乏燃料储存池冷却和净化系统简介

从堆芯卸出的乏燃料存放在具有冷却装置的乏燃料储存池内，排除乏燃料释放的热量。为了降低水的放射性强度和保持其透明度以便于各种水下操作，乏燃料储存池和换料水池的水必须净化，并保持规定的水质指标。

为满足单一故障准则，乏燃料储存池冷却和净化系统通常设置两个冷却系列和一个净化回路。每个冷却系列各设有一台冷却泵和一台冷却器，净化回路则设有两台净化泵和一套过滤和树脂床装置。乏燃料储存池水由冷却泵吸出经冷却器冷却后，大部分直接返回池内，小部分被净化泵吸出经过滤器及树脂床进行净化。净化泵的流量应使全部池水在一天内至少净化一次。乏燃料储存池须严防泄漏，并有大于自然蒸发损失的补水能力，以保持池中水位高于燃料组件3m以上。水池的各种接管均须高出正常水位，并设有防虹吸的断流设施。

系统的冷却能力要考虑停堆150h后1/3堆芯的衰变热和池内乏燃料组件最大储存量的衰变热，以及紧急停堆换料时一个全堆芯停堆150h后的衰变热，同时保持池水温度低于50℃(在高温季节，可投入两个系列来保证)。当系统发生能动部件单一故障时，池水温度也不得超过75℃。系统的冷却和补水部分均要求按核安全3级及抗震I类设计。

自1986年美国核管会颁发第一张乏燃料干式储存容器许可证以来,截止2012年底,国际上已经建立了存量接近4万吨的干式储存设施。

1、美国乏燃料干式储存应用状况

美国目前在运的核电机组有104座,共产生了约7万吨乏燃料,并以每年2千吨的速度递增。美国的乏燃料采用直接处置的政策,由于乏燃料及高放废物处置场建设计划推迟,核电厂必须自行解决乏燃料离堆储存问题。美国的乏燃料离堆储存采用干式储存的方式,目前有超过70%的核电厂建立了乏燃料干式储存设施。有约2万吨的乏燃料储存在或即将转移至干式储存设施中。

2、日本乏燃料干式储存应用状况

日本拥有50台在运核电机组,每年卸出约900吨乏燃料。日本核电厂产生的乏燃料主要存储在核电厂的乏燃料池中。由于乏燃料存储量已接近乏燃料池的容量,一些核电厂被迫增加存储能力,以避免乏燃料池的存储量超出储存能力。1997年东京电力公司的福岛第一核电厂建成了一个由20个金属储存容器组成的干式储存设施。日本原子能公司的东海2核电厂建造了容量为260吨(24个屏蔽容器)干式金属罐储存设施。

3、法国乏燃料干式储存应用状况

法国目前运行的核电机组有58台。法国在执行核能计划初期,由于自产的铀矿数量有限,为了提升法国能源的安全性,强调乏燃料是一种资源而不是废物,即采取乏燃料再循环利用策略。

法国仅建有一座乏燃料干式储存设施,用于储存法国原子能的重水研究堆产生的乏燃料,储存能力为180吨。

4、韩国乏燃料干式储存应用状况

韩国在运的核电机组有23台。到2007年底储存中的压水

堆乏燃料存量为4,327.53吨;重水堆乏燃料为5,092.33吨(其中2,425.68吨为干式储存,2,666.65吨为湿式储存)。除了部分重水堆乏燃料储存于Wolsong核能电厂内的干式储存设施外,其余均采用在核电厂内湿式储存。核能电力公司-韩国水力与核能发电公司所负责营运的压水堆电厂,由于厂区内空间不够,计划建设一个异地集中干式贮置场。

5、加拿大乏燃料干式储存应用状况

加拿大目前共有19台核电机组在运,堆型以重水堆为主。乏燃料目前暂贮在核电厂及中间储存设施中,目前统计有来

自22个核电机组及2个研究用反应堆所产生的42,000吨乏燃料。乏燃料从反应堆卸出后,先在水池中储存7年到10年,以降低其辐射热与放射性,之后再移转到干式中间储存设施中。

6、英国乏燃料干式储存应用状况

英国目前运行中的核电机组有16台。反应堆类型大多是先进的气冷堆,其产生的乏燃料在核电厂内短暂储存至少100天后,以铁路方式运到燃料处理厂进行储存与再处理。干式储存部分则仅有Wylfa电厂建设干式储存设施。英国乏燃料管理策略以往是采取再处理方案,然而在2009年公布的国家核能发电政策初稿中,新建造的核电机组将采取开放式燃料循环,乏燃料将长期储存100年后移至最终处置场存放。

