乏燃料干式儲(chǔ)存技術(shù)分類

干法儲(chǔ)存乏燃料在美國(guó)、加拿大、德國(guó)、韓國(guó)和俄羅斯等國(guó)得到越來越普遍的使用，有些國(guó)家可能會(huì)采用該方法將乏燃料臨時(shí)儲(chǔ)存上百年或更長(zhǎng)時(shí)間。到2012年，世界上已經(jīng)有阿根廷、比利時(shí)、加拿大、捷克、法國(guó)、德國(guó)、匈牙利、日本、韓國(guó)、立陶宛、烏克蘭、英國(guó)、美國(guó)、俄羅斯、西班牙、中國(guó)等十多個(gè)國(guó)家擁有乏燃料干法儲(chǔ)存設(shè)施。各國(guó)核安全當(dāng)局和國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)都已制定了相關(guān)的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，該項(xiàng)技術(shù)正在世界范圍內(nèi)逐步推廣。

國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)在2010年11月的《世界乏燃料管理趨勢(shì)》報(bào)告中提到“長(zhǎng)期干法儲(chǔ)存正在成為一項(xiàng)不斷向前發(fā)展的事實(shí)，儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)達(dá)100年甚至可能更長(zhǎng)”。干法儲(chǔ)存乏燃料的費(fèi)用較低，美國(guó)把這些裝有乏燃料的容器儲(chǔ)存在戶外，儲(chǔ)存費(fèi)用僅約100~200美元/kgHM。德國(guó)和日本把乏燃料容器儲(chǔ)存在具有厚壁的建筑物里，因此費(fèi)用增加了一倍。

福島事故發(fā)生后，對(duì)水池中儲(chǔ)存乏燃料的安全問題給予了特別關(guān)注，乏燃料管理安全和放射性廢物管理安全聯(lián)合公約的締約方確認(rèn)了進(jìn)一步討論該問題和可能的乏燃料干法儲(chǔ)存的重要性。

干法儲(chǔ)存是核燃料循環(huán)后段過程中已得到積極發(fā)展的一種技術(shù)。干法儲(chǔ)存通常把乏燃料組件放置在封裝容器里（一般為碳鋼，也有不銹鋼如304L），容器周圍包裹著厚厚的鋼筋混凝土外殼，并留孔讓冷卻空氣流向容器壁，設(shè)計(jì)儲(chǔ)存期一般為40~60年。

干法儲(chǔ)存可采用儲(chǔ)存室技術(shù)、容器儲(chǔ)存技術(shù)和筒倉(cāng)技術(shù)。對(duì)于干法儲(chǔ)存的分類，目前尚無一致意見，特別是容器儲(chǔ)存，有按使用材料來分為金屬容器和混凝土容器，有按立式和臥式來分類的，也有按用途來分類的，如儲(chǔ)存單用容器、儲(chǔ)存和運(yùn)輸雙用容器以及儲(chǔ)存、運(yùn)輸和處置三用容器。

典型的干法儲(chǔ)存裝置（容器、筒倉(cāng)或混凝土容器、半地面的凹井或干井以及儲(chǔ)存室）都基于模塊式的概念。這意味著，在建造大容量的儲(chǔ)存裝置時(shí)可以避免大量的一次性投資。模塊的大小不受設(shè)計(jì)要求的限制，儲(chǔ)存裝置容易適應(yīng)今后乏燃料管理策略的改變。

干法儲(chǔ)存已經(jīng)達(dá)到了成熟階段，德國(guó)、瑞士、俄羅斯和美國(guó)都對(duì)幾種金屬容器的干法儲(chǔ)存做了試驗(yàn)，設(shè)計(jì)安全準(zhǔn)則都能得到滿足。干法儲(chǔ)存的一些新方案以及現(xiàn)有方案的各種不同的變體還處于開發(fā)之中，研究發(fā)展計(jì)劃的內(nèi)容包括：燃料損傷機(jī)理的研究、破損燃料棒行為的研究、安全有關(guān)問題的研究以及驗(yàn)證試驗(yàn)?？梢哉f在這一領(lǐng)域進(jìn)行的大量研究給出了下面的結(jié)論：在絕大多數(shù)情況下，干法儲(chǔ)存的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性都不存在嚴(yán)重的問題。

