球墨铸铁高完整性容器HIC发展现状与性能要求分析

李馨楠

摘要： 本文介绍了球墨铸铁高完整性容器的国内外发展现状和适用标准。从球墨铸铁高完整性容器所处环境和所需功能的角度，对材料的抗腐蚀性能、化学成分、力学性能等几方面进行了分析。本文对球墨铸铁高完整性容器的设计具有一定参考意义。

Abstract： This paper introduces the domestic and international development status and applicable standard of ductile iron high integrity container. The corrosion resistance， chemical composition and mechanical properties of the materials are analyzed from the view of the environment and required function of the ductile iron high integrity container. This paper has a certain reference significance for the design of ductile iron high integrity container.

关键词： 高完整性容器；球墨铸铁；低、中水平放射性废物

Key words： high integrity container；ductile iron；low and medium level radioactive waste

中图分类号：TG163 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）16-0228-03

0 引言

当今世界，核科学技术发展已进入新阶段，同位素和核技术的应用更加广泛深入，核能已成为解决当前世界能源危机的重要途径之一，很多国家已将其列为重点发展的能源。核能的开发和利用给人类带来巨大的经济效益和社会效益，同时也产生了大量的放射性废物。如何安全有效地包装、运输、处置放射性废物，使其最大限度地与生物圈隔离，已成为核工业、核科学面临的日益迫切的重要课题，也是影响核能持续健康发展的关键因素[1]。

早在20世纪七十年代，高完整性容器的概念已被美国、法国和德国等国报导。如德国NUKEM公司研究了一种将放射性废物超浓缩（过饱和）后直接浇灌注入球墨铸铁容器的废物容器[2]，冷却后即形成盐饼，因不需要任何的固化、固定，其减容因子大大提高，也节省了相应的系统投资和运行费用。这种球墨铸铁容器可在近地表处置条件下保持300年以上的完整性，故称为高完整性容器或高整体容器（High Integrity Container）[3]。

高完整性容器之所以要求安全使用寿命在300年以上，是由于核电厂低、中放废物中含有需要考虑的、较长寿命放射性核素，主要是137Cs和90Sr。它们的半衰期（T1/2）都在30年左右，经过十个半衰期时间的衰变，所装废物的放射性活度便可降至原有活度的0.1%以下，在正常情况下，不再会对人类和生物环境造成明显的影响。同样，在美国的核电站，使用一种高分子聚合物容器，来盛装低放的过滤器实心饼和散装的离子交换树脂粉末，他们不需要先行固化和固定作业。这种容器也能保证长期的完整性，也是一种高完整性容器。在上世纪八十年代，法国也开发了一种钢纤维混凝土容器，据报道也可以达到300年以上的寿命，并被法国核安全局授予了许可证。

采用高完整性容器盛放和处置放射性废物，不仅可以大大减少最终放射性废物的体积，而且明显提高放射性废物贮存和处置的安全性。因此，我国在核电厂放射性废物管理中纷纷引进、开发能够满足贮存和处置放射性废物需要的高完整性容器。

1 球墨铸铁高完整性容器发展现状

1.1 球墨铸铁容器国内发展现状

我国球墨铸铁容器的研究集中在乏燃料运输容器方面，该工作始于上世纪八十年代中期。1986年，哈尔滨科技大学、齐齐哈尔第一机床厂和核工业第二研究设计院（现中国核电工程有限公司）共同合作，着手进行球墨铸铁乏燃料运输容器的研制工作。容器采用厚大断面球墨铸铁为主体结构和屏蔽材料。这种以球墨铸铁为主要屏蔽和结构材料的乏燃料运输容器的设计和研究在我国尚属首次。

经过对球墨铸铁化学成分、铸造工艺的实验室摸索和生产条件下的大型模拟试验，制定出容器用球墨铸铁合理的化学成分和铸造工艺。试验容器制造完成以后，进行了严格的检查和试验，如图1所示。容器各项指标均符合器技术条件以及GB11806《放射性物质安全运输规定》[4]。

球墨铸铁乏燃料运输容器属于单一壳体材料的容器，容器整体性好，材料费用少，制造成本低，不需要其他屏蔽材料。其加工较容易，制造周期較短，有其他类型容器所不具备的优势。容器的研制成功使我国乏燃料运输容器设计和厚大截面、低温韧性球墨铸铁水平上了一个新台阶，在技术上有重大突破，其成果和应用经验可在球墨铸铁高完整性容器上推广使用。