7、我国乏燃料干式储存应用状况

我国目前在运核电机组17台。秦山三期核电厂(重水堆)为解决乏燃料的出路问题,参考其他CANDU堆的通用做法,在秦山三期核电厂区内选用加拿大AECL公司的MACSTOR-400型混凝土模块技术建造乏燃料临时储存设施。该设施计划建设18个QM-400乏燃料干式储存模块,已于2009建成了2个储存模块,并每隔5年建造2个模块。除此以外,国内其它机组还没有干式储存设施。

截至2012年底,国内已运行的核电机组有17台,总装机容量为1,36万千瓦,每年将产生300多吨的乏燃料,目前已累计产生4,489组乏燃料,至今已外运的有858组乏燃料。随着在建核电站的陆续投运,后续核电站乏燃料外运需求将更多。“十二五”期间,预计新产生乏燃料4,249组,需离堆储存的乏燃料将有576组;“十三五”期间预计将新增9,500组,需离堆储存的乏燃料将有3,200组左右;按照如今建设速度和规模,到2020年,累积产生的乏燃料将会达到14,000组以上。

根据我国在运核电站2011～2025年需要离堆储存的乏燃料统计共有约8,276组。我国现有的500吨离堆储存水池已经饱和无法继续接收乏燃料。正在西北扩建的800吨乏燃料水池,计划2013年底投入运行,可接收约1,600组乏燃料。“十二五”期间计划开工建设1,600吨储存水池,含400吨和1,200吨各一个,计划分别于2015年和2018年投运,可接收约3,200组乏燃料。“十三五”期间计划再建设一个1,200吨乏燃料储存水池,预计2020年投入运行,可以储存约2,400组乏燃料。如果进展顺利的话,我国离堆乏燃料储存水池2011～2025年预计总共可以储存6,956组乏燃料,尚有1,320组乏燃料的缺口,这部分乏燃料需要另想办法。如果后续离堆储存设施的建设进度跟不上,后期乏燃料外运与离堆储存的压力将会越来越大,这将影响到核电站的安全运行。

乏燃料干式储存是被国际经验证明更安全、灵活性更好的乏燃料储存方式,也更符合我国乏燃料离堆储存的现实需求。可以为我国后处理大厂引进和技术研发提供充足的时间缓冲。是乏燃料后处理未来发展的必然选择。同时乏燃料干式储存设施也将成为一个新兴的产业,市场潜力巨大。因此根据我国核燃料循环后端发展现状,有必要尽快开展我国乏燃料干式储存设施的研发和建设工作。

乏燃料干式储存技术早在上世纪80年代投入应用,至今已有30多年的应用历史,在技术上取得了很大的进步。纵观目前各国应用的乏燃料干式储存设备,主要可归纳分为金属容器式(包含储存式与储存-运输双功能式)和混凝土容器/模块式两大类，如图1所示。虽然金属容器和混凝土容器的设计、结构配置与特性不大相同,但作为乏燃料的中间储存设备,都需要满足下列要求:

(1)良好的辐射屏蔽,使环境辐射剂量低于规定限值。

(2)足够的结构强度,经受可能的天然及人为意外事件情况下均能确保结构的完整性和安全性并迅速恢复正常运转。

(3)良好的散热冷却,并确保整体机构的温度低于限值。

因此,乏燃料干式储存设备的生产商必须基于上述要求,结合具体的乏燃料参数及核电厂特性,有针对性的开发出不同型式的产品,并且需要通过环境安全、社会舆论与经济等各项评估。

1、金属容器

金属具有良好的导热性,能将乏燃料的衰变热直接由热传导散出。另外由于金属比混凝土的密度大,在相同的屏蔽效果上,金属容器的截面积与重量比混凝土的要低。因此金属容器除作为储存设备使用外,也常设计成多用途的容器,满足储存和远途运输的需要。

国际上金属容器式干式储存设备的供应商主要有GNS、Holtec、NAC、Transnuclear等公司。下面选几个有代表性的产品进行简单介绍:

(1)GNS公司的产品:GNS公司的CASTOR系列金属容器,针对不同的燃料及需求有许多不同的改良类型。CASTOR-440/84在容器的顶部、底部与周围都有一层中子吸收材料,并利用金属的包覆达到辐射屏蔽与结构安全的目的,燃料的热量则直接通过容器最外围的金属散热片导出。BAM曾对CASTOR容器进行一系列的跌落试验与分析,其中包含最严格的19.5m跌落试验,都能满足高标准的安全要求。

