乏燃料运输容器排水及干燥方法浅析

卢可可+张白茹

【摘 要】乏燃料运输容器在水下装料后通常采取干式运输，需对容器内腔进行排水、干燥、充惰性气体、检漏等一系列操作。介绍了三种排水方法和两种干燥方法，分析了两种干燥方法常见问题及解决方法，探讨了容器内腔干燥的准则。

【关键词】抽真空干燥；热气循环干燥；乏燃料运输容器

中图分类号： TL932.1 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2017）35-0078-002

Analysis of Drainage and Drying Methods of Spent Fuel Transport Container

LU Ke-ke ZHANG Bai-ru

（Nuclear Equipment Institute of China Nuclear Power Engineering Co. Ltd.， Beijing 100840， China）

【Abstract】Spent fuel transport containers usually take dry transport after being charged underwater. A series of operations such as drainage， drying， inert gas filling and leak detection are required. Three kinds of drainage methods and two kinds of drying methods are introduced. The common problems and solutions of the two kinds of drying methods are analyzed， and the criterion for drying the inner cavity of the container is discussed.

【Key words】Vacuum drying； Hot gas circulation drying； Spent fuel transport container

0 引言

核电站反应堆压力容器中的燃料在卸料后將转运至乏燃料水池中进行湿法贮存。通常，核电站的乏燃料水池设计贮存量仅能满足核电站寿期内一定年限的贮存需求。因此，需定期将乏燃料水池中的乏燃料外运至乏燃料后处理厂进行后处理，或者运至乏燃料贮存设施进行离堆贮存，以保证核电站的正常运行。一般采用金属运输容器干式运输乏燃料[1]。

乏燃料在装载井中进行水下装料并盖上容器盖后，将从装载井中转运至清洗井进行排水、干燥、充惰性气体和检漏操作，以保证乏燃料在运输或贮存期间容器内腔为干燥惰性气体环境。

1 排水及干燥目的

乏燃料运输容器排水和干燥的目的主要有：

（1）排出容器装料时容器内腔的水；

（2）排出容器中残留的水及氧化性气体，保证乏燃料在运输或贮存期间处于干燥、惰性气体保护、无腐蚀的环境中；

（3）乏燃料内容物的衰变作用及容器屏蔽层对放射性射线的吸收将产生热量，乏燃料的热量将导致残留水分蒸发成气体，真空干燥可保证容器内腔的压力不会因水分残留而升高；

（4）便于把惰性气体充入到容器内腔中，通过惰性气体的高传热性能，及时散出乏燃料组件的衰变热，防止乏燃料组件的包壳温度超过限值。

2 容器排水方法

容器中的水可通过三种形式排出：充气排水法、抽水法、重力排水法（图1）。充气排水法是通过向容器内腔充入干燥的压缩气体把水从容器排水管中排出。抽水法是通过水泵从排水管中把水抽出。充气排水法和抽水法均需把排水管插入到容器内腔底部，为最大限度排出容器中的水，可在容器底部开设集水槽。重力排水法是在容器底部开设排水孔，容器内腔的水依靠自重排出。三种方法均需在容器的包容边界上开立贯穿性孔道，该孔道最终需通过焊接、法兰连接或者具有自封堵功能的快速接头等结构形式保证其密封性，以保证放射性物质不漏失。

3 容器干燥方法

容器排水后，容器中残留的水大部分为自由态的水，还有部分为物理吸附和化学吸附的水，以及微量的存在于燃料包壳积垢、腐蚀产物中的水。其中最后一种形态的水存在量极少，可忽略不计。自由态的水和物理吸附的水主要存在于乏燃料组件的缝隙、容器中吊篮的缝隙以及零部件外表面。化学吸附的水主要产生于水与材料之间的反应。容器内腔自由态的水、物理吸附和化学吸附的水可通过压力、温度、湿度的变化排出。