1.2 球墨铸铁高完整性容器国外发展现状

目前，德国已成功开发出CASTOR、TN系列商用球铁容器，除在本国使用外，还在西欧各国被广泛接受和使用。日本、英国和法国也相继开展了大量深入细致的研究工作并取得了突破性进展。美国对球铁容器技术的研究相对较少，但NRC已经批准乏燃料贮存容器的使用。

德国的球墨铸铁高完整性容器（MOSAIK）研发工作始于1974年，1976年由GNS公司设计、SNT公司制造的MOSAIK废物系列容器开发成功，至今生产的约6000多个容器已用于多个核电站[5]。MOSAIK容器由球墨铸铁制成，为了接受不同种类的废物，容器有不同的型号，不同的容器、壁厚、盖的系列产品，必要时也可增加不同厚度的铅衬套和过滤器系统。

用MOSAIK球墨铸铁容器贮存和运输放射性废物，对于相同放射性水平的废物用该容器包装的体积比其他废物容器小。部分型号MOSAIK容器结构如图2所示。

在德国和日本，针对球墨铸铁容器进行了大量的跌落试验，容器类型包括MOSAIK、CASTOR，POLLUX容器。在美国针对MOSAIK I和MOSAIK KfK球墨铸铁容器在环境温度为-29℃下进行了11次跌落试验。其中MOSAIK I型和MOSAIK KfK型空容器质量分别为2960kg和5402kg。MOSAIK容器在跌落试验中保持了结构的完整性，保证容器在事故条件下的安全性。

2 球墨铸铁标准、准则或规范

2.1 国内球墨铸铁标准

我国球墨铸铁标准有GB/T 1348-2009《球墨铸铁件》。该标准修改1988版时，采用国际标准ISO 1083：2004《球墨铸铁 分类》，同时参照了美国ASTM A536-2004《球墨铸铁件标准规范》和日本JIS G5502-2001《球墨铸铁件》等国外先进标准的相关条款。标准中规定了球墨铸铁件的技术要求，例如球墨铸铁牌号、球墨铸铁的低温冲击性能指标、附铸试块和单铸试块、试样规格、取样批次的规定、球墨铸铁韧性、铸件本体屈服强度值、硬度与抗拉强度关系曲线、球墨铸铁物理性能等。该标准适用于砂型或导热性与砂型相当的铸型中铸造的普通和低合金球墨铸铁件。对于特种铸造方法生产的球墨铸铁件可参照使用此标准。

2.2 国外球墨铸铁标准

国际上现行的球墨铸铁标准有：ISO 1083：2004《球墨铸铁 分类》、欧盟标准EN 1563《球墨铸铁》、欧盟EN 12680-3《球墨铸铁件超声波检验》。

美国球墨铸铁相关标准有：ASTM A536-2004、ASTM A874/A874M-98（2009）、ASME Code Case N-670-1等。其中ASTM A874/A874M-98（2009）：Standard Specification for Ferritic Ductile Iron Castings Suitable for Low-Temperature Service规定了适用于低温-40℃的球墨铸铁件的技术要求。ASME Code Case N-670-1：“Use of ductile cast iron conforming to ASTM A874/874 or JIS G 5504-2005 for transport containments” Section III， Div. 3.适用于壁厚在300-530mm、设计压力≤7MPa、设计温度在-29℃～345℃之间的球墨铸铁件。

日本的球墨铸铁相关标准有：JIS G5502-2001《球墨铸铁件》和JIS G5504 2005 Heavy-walled Ferritic Spheroidal Graphite Iron Castings for Low Temperature Service。其中JIS G5502-2001《球墨铸铁件》中规定了壁厚小于等于200mm的球墨铸铁件的技术要求，包括化学成分、机械性能、取样方法等。JIS G5504 2005规定了壁厚小于等于550mm适用于低温-40℃的球墨铸铁件的技术要求，包括化学成分、机械性能、取样方法等。

3 球墨铸铁高完整性容器材料性能要求

3.1 球墨铸铁高完整性容器耐腐蚀性能

高完整性体容器的内容物为中低放放射性废物，其中铯-137半衰期为30年，考虑10个半衰期，高完整性容器的寿命要求为300年。高完整性容器作为处置容器，分为地面长期贮存和地下处置两种。由于所处的环境条件不同，地面贮存需要考虑空气介质影响，沿海地区还要考盐雾因素；地下处置需要考虑SO3-、CO3-、Cl-、NO3-等离子及微生物的影响，同时容器还要承受106Gy放射性辐照。这些外部环境条件对于容器在300年寿命中的性能提出了严格要求，尤其是耐腐蚀和耐辐照性能。