(2)Holtec公司的产品:Holtec公司的金属容器主要包括Hi-star100。Hi-star100容器具有储存及运输双功能。储存时垂直放置,运输时搭配减震器水平放置运输。容器结构主要分为三层,最内层为钢内衬,与燃料密封钢筒相邻,中间层为厚层钢板,用于屏蔽Gamma射线,最外层则用钢板薄壳包覆中子吸收材料。由于整体材质都是良好的导热材料,可以直接使用热传导的方式将燃料热量排走。

(3)NAC公司的产品:NAC公司的STC和S/T容器也具有储存及运输功能。STC与S/T两者之间的差别在于有无搭配密封钢筒。STC须搭配密封钢筒,燃料先装载到密封钢筒后,再置入储存容器中。S/T系列则没有密封钢筒,需将容器整体吊入装罐池进行装载。目前大亚湾核电站使用的乏燃料运输容器就是NAC-STC型容量。S/T系列则主要应用于乏燃料的中间储存。

(4)Transnuclear公司的产品:Transnuclear公司的TN系列金属容器,其顶盖使用螺栓式固定,此方式不需焊接,施工较简便,并具有较佳的耐候性。搭配减震器后,可用于运输。其侧面壁体配置有垂直方向的散热片,但此容器的中子屏蔽最外层再加一圈钢板包覆,使其整体外观为较规整,利于燃料装罐后去污工作。

2、混凝土容器

因混凝土是良好的辐射屏蔽材料,因此常被用作核废料储存结构。加上成本低、原料容易取得、制造技术及设备需求较简单等,受到普遍青睐。

目前国际上常见有GNS、Holtec、Transnuclear与NAC等厂家所生产的混凝土和混凝土模块干式储存容器,已广泛地为世界各国核电厂所使用。以下按不同公司生产的产品进行介绍:

(1)GNS公司的产品:CONSTOR系列混凝土容器属于钢板包覆式混凝土容器。是以重混凝土作为屏蔽和中子吸收材料。该容器为密封式的储存容器,因其使用重混凝土,能以较小的厚度达到相同的屏蔽效果,同时获得较佳的导热性,再搭配补强钢筋,可进一步提升容器强度及导热性。此外,由于重混凝土的使用使重量较轻,提高了可运输性也是CONSTOR系列容器的一个特色。但是重混凝土原料较难获得且成本较高,所以多数混凝土容器仍以普通混凝土作为主要材料,所以必须搭配对流散热机制才能达到良好的热量导出。

(2)NAC公司的产品:NAC公司产品有UMS、MPC与MAGNASTOR三种混凝土干式储存容器,都是被动通气式混凝土容器。其中MPC与UMS是同一系列产品,其容器设计大致相同。NAC公司为我国台湾乏燃料干式储存设备的技转厂家,台湾金山核电厂采用的是经改良的INER-HPS干式储存系统,便是自NAC的UMS系统进行局部修改而成。为再增加屏蔽效果及安全性,台湾采用的INER-HPS系统在容器外围又设置了一层厚350mm的混凝土屏蔽层。NAC公司考虑未来乏燃料储存将朝高容量与高燃耗的方向发展,储存设备需有更好的散热效果,于是改良研发出MAGNASTOR系统。除容量增加外,MAGNASTOR在设计上向改善容器外的辐射剂量及提升其散热功能方面着手。其进气口的设计较扁平,可减少进气口处的辐射剂量,容器内壁的钢内衬表面,鳍还设计许多垂直方向的状结构,以提高热对流效率。

(3)Holtec公司的产品:Hi-Storm 100混凝土容器,包含了钢板包覆式混凝土容器与通气式混凝土容器的设计,并结合上述二者的优点。钢板层内包覆普通钢筋混凝土,因采用钢板包覆式的结构设计,能避免内部混凝土遭受外界环境侵蚀,有较好的耐久性;又可提高储存容器的强度及耐震性。此外,外层钢板进行光滑处理及保护涂层,有利于除污工作。Hi-Storm100混凝土容器的进气口设计,利用底部曲折的混凝土间隙结构,作为热对流时的进气口,以避免辐射直接外溢。下方底座屏蔽与内壁体间,有环状间隙能让空气自进气口进入后流经底座屏蔽周围、容器内壁与密封钢筒的间隙,至排气口排出。