压水堆乏燃料干法贮存技术应用研究

袁呈煜，刘彦章，莫怀森

(深圳中广核工程设计有限公司，广东深圳518172)



压水堆乏燃料干法贮存技术应用研究

袁呈煜，刘彦章，莫怀森

(深圳中广核工程设计有限公司，广东深圳518172)

介绍了国际上乏燃料干法贮存技术的产生背景以及技术发展历程，总结了国际上各种乏燃料干法贮存技术特点并进行了归类。鉴于我国压水堆乏燃料离堆贮存的需求，分析了国际上广泛应用于压水堆的三类乏燃料干法贮存技术的技术特点。最后基于我国核电厂乏燃料管理的现状，提出了我国压水堆乏燃料干法贮存在近期和远期的技术选择建议。

压水堆；乏燃料；干法贮存；应用研究

自核电厂商运以来，乏燃料的产生量大幅增加，对于乏燃料的有效管理，成为当今核工业的重要议题。目前国际上对于乏燃料的管理，主要存在如下三种方式：后处理战略(Reprocessing)，一次通过战略(Direct disposal)与观望战略(Wait and See)[1]。然而，由于乏燃料后处理能力不足以及成本高昂，加之尚未建成最终处置库，目前国际上很多早期商运的核电厂在面临乏燃料水池逐渐达到满容的情况下，采取了中间贮存(Interim storage)的方式来转移核电厂乏燃料水池的乏燃料，使核电厂能够持续安全运行。

从反应堆刚卸出的乏燃料具有很高之放射性和热量，因此乏燃料转移到中间贮存设施前，通常需要在核电厂的乏燃料水池中冷却5～10年。对于乏燃料中间贮存技术，国际上主要存在湿法贮存和干法贮存两种方式。湿法贮存是将乏燃料存放于水池，如核电厂乏燃料水池。干法贮存由于具有固有安全性高、经济性好且易于扩容等优点，已经逐渐成为国际上乏燃料中间贮存技术的主流，特别是在2000年以后，国际上新建的乏燃料中间贮存设施绝大多数都是采用干法贮存技术。因此，研究干法贮存技术的应用，对于未来拓展到我国压水堆乏燃料干法贮存具有重要的意义。

1 乏燃料干法贮存技术发展历程

国际上对于乏燃料干法贮存技术的应用可以追溯到20个世纪70年代。早在1970年12月，英国监管当局就已经为第一个乏燃料干法贮存项目颁发了运营许可，并于1971年3月，英国Wylfa核电厂(石墨慢化反应堆，采用的是Magnox燃料)首次应用了采用二氧化碳冷却的短期干法贮存技术(在堆贮存)[2]。

20世纪70年代中后期，许多乏燃料干法贮存技术开始了试验层面的研究。例如，1976年加拿大AECL开发了一种混凝土筒仓式干法贮存技术，用于贮存Whiteshell实验室WR-1重水堆的乏燃料。

到了20世纪80年代，国际上许多从事核燃料循环的企业针对干法贮存设备开展了大量的试验，乏燃料干法贮存技术取得了长足的进步。

1986年，美国核能管理委员会向弗吉尼亚州萨利核电站(Surry Nuclear Power Plant)的干法贮存设施颁发了执照，该设施应用了德国GNS公司制造的CASTOR金属容器。

20世纪90年代至今，受益于国际市场的大量需求，各个厂家开始研制多样化的技术和产品。例如，美国NAC公司(2013年已被日立造船公司收购)从早期的金属容器起步，研发出了混凝土筒仓系统UMS和MAGNASTOR；美国HOLTEC公司，也是从早期的金属容器开始，研发出了混凝土筒仓系统HI-STORM系统，再到最新研发的地下干井式贮存方案；法国TNI公司，从早期的金属容器系列，发展了混凝土卧式模块NUHOMS以及单一贮存功能的分体式金属容器。

