汉福特场区反应堆安全封存分析

王海良

（中核四川环保工程有限责任公司，四川 成都 610006）

汉福特场区反应堆安全封存分析

王海良

（中核四川环保工程有限责任公司，四川 成都 610006）

美国汉福特场区的9座生产堆（B、C、D、DR、F、H、KE、KW和N）属于天然铀石墨水冷堆。1993年，美国能源部决定将8座生产堆（B堆除外）进行中间安全贮存（封存），封存期为75年；B反应堆作为历史博物馆永久保存，并向公众开放。截至2013年，美国已先后成功完成C、F、DR、D、H、N反应堆的安全封存，KE、KW堆的安全封存将在随后几年完成。文章以C反应堆的安全封存为例，介绍了反应堆安全封存的实施等内容。

汉福特场区；生产堆；退役；中间安全贮存；安全封存；堆本体

大型石墨生产堆退役技术复杂，工程实施难度大，有些关键技术还没有得到解决，这对反应堆退役策略选择构成了制约，在没有可靠的技术和配套的放射性废物处置能力的前提下，大型石墨堆退役会采取延迟退役策略，从反应堆关闭到最终拆除需要几十年甚至更长时间，在此过程中需要使反应堆处于安全状态，可能需要对堆本体进行安全贮存（封存）。对于石墨反应堆，一些国家进行了石墨堆芯拆除（拆下来的石墨处于暂存中），也研究了一些石墨处理技术，但到目前为止，尚没有工程规模的石墨处理设施及石墨处置设施，所以对于大型石墨生产堆，是否对反应堆进行拆除仍需严格论证，对堆本体进行封存，使其处于安全贮存状态可能是无奈的选择，美国汉福特就对石墨生产堆采取中间安全贮存的策略，本文以汉福特的C反应堆为例，介绍汉福特场区天然铀石墨水冷生产堆安全封存的实施以及安全封存期间的监护。

1 汉福特场区生产堆退役概况

1.1 生产堆运行概况

汉福特场区建于第二次世界大战期间，为美国能源部所有。场区内建有9座天然铀石墨水冷型生产堆，分别是B、C、D、DR、F、H、KE、KW和N。其中，N反应堆具有双重功能，除生产钚外，还利用蒸汽发电，其余8座生产堆则主要用来生产军用的钚。9座生产堆建于1942—1955年，于1943—1987年陆续运行（见表1）。

1.2 生产堆退役情况

8座生产堆（N堆除外）在设计、建造方面十分相似。停堆后，卸出了8座生产堆内的燃料，将所有的放射性材料从反应堆区域移走。同时，在短期安全贮存期间，对运行系统进行了去污和常规辐射调查。1976年，开始对8座生产堆及其相关的辅助设施进行退役。经过分析对比，1993年，美国能源部决定对8座生产堆采取安全封存75年后延期整体移至位于西区的处置设施进行处置的退役策略。首先将8座生产堆中的5个（C、D、DR、F和H）进行安全封存。余下的3座反应堆中，B反应堆作为历史文物永久保存下来，向公众开放，KE和KW将作为随后两个进行安全封存的反应堆。2010年，美国能源部决定拓宽8座生产堆原有的退役策略，在保留原来安全封存75年后，延期整体移走的退役策略基础上，增加立即拆除的退役策略[1]。

1996年，C反应堆被选为第一个反应堆进行安全封存。两年后，即1998年，完成了C反应堆的安全封存。在吸收借鉴C反应堆安全封存技术和经验的基础上，DR、F、D、H和N反应堆分别在2002年、2003年、2004年、2005年和2012年完成安全封存。KE、KW反应堆的安全封存将于随后几年完成。

表1 汉福特场区9座生产堆运行历史Table1 Operation history of nine production reactors at Hanford site

