[科普中國]-乏燃料貯存

原因

乏燃料的比活度很高，還釋放大量的衰變熱，必須貯存一段時(shí)間待放射性和余熱降到一定程度后再進(jìn)行操作及處理。

時(shí)間按貯存時(shí)間長短乏燃料貯存有短期貯存——約幾個(gè)月至幾年、中間貯存——十幾年至幾十年和長期貯存三種。其中以中間貯存為最重要，它可以使后處理推遲幾十年，或?yàn)閷で蠓派湫詮U物的最佳最終處置方案爭取時(shí)間。

發(fā)展歷史世界上主要工業(yè)國正在研究各種類型的中間貯存裝置，有些已經(jīng)建成。自1942年建造第一座核反應(yīng)堆起便開始使用水池貯存。40余年來，貯存水池不僅在結(jié)構(gòu)和設(shè)備上有所發(fā)展，而且增加了泄漏監(jiān)測系統(tǒng)、池水清潔設(shè)備，設(shè)計(jì)了抗震的貯存格架，用密集貯存取代了普通貯存。經(jīng)驗(yàn)證明，水池貯存是安全可靠的。但水池貯存需要連續(xù)運(yùn)行和維修，并產(chǎn)生二次廢物，所以又發(fā)展了干式貯存。

到20世紀(jì)80年代，干式貯存已發(fā)展到了利用空氣自然冷卻的金屬屏蔽容器，直接貯存在地面的建筑物內(nèi)。

貯存方式按貯存方式乏燃料貯存有濕式貯存(水池貯存)和干式貯存之分。

濕式貯存由于世界上核電廠增加速度很快，而后處理能力很小，有些國家的現(xiàn)政策又不允許建立后處理廠，因此多年來各國對乏燃料濕式貯存采取了一系列的措施以增加貯存能力。例如改進(jìn)原核電廠的貯存水池，使用密集格架；將乏燃料組件拆成燃料棒再裝入鋼制容器中，貯存到水池中；按密集貯存方式新建和擴(kuò)建貯存水池等。

1、貯存水池

貯存水池有兩種結(jié)構(gòu)：

（1）在構(gòu)筑物內(nèi)建造內(nèi)襯不銹鋼的混凝土結(jié)構(gòu)貯存水池。水池內(nèi)分割成若干小水池，每個(gè)小水池均裝有貯存格架。水池之間有水閘門隔開。貯存水池設(shè)有冷卻、通風(fēng)、劑量監(jiān)測、泄漏監(jiān)測、 補(bǔ)水及裝卸料系統(tǒng)和檢査及修復(fù)等裝置。這種水池與后處理廠的相似，是核電廠內(nèi)水池最普通的形式。

（2）利用地下巖洞建造的貯存水池，瑞典的CLAB裝置即屬此類。該裝置由乏燃料接收、貯存及輔助廠房三部分組成。唯貯存水池建在巖洞中。巖洞長120m，寬21m，高27m，由整塊巖分割的四個(gè)水池組成。巖洞有防止外部沖擊的良好性能， 在內(nèi)部意外事故下也可隔離環(huán)境，從而使環(huán)境免受污染。

2、貯存格架

貯存格架有不含中子吸收材料和含中子吸收材料的兩種。前者利用乏燃料間的距離來控制臨界；后者將中子吸收材料制成方形孔道并依次焊在一起，底部與厚鋼板底座相連。底痤上開孔，以便水通過孔道冷卻乏燃料。

干式貯存干式貯存是核燃料循環(huán)后段過程中已得到積極發(fā)展的一種技術(shù)。干式貯存通常把乏燃料組件放置在封裝容器里（一般為碳鋼，也有不銹鋼如304L），容器周圍包裹著厚厚的鋼筋混凝土外殼，并留孔讓冷卻空氣流向容器壁，設(shè)計(jì)貯存期一般為40~60年。

干式貯存可采用貯存室技術(shù)、容器貯存技術(shù)和筒倉技術(shù)。對于干式貯存的分類，目前尚無一致意見，特別是容器貯存，有按使用材料來分為金屬容器和混凝土容器，有按立式和臥式來分類的，也有按用途來分類的，如貯存單用容器、貯存和運(yùn)輸雙用容器以及貯存、運(yùn)輸和處置三用容器。

典型的干式貯存裝置（容器、筒倉或混凝土容器、半地面的凹井或干井以及貯存室）都基于模塊式的概念。這意味著，在建造大容量的貯存裝置時(shí)可以避免大量的一次性投資。模塊的大小不受設(shè)計(jì)要求的限制，貯存裝置容易適應(yīng)今后乏燃料管理策略的改變。

