乏燃料离堆湿法贮存技术方案比选浅析

乏燃料离堆湿法贮存技术方案比选浅析

申亚丽1   李莉1   詹宇鹏2

1.中国核电工程有限公司 2.中国国际工程咨询有限公司

引言

由于核能相比其他能源具有高能量密度的显著优点，世界各国都在积极推进应用核能。乏燃料后处理是核燃料循环体系的关键环节，也是核能可持续发展的重要保障,我国核电事业的蓬勃发展，乏燃料的堆积量逐年攀升，已建成运行的乏燃料中间试验厂处理能力远远不能匹配乏燃料的产量，近些年国内后处理工业示范项目也在紧锣密鼓建设［1］，但其处理能力仍然与乏燃料产量间有较大差距。

核电站卸出的乏燃料的处置方式一直被视为核工业的关键一环。核电站卸出的乏燃料先贮存在核电站的乏燃料贮存水池中，由于在堆乏燃料贮存水池容量有限，乏燃料贮存一定时间后需从核电站运出。最终出路有两种：一是开式循环，乏燃料直接进行最终处置；二是闭式循环，进行乏燃料后处理。从上世纪80年代，我国就确立了“热堆-快堆-聚变堆 ”三步走的核能发展战略，明确采用核燃料闭式循环技术路线，即乏燃料必须进行后处理［2］。跟据我国核电发展规划以及目前核电厂乏燃料贮存、后处理现状，我国的乏燃料离堆湿法贮存能力远远不能满足乏燃料的离堆贮存需求。因此初步计划将在2035年左右建成第一座千吨级的商用大型乏燃料后处理厂，该厂配套贮存容量不低于3000tHM的湿法乏燃料接收与贮存设施，以满足我国主流压水堆核电站连续稳定运行的需求。

大型后处理厂中，乏燃料操作及转运是主要组成系统，是后处理工艺始端，是实现核燃料闭式循环的关键环节。乏燃料操作转运处理能力直接决定着后处理工厂的生产能力，转运方式的选择直接影响生产能力。乏燃料在后处理前一般采用离堆湿法贮存方式，湿法贮存主要分为格架贮存与吊篮贮存两种技术路线。本文开展格架贮存与吊篮贮存方案的比选分析，给出大型乏燃料后处理厂贮存方式的工艺方案建议。

1. 国内外发展现状

世界上大多数的乏燃料仍采用湿法贮存，其中包括核电站厂址内的贮存水池以及一些离堆大型湿法贮存设施。目前全球大型商业后处理厂有：法国的阿格厂、英国的塞拉菲尔德乏燃料后处理厂、俄罗斯的RT-1厂、日本的六个所后处理厂等。目前我国的后处理厂借鉴了成熟的核电站乏燃料操作工艺，使用固定式镉乏燃料贮存格架湿法贮存，采用针对单根燃料组件进行操作的工艺流程，接收的乏燃料直接通过吊运并贮存在贮存水池的乏燃料贮存格架内，单日处理量较小。从国外后处理厂分析研究可见，后处理生产能力关键在于首端连续流程技术，乏燃料操作、贮存、转运设备设施必须配套建设。按照大型乏燃料后处理厂千吨级的处理量测算，每天需要处理约9~12根乏燃料组件，若还用原来的贮存格架贮存方式，则需要门桥吊车每天转运9~12次乏燃料组件，单根组件转运的时间较长，操作人员工作强度大，且随着转运次数的增加，发生跌阔安全风险相应增加。目前后处理厂乏燃料组件为操作对象模式很难达到大型后处理厂处理能力要求。

我国中试厂和示范厂、日本六个所采用的是格架贮存，法国阿格厂采用的是吊篮贮存，英国的THORP厂采用的是吊篮与格架结合的方案。主要的设计原则是：便于乏燃料冷却，临界安全，确保地震负荷下次临界安全和结构的完整性。格架（或吊篮）的栅距保证临界安全，采用中子增殖系数keff≤0.95给出临界安全裕度。乏燃料贮存水池设计成在正常和最大可信事故条件下保持总的次临界状态。

2. 吊篮贮存方案与格架贮存方案对比分析

大厂乏燃料接收与贮存设施的主要功能是接收与贮存核电站运来的乏燃料，在设施内接收与卸料后在贮存水池内贮存，贮存一定的时间后上料至首端处理设施进行后处理。而乏燃料的接收、卸料以及乏燃料的上料等技术路线的确定与乏燃料的贮存方式直接相关，本文分别对格架贮存和吊篮贮存两种技术路线以及其相应的转运方式进行技术路线选型，并对两种贮存方式下确定的技术路线进行对比分析。文中分析得出的技术路线可以为后续我国后处理大厂的乏燃料接收与贮存设施的设计和建造提供技术参考。总体技术路线选型的逻辑关系如图3-1所示。

图1 总体技术路线选型逻辑关系图

2.1格架贮存技术路线及选型分析

贮存格架的结构材料，通常有碳钢、铝、不锈钢和含中子吸收材料（硼、镉）的不锈钢等，它们都具有良好的工作性能。贮存格架的设计是根据临界安全计算确定的栅距的排列尺寸，从而决定贮存密度。为了得到较高的贮存系数，通常采用含中子吸收材料的不锈钢作为格架的材料。例如核电站受空间限制，在堆水池的体积较小，为了增大乏燃料的贮存密度，采用了含镉、硼铝中子毒物的不锈钢格架，或采用含硼不锈钢格架，含硼不锈钢的栅距为280mm时，可得到5~6tHM/m2的贮存系数。图2为一种乏燃料套筒式贮存格架示意图。