纵观国际乏燃料干法贮存技术的发展历程，乏燃料干法贮存技术的研发工作在最近二十年得到加强。基于实际应用需求和经济性的原因，为了满足各种堆型燃料的特殊要求(如燃料包壳的最大许用温度，填充气体类型)，国际上主要厂家均开发了多种乏燃料干法贮存技术。早期的干法贮存是单一功能系统，而且仅用于离堆贮存(Wylfa除外)，不需要将乏燃料重新操作和装载到运输容器。例如，贮存库、筒仓和不可运输的金属容器都是单一功能系统。随着后来的研发，金属容器及密封燃料的贮罐(以下简称“燃料贮罐”)被识别出可以执行多种功能。因此，具备贮存和运输双功能的容器被开发出来，例如德国的CASTOR，比利时的TN24，美国的NAC-STC。有些贮存系统的燃料贮罐也可以应用于运输，甚至最终处置。总的来说，乏燃料干法贮存技术朝着贮存容量更大、经济性更好、安全性更高以及功能更多元化(贮存、运输和处理处置)的方向发展。

2 乏燃料干法贮存技术的分类

国际上对于乏燃料干法贮存技术的分类并无明确统一的概念。纵观国际上已有的各类乏燃料干法贮存技术，本文在参考IAEA发布的技术报告中对乏燃料干法贮存技术分类的基础上，将乏燃料干法贮存技术归纳为四类，即：金属容器系统；混凝土容器系统；贮存库；其他类型[3]。各种技术的特点如表1所示。

表1 国际上乏燃料干法贮存技术分类及特点

以上四种乏燃料干法贮存技术的特点和配置虽然有可能大不相同，但作为乏燃料中间贮存设备，都须满足下列要求：

(1) 提供足够的放射性屏蔽，使环境辐射剂量低于法定限值；

(2) 提供足够的结构强度，以确保吊装、操作或遭受可能的自然及人为意外事故时，均能确保结构安全并迅速恢复正常运行；

(3) 提供良好的散热冷却方式，以排出乏燃料释热。

在这四类技术中，目前广泛应用于压水堆乏燃料的干法贮存技术主要是：金属容器系统、混凝土容器系统和其他类型。

3 压水堆乏燃料干法贮存技术

3.1 金属容器系统

在核电发展早期，金属容器被长期用作乏燃料运输，后来随着中间贮存的需求，逐渐将其功能拓展到贮存领域。在做贮存用途时，金属容器可以露天存放混凝土基座上，也可以贮存于厂房内，这主要取决于不同国家的核安全监管要求。在乏燃料干法贮存领域，金属容器通常可以设计成单一贮存或贮存运输双功能。

3.1.1 贮运双功能金属容器

贮运双功能金属容器，顾名思义，是指具备贮存和运输两种功能的金属容器。因此如果未来需要将乏燃料运输到其他场所，可运输性是其优点，但是从另一方面来说，由于要求可运输性，其价格也相对更高。这种容器通常是整体式结构，金属筒体和燃料篮一般不可分离，如图1所示。

图1 贮运双功能金属容器Fig.1 Dual-purpose metal cask

贮运双功能金属容器的结构材料可以是锻钢、球墨铸铁或其他合成材料，提供有效的辐射屏蔽，并通过热传导和热辐射等方式排出乏燃料释热。容器顶端采用法兰密封，并设置两层法兰密封盖，能够满足法规的冗余密封要求。金属容器内腔填充了惰性气体，并且在装载乏燃料后进行密封。第一层盖通常也作为屏蔽盖。按照国际上的监管要求，对于法兰密封式系统，必须设置密封性实时监测系统。因此，容器的第二层密封盖上，设置了压力传感器，通过监测第一层盖和第二层盖之间的压力，确保容器的密封性得到保障。一旦监测到压力下降到一定值，则将进行故障识别并维护。

国际上大部分的金属容器都具备贮存和运输两种功能，这类产品主要有德国GNS公司的CASTOR系列容器、法国AREVA TNI公司的TN24系列容器、美国NAC公司的NAC-STC容器、美国西屋公司的MC-10容器等。

3.1.2 单一贮存功能金属容器

单一贮存功能金属容器，也即仅具备贮存功能的金属容器，只取得贮存许可证，不能做运输容器使用。这种容器通常是分体式结构，金属外筒和燃料贮罐相对独立，如图2所示。需要说明的是，国际上也有整体式结构的单一贮存功能金属容器，但是这类产品一般在设计上均考虑了运输功能，只是在使用时先满足了贮存需求，暂时还没有运输需求，因此暂未申请运输许可证，但是其本质上仍应归类为贮运双功能金属容器。