干式貯存已經(jīng)達(dá)到了成熟階段，德國、瑞士、俄羅斯和美國都對幾種金屬容器的干式貯存做了試驗(yàn)，設(shè)計(jì)安全準(zhǔn)則都能得到滿足。干式貯存的一些新方案以及現(xiàn)有方案的各種不同的變體還處于開發(fā)之中，研究發(fā)展計(jì)劃的內(nèi)容包括：燃料損傷機(jī)理的研究、破損燃料棒行為的研究、安全有關(guān)問題的研究以及驗(yàn)證試驗(yàn)?？梢哉f在這一領(lǐng)域進(jìn)行的大量研究給出了下面的結(jié)論：在絕大多數(shù)情況下，干式貯存的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性都不存在嚴(yán)重的問題。

1、干式貯存室

在貯存室內(nèi)，乏燃料被置于大型的混凝土廠房內(nèi)，其外層是輻射防護(hù)層，內(nèi)層含有許多適合貯存乏燃料部件的凹處。乏燃料貯存在可容納一個(gè)或多個(gè)燃料組件的密封貯存金屬管或貯存筒。通過強(qiáng)制通風(fēng)或自然通風(fēng)，將貯存室系統(tǒng)內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移出去。在一些貯存室系統(tǒng)中，將乏燃料從燃料轉(zhuǎn)運(yùn)容器內(nèi)轉(zhuǎn)移到貯存鋼管內(nèi)。而在其它貯存室系統(tǒng)內(nèi)，乏燃料則保留在貯存容器內(nèi)，之后將燃料置于燃料轉(zhuǎn)運(yùn)容器內(nèi)，然后用起重機(jī)將乏燃料運(yùn)到貯存筒內(nèi)。這樣，貯存室系統(tǒng)通常也需要起重機(jī)或燃料處理設(shè)備。國際上一個(gè)很好的例子就是加拿大的MACSTOR系統(tǒng)。

2、干式貯存筒倉
在干式貯存筒倉系統(tǒng)中，乏燃料貯存在混凝土貯存筒內(nèi)，無論是垂直放置還是水平放置，貯存筒內(nèi)都配有金屬內(nèi)襯或獨(dú)立的金屬罐?；炷疗鸬捷椛浞雷o(hù)的作用，密封的金屬內(nèi)襯或金屬罐是安全殼。運(yùn)輸罐通常用于裝載乏燃料并將其運(yùn)往筒倉。空氣對流排出熱量。采用筒倉式貯存的國家有美國、加拿大、韓國、阿根廷、亞美尼亞共和國等。

3、干式貯存容器

在干式貯存容器系統(tǒng)內(nèi)，廠房外或廠房內(nèi)會建造一塊混凝土板。根據(jù)實(shí)際需要，添加大型貯存容器以貯存乏燃料。貯存容器起到輻射防護(hù)和安全殼的作用。最初建造設(shè)施的成本很小，裝載乏燃料之后，其運(yùn)行成本也很小，但貯存容器的總成本卻很大；因?yàn)槊總€(gè)貯存容器的成本與之前的成本基本一樣，但是如果貯存較多的燃料，其經(jīng)濟(jì)規(guī)模較小。對在堆設(shè)施而言，通常使用在堆燃料處理設(shè)備將乏燃料從水池中轉(zhuǎn)移到干式貯存容器內(nèi)。生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)出各種各樣的貯存容器，包括金屬和混凝土貯存容器（后者通常含有金屬內(nèi)襯）。原來，像貯存庫和筒倉一樣，貯存容器只用于貯存乏燃料。最近，一些貯存容器已經(jīng)過許可認(rèn)證，具有“雙重功能”，即貯存和運(yùn)輸乏燃料。繼續(xù)改進(jìn)貯存容器旨在實(shí)現(xiàn)“三重功能”，即貯存、運(yùn)輸和永久處置。

乏燃料貯存池1、用于貯存乏燃料、破損燃料以及對燃料逬行檢査、修復(fù)、運(yùn)輸?shù)人虏僮鞯膱龅?。乏燃料貯存池一般設(shè)置在 燃料廠房內(nèi)，有的核電廠乏燃料貯存池和換料水池均設(shè)置在安全殼內(nèi)。

2、從堆芯卸出的乏燃料，存放在具有冷卻裝置的乏燃料池內(nèi)，排出乏燃料釋放的熱量，為了降低水的放射性強(qiáng)度和保持其透明度以便于各種水下操作，乏燃料池和換料水池的說必須凈化，并保持規(guī)定的水質(zhì)指標(biāo)。