排出残留水分可采用两种方式：第一种方式是抽真空干燥法，第二种方式是热气循环干燥法。

3.1 抽真空干燥法

3.1.1 抽真空干燥法原理

抽真空干燥法是通过对容器内腔抽真空的形式，降低容器内腔的压力，从而使残留水分汽化变成蒸汽后被真空泵抽出[2]。当容器的容器盖通过螺栓固定在容器筒体上后，容器内腔将组成密封环境。通过真空泵对容器内腔持续抽真空，容器内腔的残留水因压力降低而转化成气态被真空泵抽出。由于抽出的气体湿度较大，需在真空泵前端设置冷凝器，把气体中的水冷凝并收集后定期排出（图2）。

3.1.2 抽真空干燥法的问题及解决方法

（1）燃料包壳温度超过限值

抽真空干燥法的主要问题之一是燃料包壳的散热问题。当容器内腔已经达到或接近真空状态后，容器内腔的传热性能较差，导致乏燃料组件的热量无法及时传出到容器表面。如果抽真空时间过长，将有可能导致乏燃料组件包壳的温度持续升高进而超过其温度限值。因此，采用抽真空干燥法时，需限制抽真空干燥的完成时间。一旦超过限制的时间，可通过向容器内腔充入干燥氦气，加快散热并采取后续应急措施。endprint

（2）结冰

抽真空干燥法的另一个主要问题是结冰问题。抽真空时由于容器内腔压力降低，容器内腔残留的水会蒸发成气体被排出。由于水从液态蒸发成水蒸气需要吸收热量，且真空或接近真空状态下内腔的传热性能较差，乏燃料组件的衰变热很难及时传导至容器内腔各处，因此，容器内腔局部位置会发生结冰的风险。根据操作经验，容器排水管是发生结冰的主要位置之一。一旦排水管被冰块堵塞，将导致抽真空的路径被切断。根据水的三相图（图3）可知，容器内腔的压力大于610Pa时不宜结冰[3]。为了防止或解决容器内腔结冰，当容器内的压力抽到约600Pa后，如果长时间达不到真空状态，可间断性的向容器内腔通入一定的干燥气体，使容器内腔压力升高至600Pa左右。

3.2 热气循环干燥法

随着核电站燃料组件燃耗的不断增加，乏燃料组件的衰变热也不断增加。对于衰变热较高的乏燃料组件运输容器，采用抽真空干燥法时对抽真空干燥的完成时间要求较高。热气循环干燥法将解决抽真空干燥法对时间的限制。热气循环干燥法是通过向容器内腔持续通入经加热的惰性气体（通常为氦气），容器中的水分被惰性气体带出，排出的气体经过干燥、加热后循环通入容器内腔。由于容器在运输期间内部也是通入惰性气体，因此，采用热气循环干燥法进行干燥时，乏燃料组件的环境条件与运输期間基本一致。此种方法对干燥时间没有限制，适用于装载高燃耗乏燃料的运输容器。

热气循环干燥法可避免出现抽真空干燥法中的燃料包壳温度超过限值和容器内腔结冰的问题。

4 容器干燥准则

对于抽真空干燥法，可通过容器内腔的真空度直观判断。根据水的三相图，当容器内腔的温度大于0℃且内腔压力低于600Pa时，容器内腔不会存在液态的水和固态的冰。保守起见，可对容器内腔抽真空至300-500Pa后，若容器内腔压力可维持一定时间不升高，证明容器内腔残留的水已全部被排出。

对于热气循环干燥法，在不同操作阶段可通过控制温度、压力、气体循环率等参数进行判断。容器内腔干燥的验收准则可通过干燥系统冷凝器出口温度或容器排气孔处的气体露点温度进行判断。

5 总结

乏燃料运输容器在装料后，可采用充气排水法、抽水法或重力排水法对容器内腔进行排水。对于排水后残留的水分，可通过抽真空干燥法和热气循环干燥法对容器内腔进行干燥。

【参考文献】

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

[2]徐成海，张世伟，关奎之.真空干燥[M].北京：化学工业出版社，2003.

[3]International Atomic Energy Agency. Spent Fuel Performance Assessment and Research：Final Report of Coordinated Research Project（SPAR-II）[M].IAEA-TECDOC-1680， IAEA Vienna， 2012.endprint