图2 单一贮存功能金属容器Fig.2 Storage-purpose metal cask

单一贮存功能金属容器主要依赖燃料贮罐和金属外筒之间的热对流排出乏燃料释热。燃料贮罐顶端采用双重焊接密封，同样能够满足法规的冗余密封要求。对于冗余焊接密封系统，在国际上认可其长期贮存的密封性，美国NRC认可其不需要设置密封性监测系统。因此，第一层盖和第二层盖均焊接于贮罐顶端，但是第一层盖通常也作为屏蔽盖。

国际上这种单一贮存功能的金属容器产品很少，目前仅有法国AREVA TNI公司的NOVA系列，也仅应用于瑞士和亚美尼亚，主要是综合考虑当地政府监管层面的要求以及经济性。

3.2 混凝土容器系统

混凝土容器系统的显著特征是采用混凝土作为屏蔽材料，这类产品的研发具有重要的技术和经济意义。国际上已有的混凝土容器系统大体上可以分为三类：混凝土单体容器、混凝土筒仓系统和混凝土卧式模块系统。

3.2.1 混凝土单体容器

混凝土单体容器(见图3)的外形与贮运两用金属容器类似，采用整体式结构。混凝土容器内腔的钢衬里(或燃料贮罐)提供包容。乏燃料装载后钢衬里将被密封。混凝土单体容器采用自然冷却，通过混凝土材料排出乏燃料释热。混凝土单体容器通常为贮存和运输双功能系统，要求特殊的容器以符合运输规范。例如，德国GNS公司的CONSTOR容器。

图3 混凝土单体容器Fig.3 Concrete cask

3.2.2 混凝土筒仓系统

混凝土筒仓系统是由混凝土筒仓和燃料贮罐构成的分体式结构，如图4所示。在混凝土筒仓底部和顶端分别设置了进气和排气流道，这种结构具备更大的热排出能力，可以容纳更大的热装载。混凝土筒仓可以水平或竖直存放，可以露天或室内存放于贮存厂房。由于混凝土筒仓通常不可运输，因此乏燃料的厂内转运和长途运输需要借助于专用的转运和运输容器。

图4 混凝土筒仓系统Fig.4 Concrete silo storage system

混凝土筒仓提供辐射屏蔽，内部的燃料贮罐则提供放射性核素包容。乏燃料装载完成后燃料贮罐将被双重盖板焊接密封。混凝土筒仓系统通过自然对流排出乏燃料释热，同时可以避免过热和混凝土材料的降级。

典型的混凝土筒仓系统是美国HOLTEC公司开发的HI-STORM系统，以及NAC公司开发的MAGNASTOR系统。

3.2.3 混凝土模块系统

混凝土模块系统是由混凝土模块和燃料贮罐构成的分体式结构，但同时一系列混凝土模块并排布置又构成了整体式结构，如图5所示。混凝土模块通常呈卧式布置，固定于地上的贮存基座上。在混凝土模块底部和顶端分别设置了进气和排气流道，这种结构具备更大的热排出能力，可容纳更大的热装载。混凝土模块通常是露天存放。由于混凝土模块通常不可运输，因此乏燃料的厂内转运和长途运输需要借助于专用的运输容器。

图5 混凝土模块系统Fig.5 Concrete module storage system

混凝土模块提供放射性屏蔽，内部的燃料贮罐则提供放射性核素包容。乏燃料装载完成后燃料贮罐将被双重盖板焊接密封。乏燃料装载完成后燃料贮罐将被双重盖板焊接密封。混凝土筒仓系统通过自然对流排出乏燃料释热，同时可以避免过热和混凝土材料的降级。

典型的混凝土模块是TN公司的NUHOMS混凝土卧式模块系统。

3.3 地下干井式系统

地下干井式系统，是由一系列固定于地下的独立腔室组成，如图6所示。周围的大地和顶部屏蔽塞提供辐射屏蔽。主要通过热传导方式将乏燃料释热排出到大地。每个贮存腔室可以设计成包容若干乏燃料组件，具体数量取决于燃料特性和贮存介质。贮存介质可以是空气、氮气、二氧化碳或者任何惰性气体，如氦气、氩气或氖气等。