2 安全封存的实施

2.1 C反应堆物理描述

反应堆厂房为钢筋混凝土和混凝土块构筑，大小为105.5 m×47.5 m×36.6 m。反应堆本体周围的下层为钢筋混凝土墙壁，厚度为0.9～1.5 m，而堆本体上层则为轻混凝土或波纹石棉，屋顶则主要为预制混凝土板。除堆本体外，反应堆厂房混凝土总体积约为330 m3。反应堆厂房内包括堆本体、反应堆控制室、乏燃料卸料区、燃料贮存池、通排风系统、惰性气体系统、冷却水系统、辅助办公室、车间和实验室。

堆本体是反应堆厂房的主要部分。在石墨慢化砌体中，石墨块呈十字交叉形放置，中间插入工艺管、控制棒和其他设备，石墨砌体安装在铸钢联锁块构筑而成的厚度为8～10 in的热屏蔽中。反应堆每个热屏蔽都含有重量约为91 t的铅。热屏蔽外包围着钢和纤维制的厚度约为40～83 in的生物屏蔽。生物屏蔽为堆本体总重量的50%。堆本体顶部和四周包围拱形的钢制外壳，外壳对堆本体的贯穿件有气封。堆本体放置在一个大型的混凝土地基上，堆本体重达8 100～11 000 t。堆本体和地基之间有一个厚度为0.635 cm的钢制隔膜板，将二者隔离开来。控制棒水平穿过堆本体，安全棒则垂直从本体顶部穿过。一旦发生紧急情况，应急关闭系统中的钢棒和硼棒就会掉入安全棒管，使反应过程中断。工艺管则水平从前面穿到后面。

2.2 C堆安全封存的工作内容

C堆安全封存工程包括拆除燃料贮存槽、燃料检验设施、辅助厂房以及反应堆屏蔽墙外包围反应堆的所有构筑物部分。在厂房外顶部安装钢墙板，余下的构筑物上安装一个新的钢屋顶，利用现有的屏蔽墙（0.9～1.5 m厚度的钢筋混凝土）作为厂房新的外围墙，将反应堆包围起来，防止其受天气影响。封堵屏蔽墙的贯穿孔，防止动物、昆虫入侵或水渗入，最终安全封存结构。屏蔽墙内的松动沾污部件需拆除或者尽可能固定。为支持监测和监护活动安装一个带有永久照明和通风换气的远程监测系统。反应堆保留一个入口，门被焊接关闭，便于对设施进行定期检查（每5年一次）。

2.3 C反应堆安全封存的实施[2]

（1）安全封存的准备工作

为了开展反应堆安全封存前的退役去污工作，需进行前期准备工作，包括建立控制区，出口/入口通道，项目办公室和人员工作辅助设施，应急站，电源照明系统、通信、消防、HEPA过滤和厂房报警系统。

（2）退役和拆除

为提高退役和拆除效率，C反应堆厂房被划分为两个单元：单元I和单元Ⅱ。单元I包括屏蔽墙外的部分设施，大部分都需要退役、拆除。单元Ⅱ包括屏蔽墙内的所有部分，部分要清除的不必要设备以及由屏蔽墙和屋顶形成的用以保护堆本体的安全封存设施。单元Ⅱ内的设备设施将处于安全封存状态约75年。单元再划分为区，区再划分为室。最初的退役去污，首先需要减少一切危险物质，然后对部件或构件进行去污，直到能够进行拆除。

（3）安全封存结构的构建

1）屋顶结构

C反应堆安全封存前，厂房主要是钢筋混凝土、结构钢和石棉水泥板结构。经过研究和对比，C反应堆安全封存屋顶采用钢梁托架的不锈钢板。利用现成的屏蔽墙作为支撑结构的主要部分，屋顶形状设计为倾斜形，该结构不但适合屏蔽墙结构，而且可避免雨雪对屋顶的影响。