根據(jù)對(duì)乏燃料儲(chǔ)存技術(shù)的研究和工程應(yīng)用現(xiàn)狀，可以看出乏燃料干法儲(chǔ)存技術(shù)已是一種成熟的、且經(jīng)過工程實(shí)踐驗(yàn)證的技術(shù)。該技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于世界各國(guó)，并正在不斷地得以推廣，其中以美國(guó)、加拿大、法國(guó)、日本等國(guó)在乏燃料干法儲(chǔ)存的技術(shù)研究和工程應(yīng)用中的經(jīng)驗(yàn)最為豐富，具有較高的工程技術(shù)能力。

在我國(guó)，開發(fā)建造乏燃料長(zhǎng)期干法儲(chǔ)存庫(kù)，有非?，F(xiàn)實(shí)又十分緊迫的意義。它既可以解決我國(guó)乏燃料儲(chǔ)存能力不足的現(xiàn)狀，又可以為后處理研究開發(fā)爭(zhēng)取到更多的時(shí)間。

1、干法儲(chǔ)存室

在儲(chǔ)存室內(nèi)，乏燃料被置于大型的混凝土廠房?jī)?nèi)，其外層是輻射防護(hù)層，內(nèi)層含有許多適合儲(chǔ)存乏燃料部件的凹處。乏燃料儲(chǔ)存在可容納一個(gè)或多個(gè)燃料組件的密封儲(chǔ)存金屬管或儲(chǔ)存筒。通過強(qiáng)制通風(fēng)或自然通風(fēng)，將儲(chǔ)存室系統(tǒng)內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移出去。在一些儲(chǔ)存室系統(tǒng)中，將乏燃料從燃料轉(zhuǎn)運(yùn)容器內(nèi)轉(zhuǎn)移到儲(chǔ)存鋼管內(nèi)。而在其它儲(chǔ)存室系統(tǒng)內(nèi)，乏燃料則保留在儲(chǔ)存容器內(nèi)，之后將燃料置于燃料轉(zhuǎn)運(yùn)容器內(nèi)，然后用起重機(jī)將乏燃料運(yùn)到儲(chǔ)存筒內(nèi)。這樣，儲(chǔ)存室系統(tǒng)通常也需要起重機(jī)或燃料處理設(shè)備。國(guó)際上一個(gè)很好的例子就是加拿大的MACSTOR系統(tǒng)。

2、干法儲(chǔ)存筒倉(cāng)

在干法儲(chǔ)存筒倉(cāng)系統(tǒng)中，乏燃料儲(chǔ)存在混凝土儲(chǔ)存筒內(nèi)，無論是垂直放置還是水平放置，儲(chǔ)存筒內(nèi)都配有金屬內(nèi)襯或獨(dú)立的金屬罐?；炷疗鸬捷椛浞雷o(hù)的作用，密封的金屬內(nèi)襯或金屬罐是安全殼。運(yùn)輸罐通常用于裝載乏燃料并將其運(yùn)往筒倉(cāng)?？諝鈱?duì)流排出熱量。采用筒倉(cāng)式儲(chǔ)存的國(guó)家有美國(guó)、加拿大、韓國(guó)、阿根廷、亞美尼亞共和國(guó)等。

3、干法儲(chǔ)存容器

在干法儲(chǔ)存容器系統(tǒng)內(nèi)，廠房外或廠房?jī)?nèi)會(huì)建造一塊混凝土板。根據(jù)實(shí)際需要，添加大型儲(chǔ)存容器以儲(chǔ)存乏燃料。儲(chǔ)存容器起到輻射防護(hù)和安全殼的作用。最初建造設(shè)施的成本很小，裝載乏燃料之后，其運(yùn)行成本也很小，但儲(chǔ)存容器的總成本卻很大；因?yàn)槊總€(gè)儲(chǔ)存容器的成本與之前的成本基本一樣，但是如果儲(chǔ)存較多的燃料，其經(jīng)濟(jì)規(guī)模較小。對(duì)在堆設(shè)施而言，通常使用在堆燃料處理設(shè)備將乏燃料從水池中轉(zhuǎn)移到干法儲(chǔ)存容器內(nèi)。生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)出各種各樣的儲(chǔ)存容器，包括金屬和混凝土儲(chǔ)存容器（后者通常含有金屬內(nèi)襯）。原來，像儲(chǔ)存庫(kù)和筒倉(cāng)一樣，儲(chǔ)存容器只用于儲(chǔ)存乏燃料。最近，一些儲(chǔ)存容器已經(jīng)過許可認(rèn)證，具有“雙重功能”，即儲(chǔ)存和運(yùn)輸乏燃料。繼續(xù)改進(jìn)儲(chǔ)存容器旨在實(shí)現(xiàn)“三重功能”，即儲(chǔ)存、運(yùn)輸和永久處置。

