核电乏燃料水池泄漏维修技术发展研究

杨 涛，李青华，简海林，孙 浈

（国核电站运行服务技术有限公司，上海 200233）

0 引言

乏燃料水池是核电站用于暂存乏燃料的主要设施，是以不锈钢材料为主的大型金属结构，其制造和安装过程大量采用焊接技术。这些焊缝在核电站整个运行周期中始终处于带水和高辐射环境中，容易发生局部腐蚀、损伤和破坏，是核电站特种维修领域重点关注的对象。

由于乏燃料水池处于高放射性区域，高辐射会对人体造成很大伤害，不利于维修人员直接接近待修部位，在这种条件下进行维修，需利用水对中子和γ 射线的吸收来显著降低现场辐射强度。早期设计的核电站乏燃料水池与堆内构件检查井等设施相通，以便在前者出现泄漏时，将乏燃料暂存于后者，以减少维修过程中人员和设备所承受的辐射剂量。国内现有的维修作业主要采用移除乏燃料、排空水池，人员直接进入水池内进行修复。使用该技术维修准备时间长，人员辐照风险极大。以秦山一厂为例，秦山一期核电厂乏燃料水池进行过焊接修复，但因其设置有两个乏燃料水池，在进行泄漏维修时，可以将需要维修的水池腾空后，操作人员直接进入乏燃料水池内进行修复。然而，包括AP/CAP 和大多数二代加系列机组的乏燃料水池并不相通，如果出现泄漏，无法进行上述操作，这给维修工作带来极大的危险性。

1 乏燃料水池简介

核电乏燃料水池，是一种以不锈钢作为钢覆面的大型水池，其采用不锈钢材料，耐腐蚀性能和耐疲劳性能都良好，因水池面积巨大，钢覆板通过一块一块的方板，焊接搭接而成，焊缝搭接如图1 所示。

图1 焊缝搭接示意

早期的核电堆型，如M310，VVER 等，采用的是316L 不锈钢，不锈钢厚度为5 mm，该种不锈钢，在运行一定周期后，发现水池焊缝出现不同程度的泄漏情况。因此，在新建的核电堆型，已开始使用新的不锈钢材料，如AP1000 核电机组采用的则是S32101 双相不锈钢，同时，为了避免水池泄漏，不锈钢板厚度增加到了12.7 mm。但因刚覆面是焊接而成，受焊缝质量、服役环境、服役周期的影响，实际运行过程中，依然出现了泄漏。

2 国内外泄漏现状

因乏燃料水池的焊缝，在核电站整个运行周期中，始终处于带水和高辐射的环境中，容易发生局部腐蚀、损坏，腐蚀损坏的焊缝如图2 所示。

图2 腐蚀损坏的焊缝

近年来，越来越多的乏燃料水池或类乏燃料水池的刚结构水池发生了泄漏，国内外核电机组泄漏案例见表1。

表1 国内外核电机组泄漏案例

尤其巴基斯坦核电，因乏燃料水池泄漏严重，且无有效的技术方案解决，给运行带来相当的安全隐患。

3 国内外公司研究现状

针对乏燃料水池底板的维修，国内外公司都展开大量的技术研究，主要研究工作都围绕焊接稳定性较高的氩弧焊和激光焊接所展开[5]。其中，日本日立和石川化成重工业公司，开发乏燃料水池水下远程控制维修专机，其核心技术是在乏燃料水池池边安装大型横梁，以搭载维修专机系统，但存在体积过大，可实施性较差等问题。西屋电气公司旗下的PCI 公司，则对激光焊接技术展开深入的研究，采用小型专机局部排空水域的方法，对乏燃料水池底板进行激光焊接修复，但焊接效果不甚理想。欧洲的相关研究机构则采用不同思路，他们采用热塑性聚合物对漏点进行水下加热封堵，该方案容易给乏燃料水池带来异物，同时热塑性聚合物在辐射的水环境下，使用寿命也存在考验。

国内方面，在乏燃料水池泄漏方面也展开研究。其中，国核电站运行服务技术有限公司开发的水下固定气罩覆板氩弧焊接维修系统，可以实现对水池底板的水下补板焊接修复；上海核工程研究设计院则研发水下激光焊接技术，采用移动气罩排水的方式，排空水域进行水下焊接。

4 未来维修技术发展趋势

因燃料水池高辐射环境的特殊性，其内部还安装有存放乏燃料组件的格架，当出现缺陷需要修复时，一方面会面临高辐射人员难以达到的情况，另一方面水难以排空，且随着服役周期的增加，燃料棒组件[6]的挪移也越来越困难。因此，国内外对乏燃料水池维修的研究，尤其是焊接修复专机系统的开发，越来越向小型化、远程化、自动化方向发展。

其未来的技术研究主要会集中在以下4 个方面：

（1）缺陷的精确定位及测量。

（2）缺陷施焊区域的表面处理及碎屑收集。

（3）水下干式环境建立的设备开发。

（4）小型远程控制焊接维修专机的开发。

其作业流程如图3 所示。

图3 乏燃料水池焊接修复流程

5 结束语

当前，国内核电产业高速发展，不断有新机组投入建设和运行，乏燃料水池的安全运行是电站安全运行的保障。越来越多的乏燃料水池，面临着缺陷修复的需求，因此，乏燃料水池水下焊接维修技术的开发及应用，一方面能促进国内核电维修技术的发展，另一方面可以提高核电的安全运行。