新的屋顶由预制钢托梁和带一个不锈钢板金属屋顶板的刚托梁支架组成，不锈钢金属屋顶板使用寿命长且不需太多维护。屋脊沿着内部屏蔽墙呈北南方向，屋脊东面屋顶的坡度为3∶12，西面为12∶6。屋顶与屏蔽墙顶部间的开口区使用与屋顶相同的材料封闭。屋顶固定在屏蔽墙顶部。为了防止污染扩大、动物入侵以及便于将来一次性移走堆本体，堆本体采用类似热收缩膜的材料密封起来。密封堆本体前，使用螺栓将安全棒拧紧固定。

2） 屏蔽墙结构

屏蔽墙为钢筋混凝土结构，位于连续底座上，厚度为1～1.25 m不等，地基在厂房地面下约5.2 m。反应堆顶部的现有房间由屏蔽墙支撑，屏蔽墙周围和上方不必要的结构需拆除，从而减轻屏蔽墙负担。同时，屏蔽墙需进行部分改动，包括封闭开口、密封贯穿孔、在穿过内部屏蔽墙的第一层设立一个工作人员入口。此外，在屏蔽墙外围包覆一层保护涂层。

3）开口和贯穿孔的密封

作为反应堆去污退役工作必不可少的重要组成部分，屏蔽墙外部的所有结构需拆除。由于管道、排风管、门、工艺管等的拆除，屏蔽墙上产生了许多开口和贯穿孔。屏蔽墙上的所有开口可分为两类：一类是小开口，如管道和线路贯穿孔；另一类是大开口，如HVAC管道、门、人行道、燃料运输区开口等。为了反应堆安全封存，这些开口需进行封闭，贯穿孔需密封。

对于小开口，可采用消防塞、焊帽、泡沫法密封。消防塞密封最适合直径为100 mm以下的开口。焊帽方法是密封直径超过50 cm的较大管道的最佳选择。泡沫密封方法适用于大小不一的开口密封且成本低、质量高。已有应用技术中，硅泡沫密封是最佳的，因为该技术具有易安装、零泄漏、抗紫外线和辐射、无毒等优点。

对于屏蔽墙上的大开口，如HVAC管、门、人行道、管道、燃料运输墙洞等，最佳选择方法是使用混凝土块密封。

汉福特场区供水管线与安全封存设施是相互分离的，所有的下水道管、管沟、潜水箱都已被堵塞住。

C反应堆已经停堆多年，作为停堆和去污的一部分，液体已经尽可能排除干净。检查管道系统的低端，确保无任何液体流出。作为安全封存的一部分，厂房内已污染的管道系统，如气体管和工艺流管，已经进行密封，因此，在安全封存监护期间，不会出现液体。地面排水沟已进行密封，在安全封存设施内没有下水道。

4）安全封存监测维护系统

① 电源照明系统

电源照明系统主要是为安全封存准备工作和安全封存后的监测维护检查提供电源，负载包括室内和室外照明，厂房参数控制和监测系统（CMS），插座，安全封存设施通风（送风和排风机）、安全封存设施公用室的采暖和通风。电源照明系统相关的所有设备都放置在安全封存设施外部，从而允许工作人员无需进入安全封存设施便可进行维护工作。

② 控制和监测系统（CMS）

完成相应去污和退役后，整个设施将置于安全封存状态。只有当进行监护检查和维护活动时，才进入安全封存设施。为了持续监测和控制安全封存设施，采用一个整合本地传感器、信号传输以及远程控制和监测功能的控制和监测系统（CMS），CMS主要负责提供安全封存设施的监测和控制参数，控制和监测系统的功能主要是通过监测主要的厂房参数来确认安全封存状况；同时，为工作人员进入密封设施进行监护检查弄清楚密封情况。

探测装置包括传感器和摄像机。传感器由压力计、热量探测器和流量装置组成。摄像机带有遥摄和移动功能，可以拍摄到工作区前方、后方；仪器实验室；内部控制棒室、安全棒室和管道，从而在两次监视（护）检查之间监测到安全封存设施内部的情况。一旦安全封存设施内产生温度升高警报，提示可能有火灾发生时，该探测装置能够立即做出诊断。此外，安全封存设施内部一些重要部位的墙上安装有固定的摄像机，用以监测安全封存的状况。

