摘要:國際上VVER機組在運行期間產(chǎn)生的乏燃料一般均采用濕式貯存方式進行暫存,國內(nèi)某電站引進實施了壓水堆機組乏燃料干式貯存工藝,并結合VVER機組特點對工藝流程和設計原則進行了優(yōu)化,保障了乏燃料干法貯存工藝在VVER機組上的首次有效實施;電站最終通過實施乏燃料干式貯存,有效解決了機組產(chǎn)生的乏燃料貯存需要,保證了核電站的連續(xù)可靠運行。
關鍵字: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機組反應堆廠房內(nèi)設計了一個乏燃料貯存水池,水池中設計了10個乏燃料組件的立式貯存格架,考慮大修期間進行壓力容器檢查等工作時需要全堆芯卸料,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機組乏燃料組件在外形尺寸、結構、乏燃料參數(shù)等方面與國內(nèi)其他壓水堆核電機組乏燃料組件存在很大的差異,目前國內(nèi)VVER機組產(chǎn)生的乏燃料組件尚不具備離廠外運接收條件,如果不解決乏燃料水池滿容問題,將影響核電站的正常運行。為保障乏燃料的貯存,國內(nèi)某核電站擬實施乏燃料中間貯存,乏燃料的中間貯存技術主要分為干式貯存和濕式貯存。壓水堆核電站內(nèi)部設計的乏燃料貯存水池和目前國內(nèi)乏燃料后處理廠的乏燃料貯存水池就屬于中間濕式貯存[1],而近年來,國外使用干式貯存技術日益趨于成熟,其工藝和技術已經(jīng)被廣泛應用,利用干式貯存技術存儲的乏燃料數(shù)量顯著增加。
乏燃料中間貯存技術選擇
與乏燃料濕式貯存技術相比,干式貯存技術具有如下幾方面的優(yōu)點:干式貯存的乏燃料貯存在惰性氣體中,可以更好地保護燃料和包殼;干式貯存運行和維修費用極低,特別是采用自然對流冷卻時,不需要電力供應和試劑消耗,具有非能動的固有安全性;干式貯存對抗事故能力更強,不用考慮失水事故的影響,安全可靠性更高;干式貯存運行期間幾乎不會產(chǎn)生放射性廢物;干式貯存更為靈活,可以根據(jù)乏燃料貯存需求進行擴展。
干式貯存是當前國際上廣泛使用的安全、成熟的技術,通過對經(jīng)濟性、安全性和建造周期等方面進行對比論證分析,乏燃料干式貯存方案最適合應用于國內(nèi)VVER機組核電站乏燃料的中間貯存。
VVER型機組乏燃料干式貯存系統(tǒng)工藝設計
系統(tǒng)設計組成
VVER機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)運容器、轉(zhuǎn)運系統(tǒng)和部分輔助設備。該貯存系統(tǒng)設計使用轉(zhuǎn)運容器將裝滿乏燃料的密封貯存容器從反應堆廠房運輸?shù)交炷临A存模塊進行貯存。
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)的乏燃料提供了獨立的最終貯存空間。其主要設計功能包括為密封貯存容器的推入,貯存和回取提供結構支承;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流換熱條件;為密封貯存容器提供物理保護,包括但不限于防風、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、密封貯存容器支撐和擋熱板組成?;炷临A存模塊的接觸劑量根據(jù)輻射防護最優(yōu)化原則設計,其混凝土厚墻和頂蓋提供了充足的中子及γ屏蔽?;炷临A存模塊通過輻射、傳導和對流相結合的方式將乏燃料衰變熱導出。為了保護混凝土表面和強化傳熱,在混凝土貯存模塊內(nèi)設置擋熱板??諝馔ㄟ^位于混凝土貯存模塊下部的通風入口進入,從密封貯存容器和擋熱板周圍流過,最終通過設在混凝土貯存模塊頂部的空氣流出口排出[3]。
2.1.3 轉(zhuǎn)運容器
轉(zhuǎn)運容器在密封貯存容器裝料、密封操作和密封貯存容器轉(zhuǎn)運到混凝土模塊過程中,為其提供屏蔽和防止其他潛在危害的功能。
轉(zhuǎn)運容器由筒體、γ屏蔽材料、固體和液體(水)中子屏蔽、頂蓋、液壓推桿進出口蓋板組成。筒體為頂部開口的圓柱形部件,筒體底部為封閉結構,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,由鋼殼與圓形加強圈組成,內(nèi)部充入除鹽水進行中子屏蔽。容器頂蓋螺栓采用24個直徑38.1 mm的螺栓連接到頂部法蘭上。容器底部的液壓推桿進出口蓋板采用12個直徑為12.7 mm的螺栓及O型密封圈進行密封。
2.1.4 轉(zhuǎn)運系統(tǒng)
乏燃料從核電站反應堆廠房向干法貯存場地轉(zhuǎn)運的過程中使用的轉(zhuǎn)運設備包括液壓推進系統(tǒng)、牽引車、轉(zhuǎn)運拖車、容器托架、托架定位系統(tǒng)等,用于轉(zhuǎn)運容器和密封貯存容器的轉(zhuǎn)運作業(yè)。
2.1.5 輔助設備
輔助設備包括容器吊具、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)吊使用的長吊具和龍門吊使用的短吊具,用于密封貯存容器、轉(zhuǎn)運容器在轉(zhuǎn)運過程中的吊裝操作,參考VVER機組新燃料運輸?shù)蹙哌M行設計,該吊具可同時適用于密封貯存容器、轉(zhuǎn)運容器的操作及電站原有新燃料運輸容器和乏燃料運輸容器的操作。
真空干燥系統(tǒng)。
真空干燥系統(tǒng)用于對密封貯存容器裝滿組件后對容器內(nèi)部進行真空干燥。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)。