由于儲(chǔ)存容器的固有靈活性，該系統(tǒng)受到反應(yīng)堆運(yùn)營(yíng)商的認(rèn)可。美國(guó)和日本大多都計(jì)劃采用干法儲(chǔ)存容器在反應(yīng)堆內(nèi)和遠(yuǎn)離反應(yīng)堆的地方長(zhǎng)期儲(chǔ)存乏燃料。

由于乏燃料通常先在反應(yīng)堆水池內(nèi)儲(chǔ)存一段時(shí)間，然后才轉(zhuǎn)移到乏燃料中間儲(chǔ)存設(shè)施，在初始儲(chǔ)存期間，放射性核素的數(shù)量、輻射場(chǎng)的強(qiáng)度和衰變熱的產(chǎn)生量都將大大地降低，這就使得在乏燃料中間儲(chǔ)存設(shè)施內(nèi)導(dǎo)致事故的各種條件的形成過程相對(duì)變慢，在它們達(dá)到極限條件之前可以有足夠的時(shí)間采取糾正行動(dòng)。

因而，乏燃料轉(zhuǎn)運(yùn)和儲(chǔ)存操作無需依賴于復(fù)雜的能動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)。這樣乏燃料干式儲(chǔ)存設(shè)施可由非能動(dòng)的系統(tǒng)組成，能在幾十年內(nèi)提供充分的安全特性，有關(guān)乏燃料的運(yùn)轉(zhuǎn)和儲(chǔ)存操作也變的相對(duì)簡(jiǎn)單。

相對(duì)于需要水池的濕法儲(chǔ)存，采用干法儲(chǔ)存乏燃料具有許多優(yōu)勢(shì)，例如：干法儲(chǔ)存不需要使用儲(chǔ)存水池燃料儲(chǔ)存容器能夠承受較大的沖擊和溫度變化技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單干法儲(chǔ)存設(shè)施建造成本低非能動(dòng)性質(zhì)，運(yùn)行、維修費(fèi)用低模塊化建造，容易擴(kuò)容結(jié)構(gòu)比較方便與運(yùn)輸?shù)慕涌诓僮鞣悄軇?dòng)冷卻式干法儲(chǔ)存裝置由于設(shè)備（泵、壓縮機(jī)等）需求少，所以它的維修量少而且可靠性高。還有，應(yīng)該不要忽視干法儲(chǔ)存還具有以下一些優(yōu)點(diǎn)：

可能在很少或沒有腐蝕問題的情況下進(jìn)行長(zhǎng)期儲(chǔ)存以及對(duì)操作人員和環(huán)境相對(duì)小的輻射劑量退役時(shí)，問題要少得多產(chǎn)生的二次廢物最少有可能把它作為乏燃料最終處置的一種方法但總體而言，乏燃料干式儲(chǔ)存的優(yōu)點(diǎn)較為突出：技術(shù)可靠、環(huán)境安全、二次廢物少、總費(fèi)用低、建造周期短、操作簡(jiǎn)單、便于管理。所以，它已成為二十世紀(jì)較為廣泛使用的一種成熟技術(shù)。

1、干法儲(chǔ)存的安全性

乏燃料干法儲(chǔ)存必須達(dá)到的基本安全目標(biāo)：

提供足夠的輻射防護(hù)，保障設(shè)施內(nèi)的員工不受到放射性輻射的影響燃料儲(chǔ)存在容器內(nèi)，防止任何放射性物質(zhì)從容器內(nèi)釋放到周圍環(huán)境中這些目標(biāo)并不難實(shí)現(xiàn)。在干法儲(chǔ)存容器中，容器破裂導(dǎo)致放射性物質(zhì)釋放到周圍環(huán)境中的幾率很小。在干法儲(chǔ)存容器中，固體物質(zhì)（核燃料組件）被完全置于一種堅(jiān)固的、較厚的容器中。這種系統(tǒng)發(fā)生完全崩潰并釋放出放射性物質(zhì)的可能性很小。然而，當(dāng)燃料并未完全裝在容器內(nèi)，處于移動(dòng)過程中，尤其在裝料和卸料過程中時(shí)，必須謹(jǐn)慎處理。