所有传感器和摄像机都与安全封存控制间的CMS仪器盘连接。CMS仪器盘与远程监测站之间通过适合中程数据传输的微波传输进行通信。远程控制监测站的远程监测系统采用可编程序逻辑控制器（PLC）监测技术。

3 反应堆安全封存期间的监护活动[3]

C反应堆安全封存期间的主要活动便是对安全封存设施进行定期监测，从而确保结构完整，限制危险物质向环境泄漏，保护环境和公众。C反应堆安全封存属于所需维护最少的设施。每隔5年定期对可进入的内部区域进行监测，检查设施的状况。监测的频率可根据后续的检查历史做出相应的调整。非常规监测活动包括监测设备和厂房必要的检修。C反应堆厂房屋顶和建筑结构的外部检查每年一次，屋顶入口无需检查，除非需要维修。需从厂房地面对屋顶进行外观检查，防止出现任何潜在的功能退化，如防雨板松动等。

C反应堆安全封存属于去活化设施，需保持监护直到最终退役完成。有计划性的监护活动包括：保持结构完整、屏障和设置标杆、放射性调查、限制系统和结构部件的检修、危险物质的移除。

4 结束语

2003年，工作人员进入汉福特场区C反应堆安全封存设施进行第一次5年常规检查。检查发现，反应堆仍保持着安全封存时的状态，没发生任何变化。美国汉福特场区反应堆安全封存的成功实施表明：反应堆安全封存创建了一种安全环保的安全结构，同时还大大减少了监测维护成本。我国生产堆退役是否要采取与汉福特8座生产堆退役相同或相似的策略，如果要对堆本体进行封存，封存年限为多长，如何进行安全封存（例如封存前厂址的准备，封存结构的构建，封存期间的监护等），对这些课题宜尽早进行系统研究，制定计划并实施解决所涉及的技术和管理问题。

[1] Federal Register/Vol. 75，No. 141/Friday，July 23，2010/Notices.

[2] Engineering and Planning for Reactor 105-C Interim Safe Storage Project Subcontract No.0100C-SC-G0001 Conceptual Design Report[R]. BHI-00537，Volume 1，Rev. 0，Bechtel Hanford，Inc.，Richland，Washington，1996 .

[3] Surveillance and Maintenance Plan for the 105-C Reactor Safe Storage Enclosure[R]. DOE/RL-98-44，Rev. 0，United States Department of Energy，Washington，1998.

Analysis of the Interim Safe Storage of Reactors at the Hanford Site

WANG Hai-liang
(Sichuan Environmental Protection Engineering Co.，Ltd.，CNNC，Chengdu of Sichuan Prov. 610006，China)

The nine production reactors, i.e. B, C, D, DR, F, H, KE, KW and N, at the Hanford site are all water-cooled and graphite-moderated reactors with natural uranium fuel. In 1993, the U.S. Department of Energy (DOE) decided to put eight production reactors (except for B) into Interim Safe Storage (ISS) for 75 years followed by deferred one-piece removal. Reactor B will remain as a national historical landmark. By the end of 2013, six reactors C, F, D, DR, H and N had been successfully put into the ISS. Reactors KE and KW will be put into the ISS in the coming years. Taking reactor C as an example, this paper mainly talks about how to put the production reactors in the Interim Safe Storage, e.g. how to make site preparation, how to construct the safe storage enclosure (SSE) and how to perform surveillance and maintenance during the ISS period, etc.

Hanford site；production reactor；decommissioning；interim safe storage (ISS)；safe storage enclosure；reactor block

TM623 Article character：A Article ID：1674-1617(2014)03-0275-05

TM623

A

1674-1617(2014)03-0275-05

2014-05-07

王海良（1964—），男，河北文安人，高级工程师，从事退役治理管理研究。