自動焊接系統(tǒng)。
自動焊接系統(tǒng)設計是一個完全集成和遠程操作的系統(tǒng),包括遠程觀察和焊接控制。該系統(tǒng)采用鎢極氬弧焊工藝來焊接裝載乏燃料后的密封貯存容器內(nèi)蓋及外蓋,可遠程焊縫定位,無須人工手動定位,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備、燃料裝料、密封貯存容器密封、轉(zhuǎn)運容器運往乏燃料貯存設施、密封貯存容器推入混凝土貯存模塊等操作流程[5],整個流程可細分為以下20個步驟。
使用轉(zhuǎn)運車將轉(zhuǎn)運容器運輸至反應堆廠房龍門吊下。
翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)運容器至豎直狀態(tài),將密封貯存容器安裝到轉(zhuǎn)運容器內(nèi)部。
安裝轉(zhuǎn)運容器底部適配器。
使用龍門吊將轉(zhuǎn)運容器提升至設備閘門運輸小車上。
使用設備閘門運輸小車將轉(zhuǎn)運容器運入反應堆廠房。
使用環(huán)吊將轉(zhuǎn)運容器放置于去污支座上。
在轉(zhuǎn)運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)吊安裝自動焊機,焊接密封貯存容器內(nèi)蓋。
對密封貯存容器進行排水、真空干燥、氦檢漏、回充氦氣操作,并通過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,隨后安裝自動焊機并焊接密封貯存容器外蓋;通過測試孔進行氦檢漏,如無異常焊接氦檢漏測試孔并安裝轉(zhuǎn)運容器頂蓋。
排出轉(zhuǎn)運容器與密封貯存容器環(huán)隙之間硼酸水,通過環(huán)吊、設備閘門、運輸小車將轉(zhuǎn)運容器運輸?shù)椒磻褟S房外。
拆除轉(zhuǎn)運容器底部的適配器,使用龍門吊將轉(zhuǎn)運容器放到轉(zhuǎn)運車上并翻轉(zhuǎn)到水平狀態(tài)。
使用轉(zhuǎn)運車將轉(zhuǎn)運容器轉(zhuǎn)運到貯存區(qū)。
打開混凝土貯存模塊屏蔽門和轉(zhuǎn)運容器頂蓋,開展轉(zhuǎn)運容器與混凝土貯存模塊的對中工作;對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,完成一次貯存過程。
系統(tǒng)設計目標
2.3.1 放射性物質(zhì)包容
對于完整的燃料組件,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,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,不會暴露在空氣中。其次,密封貯存容器是一個由不銹鋼焊接而成的完整結構,沒有貫穿結構,在任何情況下,氦氣都不會通過筒體擴散至空氣中,因此整個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35.25 kW,在貯存與運輸?shù)倪^程中,系統(tǒng)設計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計限定范圍內(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103.4 kPa。
2.3.3 輻射防護
通過設計和管理措施,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)運容器在廠內(nèi)運輸過程中外表面上任一點的最高輻射水平不超過2 mSv/h。貯存系統(tǒng)正常運行期間人員可到達位置的最高輻射水平不超過1 mSv/h。干法貯存設施周邊設置單層實體屏障,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1 μSv/h。
VVER型機組乏燃料干式貯存工藝應用
在完成設備設計、制造、驗收、操作培訓、設備調(diào)試、模擬演練等一系列準備工作后,國內(nèi)某核電站于2019年順利實施了VVER機組首臺次乏燃料干貯工作,整個工藝過程與設備性能滿足設計要求。
國內(nèi)VVER機組在廠房布置上既與國內(nèi)M310機組不同,也與俄羅斯VVER機組不同,主要表現(xiàn)在VVER機組在反應堆廠房內(nèi)設置有乏燃料水池、換料井與去污支座,但是并未設置乏燃料運輸容器沖洗井,既沒有專門的乏燃料運輸通道,也沒有可以方便運輸容器沖洗的操作裝置。國內(nèi)核電站VVER型機組乏燃料干式貯存工藝不同于任何乏燃料裝載運輸和卸出工藝,全球首創(chuàng)。
結語
VVER型機組乏燃料干式貯存工藝滿足設計中的技術可行性和安全可靠性要求。在目前國內(nèi)VVER機組核電站乏燃料暫時未開展外運處置的情況下,本項目的順利實施有效地緩解了機組目前乏燃料貯存問題。
另外,本項目為壓水堆機組乏燃料干式貯存工藝在我國首次引進優(yōu)化實施,為我國乏燃料干法貯存技術的自主研發(fā)奠定了基礎,填補了國內(nèi)空白,對國內(nèi)M310機組乃至國際VVER機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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