為滿足單一故障準(zhǔn)則，乏燃料池水的冷卻和凈化系統(tǒng)通常設(shè)置兩個(gè)冷卻系列和一個(gè)凈化回路。每個(gè)冷卻系列個(gè)設(shè)有一臺冷卻泵和一臺冷卻器，凈化回路則設(shè)有兩臺凈化泵和一套過濾和樹脂床裝置。乏燃料池水由冷卻泵吸出井冷卻器冷卻后，其大部分直接返回池內(nèi)，小部分被凈化泵吸出經(jīng)過濾器及樹脂床進(jìn)行凈化。凈化泵的流量應(yīng)使全部池水在一天內(nèi)至少凈化一次。乏燃料須嚴(yán)防泄漏，并有大于自然蒸發(fā)損失的補(bǔ)水能力，以保持池中水位高于燃料組件3米以上，水池的各種接管均須高出正常水位并設(shè)有防虹吸的斷流設(shè)施。1

貯存技術(shù)的特點(diǎn)由于乏燃料通常先在反應(yīng)堆水池內(nèi)貯存一段時(shí)間，然后才轉(zhuǎn)移到乏燃料中間貯存設(shè)施，在初始貯存期間，放射性核素的數(shù)量、輻射場的強(qiáng)度和衰變熱的產(chǎn)生量都將大大地降低，這就使得在乏燃料中間貯存設(shè)施內(nèi)導(dǎo)致事故的各種條件的形成過程相對變慢，在它們達(dá)到極限條件之前可以有足夠的時(shí)間采取糾正行動(dòng)。

因而，乏燃料轉(zhuǎn)運(yùn)和貯存操作無需依賴于復(fù)雜的能動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)。這樣乏燃料干式貯存設(shè)施可由非能動(dòng)的系統(tǒng)組成，能在幾十年內(nèi)提供充分的安全特性，有關(guān)乏燃料的運(yùn)轉(zhuǎn)和貯存操作也變的相對簡單。相對于需要水池的濕法貯存，采用干式貯存乏燃料具有許多優(yōu)勢。

1、干式貯存不需要使用貯存水池燃料貯存容器能夠承受較大的沖擊和溫度變化技術(shù)相對簡單干式貯存設(shè)施建造成本低非能動(dòng)性質(zhì)，運(yùn)行、維修費(fèi)用低模塊化建造，容易擴(kuò)容結(jié)構(gòu)比較方便與運(yùn)輸?shù)慕涌诓僮鳌?/p>

2、非能動(dòng)冷卻式干式貯存裝置由于設(shè)備（泵、壓縮機(jī)等）需求少，所以它的維修量少而且可靠性高。

3、可能在很少或沒有腐蝕問題的情況下進(jìn)行長期貯存以及對操作人員和環(huán)境相對小的輻射劑量退役時(shí)，問題要少得多產(chǎn)生的二次廢物最少有可能把它作為乏燃料最終處置的一種方法。

4、技術(shù)可靠、環(huán)境安全、二次廢物少、總費(fèi)用低、建造周期短、操作簡單、便于管理。1

與長期貯存相關(guān)的問題與長期貯存相關(guān)的問題如下：

1、貯存后運(yùn)輸

貯存乏燃料的雙重用途金屬桶將在臨時(shí)貯存后運(yùn)輸。金屬桶的運(yùn)輸許可證應(yīng)根據(jù)國家的情況5年重新申請一次。許可證重申可能需要求乏燃料和桶元件完整性檢查。金屬桶貯存期間不會打開檢查，因而應(yīng)提供可選擇的檢查措施。

在制度上，運(yùn)輸許可證應(yīng)滿足運(yùn)輸時(shí)的運(yùn)輸規(guī)定。有些國家在貯存后金屬桶運(yùn)輸許可證重申方面存在問題。國際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)在2009年版的放射性材料安全運(yùn)輸規(guī)定(TS-R-1)中，規(guī)定了允許使用1973年和1985年版規(guī)定認(rèn)可的桶的過渡性措施。確實(shí)不允許使用依照舊版本規(guī)章所設(shè)計(jì)制造的桶。在未來也可能不會使用依照現(xiàn)行規(guī)章設(shè)計(jì)和制造的乏燃料運(yùn)輸/貯存桶，除非桶能夠滿足未來的規(guī)章。

2、大容量貯存

在乏燃料貯存之初，臨時(shí)貯存可能在反應(yīng)堆應(yīng)急疏散中起了一定作用。雙用途桶(運(yùn)輸/貯存)是一項(xiàng)滿足初始貯存需求的好措施。大多數(shù)國家已經(jīng)選擇金屬桶貯存和混凝土桶貯存法。但是，不久之后，可能需要更經(jīng)濟(jì)的貯存法?，F(xiàn)在正在探索大容量貯存設(shè)施，將來可能會更有用處。

大容量桶或金屬罐是這些需求的早期解決方案。這使得設(shè)計(jì)使用加壓氦氣和鋁吊籃以增強(qiáng)乏燃料有效除熱的金屬罐成為可能。2