图2套筒式贮存格架示意图

核电站在堆水池的临界计算，大部分国家采用“保守计算原则”，即按未经入堆的新燃料元件235U的可能最高加浓度4.5%来计算贮存水池的临界安全。美国从1

981年提出“燃耗信任制”的概念，即临界计算应考虑到乏燃料裂变材料的种类和燃耗深度。由于按照乏燃料的实际燃耗值计算得到的格架栅距，比采用保守计算方法得到的值相应减小，因此可提高水池单位面积的贮存能力。

按照3000tHM贮存容量进行水池布置方案，采用燃耗信任制的两种硼铝贮存格架所占用的水池面积及贮存容量基本一样，而未采用燃耗信任制的镉贮存格架占用的水池面积约为硼铝格架所占用水池面积的1.5倍，对于厂区总图布置以及土建、设备投资等均不占优势，因此，我们考虑采用燃耗信任制设计的硼铝贮存格架作为本方案的贮存格架，硼铝贮存格架显著的增加了水池的贮存密度，提高了贮存的经济性，暂选8×10型的硼铝贮存格架进行方案设计。与首端的接口设置两条水道，水道均设置有水下转运小车及转运吊篮。

2.2吊篮贮存技术路线及选型分析

在容器卸料过程中，燃料被放置在叫做吊篮的特殊的容器里。吊篮能够装载9到16个燃料组件。根据不同燃料组件的几何结构，可以使用几种不同类型的吊篮。图2-3专用贮存吊篮示意图。它们能够获得最优化的贮存容量。

图3为一种乏燃料套筒式贮存格架示意图

吊篮贮存技术的应用以法国为代表，也是一项成熟的、可应用于大型乏燃料湿法贮存设施的贮存技术，在设施整体技术路线的设计上与格架贮存技术既有共同点，又在乏燃料的转运等工序上存在区别。乏燃料的贮存采用单水池贮存方案，设置一个贮存水池，可以贮存不少于3000tHM的设计基准AFA-3G乏燃料组件，采用吊篮贮存技术路线，单台贮存吊篮可贮存9根乏燃料组件。采用吊篮贮存时，与首端的接口也设置两条水道，水道均设置有水下转运小车，只不过这时直接转运贮存吊篮。

2.3贮存技术方案对比

分别对格架贮存技术和吊篮贮存技术进行了技术论述，贮存对象为AFA-3G乏燃料组件，采用单水池贮存形式，贮存容量为3000tHM，与卸料端和上料端的接口形式均采用短水道连接形式。采用两种贮存两种贮存方案的比较如下表1所示。

表1两种贮存方案的比较

两种贮存技术路线下，采用的关键设备的最大差异主要是乏燃料贮存设备的不同而导致的乏燃料接收以及转运设备带来的差异。通过表3-2中对两种贮存方案的比较可以看出，在乏燃料贮存量基本一致前提下，整体池水体积约为格架贮存的1.5倍，格架贮存的贮存密度是吊篮贮存的2.2倍，效率约提高6倍。而吊篮贮存池水深度比格架贮存的池水深度降低了3.7m，单次转运的组件数量是格架贮存的9倍。

对于格架贮存和吊篮贮存，二者均可以满足技术指标要求的乏燃料贮存容量的需求，而不同的贮存方式对相关接口设备的要求不同。采用吊篮贮存时，相应的吊车需要配置既可抓取乏燃料又可抓取贮运吊篮，贮运吊篮在水下贮存及在小车上转运时均有较高的抗震要求，需要在小车上设置导向及相应牢固结构结构满足抗震要求。对于吊篮贮存方案，在水下吊车整体上一次吊运装载组件的吊篮，与格架贮存相比，由于不需要将组件吊出超过最贱运输层一定高度才能转运，故吊篮方案水池深度更低，且一次性转运效率高，在操作吊车和转运小车运行速度相同的前提下，用吊篮从卸料池转运9组组件至贮存池，扣除吊篮开关盖时间，效率保守估计可提高6倍左右，用小车转运贮运吊篮向首端上料时也是一次9组，同样，效率保守估计可提高6倍左右，对转运小车的使用频次降低8倍。从整体上来看，吊篮方案兼顾乏燃料组件贮存及转运功能，转运时不需要将乏燃料组件提高到吊篮外，所需的水池深度小于格架方案，贮运吊篮有贮存吊篮功能同时还具有乏燃料转运的功能，灵活性更强，在相同转运任务的情况下整个流程上发生跌落风险低优点。

3. 结论及建议

格架贮存能够适应更加复杂的地震工况、减小了起吊装置的复杂性、降低了传统转运方式乏燃料转运装置的长距离组件转运风险，但是准运效率低，很难达到大型后处理厂处理能力要求。而吊篮贮存方案，水池中深度更低，且一次性转运效率高，极大降低了设备损耗及跌落安全风险，贮运吊篮有贮存吊篮功能同时还具有乏燃料转运的功能，灵活性更强；建议采用吊篮贮存及吊篮转运方案，极大提高效率，对于吊篮抗震性问题，建议增设定位结构，满足抗震要求，要比搁架贮存及搁架转运更有优势。

参考文献

［1］张琦.关于加快发展核电站乏燃料后处理的建议[J].中国能源，2019,41(1):44-47.

［2］刘敏，刘洪军，石磊，等.我国压水堆核电站乏燃料离堆贮存的规划研究[C]//中国环境科学学会2019年科学技术年会：环境工程技术创新与应用分论坛论文集，2019:764-768.