图6 地下干井式系统Fig.6 Dry-well storage system

美国HOLTEC公司还研发了一种新型的地下干井式贮存方案，即HI-STORM 100U系统，如图7所示。这种系统采用了与混凝土筒仓系统类似的通风流道设计，但是由于其整体位于地下，其进气口和排气口均位于顶盖上，地下贮存腔室利用隔板形成流道实现与外界空气的自然对流通风[4]。HI-STORM 100U系统被设计成能够与HI-STORM 100系统完全兼容，也即可以采用同样的燃料贮罐。

4 我国应用压水堆乏燃料干法贮存技术的建议

4.1 我国压水堆乏燃料管理现状

截至2013年年底，我国大陆已投运核电机组共有18台，总装机容量约1467万kW，已累计产生了乏燃料约2400 tHM，并且每年按约350 tHM的速度递增。根据国防科工局《核电厂乏燃料处理处置基金2011-2020年使用规划》，预计到2020年我国核电厂累计产生的乏燃料将达9000 tHM，每年产生量约 1300 tHM；2030年将达19500 tHM，每年产生量约2000 tHM。

压水堆核电厂的在堆贮存水池通常只能满足反应堆正常运行10～20年卸出的乏燃料贮存需求，之后需要乏燃料外运。面对我国乏燃料的产生量呈快速增长的态势，在2016年前后全国年乏燃料外运需求将增长到600组左右；在“十三五” 期间全国乏燃料外运需求累计达3202组。然而，目前我国大陆仅大亚湾核电厂两台机组开展了乏燃料外运，每年外运4罐(104组乏燃料)。自2003年年始至2012年年底大亚湾核电厂已累计向中核404有限公司外运了858组乏燃料，现在该水池已经满容，不能再接收乏燃料。

我国实行核燃料循环政策，坚持乏燃料后处理。但随着乏燃料在堆贮存水池的逐渐满容，乏燃料运输能力不足、离堆贮存设施短缺、后处理能力滞后等已成为我国核燃料循环后端面临的重大现实问题。

4.2 我国压水堆乏燃料干法贮存技术选择

4.2.1 近期内的技术选择建议

大亚湾核电基地和田湾核电厂都是我国早期建设的核电站，这些机组的在堆乏燃料贮存水池都将在2018年前后达到满容状态，如果不及时转移到离堆贮存设施，将面临严峻的停堆风险。

为了优先解决近期内我国压水堆核电厂乏燃料离堆贮存的迫切需求，在当前阶段，我国应尽快通过“引进、消化、吸收”方式，大力引进国外广泛应用、技术成熟、经济性好的乏燃料干法贮存技术。通过分析，混凝土容器系统具有安全性高、经济性好等优点，同时能够与我国乏燃料后端闭式循环路线匹配，是缓解当前我国后端能力不足的最佳选择，可保障我国压水堆核电厂的持续运行。

4.2.2 远期的技术选择建议

远期来看，尽管我国坚持走乏燃料后处理路线，但是在后处理大厂建成投运且后处理能力达到要求之前，面对众多核电厂乏燃料的大量产生，我国乏燃料后端能力仍然会面临严峻的形势。因此，我国可以提前考虑建立国家大型的集中式乏燃料中间贮存设施，或者区域性的乏燃料中间贮存设施。

从技术选择来看，如果大规模实现干法贮存，既要考虑贮存的安全性，还要考虑整体工程的经济性。我国可以在近期引进国际成熟的乏燃料干法贮存技术的基础上，逐步形成具有自主知识产权的新技术。从大规模应用来看，混凝土容器系统、贮存库和地下干井式等类型都是很好的技术选择。而且国际上已经有部分国家开始应用，例如，俄罗斯正在西伯利亚的热列兹诺哥尔斯克建造一座大型的乏燃料干法贮存设施(约4万tHM)，该设施采用地下干井式贮存方式，将乏燃料放置在地下设施中建立的许多隔开的单元中，通过空气自然对流实现乏燃料的冷却。

