成了系統(tǒng)化的成熟方案，可用性、可靠性和安全性得以充分驗(yàn)證，適應(yīng)深燃耗、強(qiáng)活度、高復(fù)雜裂變產(chǎn)物的動力堆乏燃料商業(yè)后處理大廠需要，對外照射以及α和γ污染的控制要明顯優(yōu)于國內(nèi)，后處理維修技術(shù)先進(jìn)。

隨著中間示范項(xiàng)目的建設(shè)和調(diào)試，我國在后處理維修技術(shù)上取得了很大進(jìn)步，但相比于國際先進(jìn)水平還存在一定的差距和滯后，這主要體現(xiàn)在間接維修技術(shù)及維修容器的選擇和應(yīng)用上。中間示范廠總結(jié)吸收中試廠的運(yùn)行和維修經(jīng)驗(yàn)，采取了與UP3相仿的維修設(shè)計(jì)思路和理念，但該維修設(shè)計(jì)能否保證新工廠的安全高效運(yùn)行還待進(jìn)一步檢驗(yàn)。

5 結(jié)論

在國內(nèi)商用后處理大廠穩(wěn)定推進(jìn)的大背景下，本文通過對后處理維修技術(shù)的梳理總結(jié)，對比分析中法后處理工廠維修策略和技術(shù)差距，辨識出國內(nèi)后處理維修領(lǐng)域存在的不足和薄弱環(huán)節(jié)。從保證維修效率、提升開工率、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)性并降低工作人員所受劑量的角度出發(fā)，得出以下結(jié)論和建議，供商用大廠維修設(shè)計(jì)和相關(guān)設(shè)備研制參考。

1）采用單一維修手段無法滿足工業(yè)規(guī)模后處理工廠的運(yùn)維需要，應(yīng)充分結(jié)合直接或免維修、遠(yuǎn)距離維修、間接維修各自技術(shù)特點(diǎn)，采用多種維修方式結(jié)合并用的深度混合維修策略。

2）對于不同類型工藝設(shè)備采用針對性的維修方式，機(jī)械動設(shè)備遠(yuǎn)距離維修、焊接靜設(shè)備直接或免維修、可拆換內(nèi)芯設(shè)備采用具有γ屏蔽和α密封能力的專門維修容器間接維修。

3）根據(jù)工藝功能和放射性水平布置設(shè)備和管道，少量在生產(chǎn)周期內(nèi)必須維修的設(shè)備安裝在具有獨(dú)立隔離的小熱室內(nèi)，并設(shè)置移動噴洗去污裝置、檢修臺架和機(jī)械手等利于快速維修的措施。

4）維修設(shè)計(jì)既要考慮操作的適宜性，又要滿足輻射防護(hù)的基本安全要求，設(shè)備結(jié)構(gòu)和廠房布置需具備與維修技術(shù)相適的設(shè)計(jì)，運(yùn)用系統(tǒng)思維，在設(shè)計(jì)制造階段就必須為后期維修做好規(guī)劃。

5）以維修容器應(yīng)用為代表的間接維修技術(shù)是國內(nèi)后處理維修運(yùn)維領(lǐng)域的最大弱項(xiàng)，開展先進(jìn)間接維修容器研制以及工程應(yīng)用研究十分必要和迫切。