球墨铸铁材料与高完整性容器的交联高密度聚乙烯材料、混凝土材料两种材料相比，具有自身的金属特性，而且低、中放射性废物辐射强度相对低，球墨铸铁本身性能不因为辐射影响而发生改变。金属对处置环境的温度、压力、湿度的要求相对宽松，但温度、压力、湿度对金属材料的长期腐蚀性能会产生影响，所以不再对材料本身提出进行耐热性能、阻燃性能、耐γ辐照性能、生物降解性能、蠕变性能、抗渗透性能、抗冻性能和化学稳定性能等专门测试和试验的要求，仅从耐腐蚀的角度对容器长期寿命提出性能要求。

为了研究球墨铸铁材料的耐腐蚀性能，北京科技大学于2013年进行了球墨铸铁腐蚀实验，实验条件分别为常温、高温及电化学腐蚀。通过对QT400和QT350两种球墨铸铁样品的宏观腐蚀形貌分析、腐蚀产物膜XRD分析、腐蚀速率分析，总结形成了球墨铸铁耐腐蚀性能检测方法，并得出结论：球墨铸铁材料在试验条件和真实服役过程中的腐蚀类型均为均匀腐蚀。容器300年寿期内，球墨铸铁材料的最大腐蚀深度为22.5mm[6]。

3.2 球墨铸铁高完整性容器化学成分及力学性能

球墨铸铁材料的化学成分对于其力学性能有影响，例如控制硅含量对获得合理的屈服和抗拉强度是必要的。当珠光体含量在20%以下时，球墨铸铁材料的抗拉和屈服强度取决于硅含量的多少；为保证球墨铸铁材料具有良好的延性和断裂韧性，最大珠光体含量应限制在20%以下，鐵素体含量控制在80%以上，球化率大于90%。国内球墨铸铁的生产工艺和原材料都有很大的提高，生产设备已经具有国际先进水平。影响球化、影响珠光体的12种微量杂质元素的总和可以控制在0.1%以内。

部分标准中规定的球墨铸铁化学成分及力学性能见表1、表2。

由于容器仅用于处置，不作为运输容器使用，内容物放射性不超过中放废物的限值，一般不属于B型货包，仅需要进行1.2m跌落试验确定容器性能，可选择GB1348-2009《球墨铸铁件》中QT400或者QT350系列200mm厚或150mm厚的球墨铸铁进行制造。容器横截面可选择方形或圆形形状，具体设计需综合考虑容器耐蚀、耐辐照、力学、操作、放置等多个方面。日本现有的球墨铸铁容器选用QT400-18材料，截面为1.5m×1.5m，壁厚为150mm的方形容器，设计寿命50年。

4 讨论与建议

①球墨铸铁容器属于单一壳体材料的容器，容器整体性好、强度高，材料费用少，制造成本低，其加工容易，制造周期较短，这些优点使球墨铸铁容器成为高完整性容器研制的可选方案之一。

②国内研制成功的球墨铸铁乏燃料运输容器为球墨铸铁高完整性容器的研制奠定了技术基础。

③球墨铸铁容器在预期300年长期贮存期间的耐腐蚀性能尚需继续研究。

④目前国内还没有低温用球墨铸铁容器材料标准，建议尽早开展低温用球墨铸铁容器材料标准编制工作。

⑤建议适时开展球墨铸铁容器长期贮存的腐蚀性能研究，同时考虑抗腐蚀方案。

参考文献：

[1]陈式.放射性废物安全通论[M].北京： 原子能出版社，2006.

[2]Siempelkamp Nukleartechnik. Castor-Nuclear Waste Transport Production [EB]. Castor， 2007.

[3]GB12711-1991.低，中水平放射性固体废物包装安全标准[S].

[4]GB11806，放射性物质安全运输规程[S].

[5]G. Gestermann. MOSAKI 20 years of experience with A cask system for transportation. Condition and storage of radioactive waste. WM 04 conference. Feb 29- Mar 4.2004.

[6]屈少鹏，高克玮，等.球墨铸铁高整体容器调研报告[R].北京：北京科技大学，2015.