4.3 国际上乏燃料干法贮存应用经验对我国的启示

尽管国际上乏燃料干法贮存技术已经应用了逾40年，并且通过大量的试验证明了其固有安全性，得到国际上核电行业的广泛应用，但是乏燃料干法贮存在整个技术发展过程中也并非一帆风顺。

在20世纪90年代，美国NAC公司研发的燃料贮罐在焊接密封时发生了一起氢爆事件。后来IAEA调查结果显示，主要是由于该燃料贮罐的结构材料采用了镀锌碳钢，在乏燃料装载和密封时由于池水中的硼酸与锌发生化学反应产生了氢气，在焊接过程中高温及火花的作用下发生了爆炸，所幸当时并未造成人身伤害事故。因此，在乏燃料干法贮存容器的结构材料中，目前已经被禁止使用镀锌碳钢等易与硼酸反应产生氢气的材料。

此后，美国还发生过燃料贮罐的焊接质量问题，出现焊缝裂纹并且可能导致燃料贮罐内部的氦气发生泄漏，造成乏燃料棒温度升高和棒体的加速腐蚀[5]。为此美国核管会不得不多次介入其中，解决燃料贮罐因焊接质量而导致的燃料贮罐焊缝开裂问题。

因此，我国在引进和应用乏燃料干法贮存技术的同时，要不断汲取国际上的经验和教训，在积极应用先进技术的同时，也务必时刻保持对核安全的敬畏，勿让类似事件再次发生。

5 结论

通过对国际上各种乏燃料干法贮存技术进行研究，总体上可以将压水堆乏燃料干法贮存技术分为金属容器、混凝土容器系统和地下干井式系统三类。金属容器具有导热性好、重量轻便于运输等优点，但考虑制造成本与技术要求较高的限制，混凝土容器系统是当前较为主流的技术。

纵观我国近期和远期乏燃料管理状况，我国在引进乏燃料干法贮存技术时，应选择国际上已经成熟应用的可靠技术。对于大亚湾核电基地和田湾核电厂，建议首选安全性好、经济性高的混凝土容器系统。而如果远期国家建立大型的集中式贮存设施，则应在满足安全要求的同时，在引、消、吸的基础上，通过自主化创新的方式，不断提高贮存设施的经济性。

[1] ICEM05-1356 “Operation and Maintenance of Spent Fuel Storage and Transportation Casks/ Containers.” IAEA-TECDOC-1532, International Atomic Energy Agency, 2007.

[2] Survey of wet and dry spent fuel storage(IAEA-TECDOC-1100)，VIENNA：IAEA，July 1999：36

[3] Selection of Away-From-Reactor Facilities for Spent Fuel Storage(IAEA-TECDOC-1558)，VIENNA：IAEA，September 2007：13

[4] SINGH, K.P.“A Complementary on the Roles of DOE, NRC, and Industry in Advancing Homeland Security”, presentation at the Institute of Nuclear Materials Management Seminar, 26-28 January 2005, Washington DC.

[5] Benjamin K.Sovacool (2011).Contesting the Future of Nuclear Power: A Critical Global Assessment of Atomic Energy, World Scientific, p.144.

Research On The Application of Pressurized Water Reactor Spent Fuel Dry Storage Technology

Yuan Cheng-yu, Liu Yan-zhang, Mo Huai-sen

(China Nuclear Power Design Company LTD., Shenzhen of Guangdong Prov.518172, China)

This paper introduces the background and development process of dry storage technology of spent fuel in the world.The characteristics and classification of various kinds of dry storage technology in the world are summarized.In view of the demand for the storage of spent fuel in the pressurized water reactor, the technical characteristics of the three kinds of dry storage technology in the world, which are widely used in the pressurized water reactor, are analyzed.Based on the present situation of the spent fuel management of nuclear power plant in China, the short term and long term technical selection suggestions are put forward for the dry storage of the spent fuel in China.

Pressurized Water Reactor；Spent Nuclear Fuel；Dry Storage；Application Research

2016-12-27

袁呈煜(1988—)，男，江西省于都县人，工程师，工学学士，现主要从事核燃料循环技术研究

TL93+3

A

0258-0918(2017)03-0470-07