為了確保干法儲(chǔ)存容器系統(tǒng)提供足夠的輻射防護(hù)和安全殼，設(shè)計(jì)這樣的系統(tǒng)時(shí)必須滿足以下要求：

在儲(chǔ)存過程中，燃料包殼必須保持完整性必須避免高溫，因?yàn)楦邷乜赡軐?dǎo)致燃料降解必須防止發(fā)生意外的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（“臨界”）必須提供有效的輻射防護(hù)必須避免放射性物質(zhì)的釋放一旦發(fā)生問題，必須確保實(shí)現(xiàn)燃料回取

大多數(shù)水池和干法儲(chǔ)存系統(tǒng)可以完全滿足這些要求。

世界各國(guó)的經(jīng)驗(yàn)和許多監(jiān)管報(bào)告增強(qiáng)了干法儲(chǔ)存具有安全性的結(jié)論。美國(guó)核管會(huì)（NRC）表示在100年之內(nèi)干法儲(chǔ)存是安全的，而且是環(huán)保的。當(dāng)然這并不是說干法儲(chǔ)存系統(tǒng)不會(huì)面臨安全挑戰(zhàn)。有效的監(jiān)管和安全監(jiān)測(cè)對(duì)于確保建造高質(zhì)量的儲(chǔ)存容器和配套設(shè)施、確定裝載燃料和儲(chǔ)存容器密封的工序是至關(guān)重要的。燃料裝載結(jié)束之后，需要對(duì)儲(chǔ)存容器進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)。在正常運(yùn)行期間，發(fā)生事故也包括地震、龍卷風(fēng)或者飛機(jī)墜毀時(shí)，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)都必須保證其安全性。

2、干法儲(chǔ)存的靈活性

乏燃料干法儲(chǔ)存是一種相當(dāng)靈活的方法，不但提供了最方便、最具成本效益的乏燃料儲(chǔ)存管理方法，而且隨著時(shí)間的推移，適應(yīng)了不斷變化的環(huán)境。對(duì)于追求開放式燃料循環(huán)的國(guó)家，如美國(guó)，在研究處置庫(kù)的過程中，干法儲(chǔ)存提供了長(zhǎng)期安全儲(chǔ)存乏燃料的選擇。對(duì)于追求閉式燃料循環(huán)的國(guó)家，如日本，干法儲(chǔ)存為控制后處理的時(shí)間和速度提供了更靈活的選擇，這樣可以實(shí)現(xiàn)更好的經(jīng)濟(jì)和能源目標(biāo)；如果一個(gè)國(guó)家推遲后處理并且不希望建立分離钚的貯庫(kù)（如日本），或者為了采用先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期管理，暫時(shí)儲(chǔ)存乏燃料，都可以使用干法儲(chǔ)存。對(duì)于結(jié)合上述兩種策略的國(guó)家，干法儲(chǔ)存在路線方面提供了額外的靈活性。在每個(gè)反應(yīng)堆場(chǎng)區(qū)、中間儲(chǔ)存設(shè)施（如德國(guó)）或者多個(gè)場(chǎng)區(qū)，包括堆內(nèi)或堆外設(shè)施都可以采用干法儲(chǔ)存系統(tǒng)。如果需要的話，任何設(shè)施內(nèi)都可以增加干法儲(chǔ)存的容量。簡(jiǎn)而言之，干法儲(chǔ)存可為乏燃料管理提供靈活性，為計(jì)劃建造永久處置庫(kù)或后處理設(shè)施爭(zhēng)取時(shí)間。

3、干法儲(chǔ)存的經(jīng)濟(jì)性

干法儲(chǔ)存所采用的系統(tǒng)、干法儲(chǔ)存設(shè)施所需進(jìn)行的改造、每個(gè)國(guó)家的許可證要求以及干法儲(chǔ)存設(shè)施容量的差異，都會(huì)導(dǎo)致干法儲(chǔ)存的具體成本不同。

在美國(guó)，不管乏燃料的具體貯量多少，在反應(yīng)堆內(nèi)建造一個(gè)新的干法儲(chǔ)存設(shè)施所需的前期總成本約為900萬美元或800萬-1200萬美元。購(gòu)買和裝載干法儲(chǔ)存容器的成本，包括勞力、消耗品、退役，乏燃料中每千克重金屬的成本介于60-80美元。由于一旦將乏燃料裝載到儲(chǔ)存容器中，就不需要做任何工作，因此運(yùn)行成本非常低，主要成本是為維持核管會(huì)的設(shè)施許可證所提供的安全措施和安全監(jiān)控。對(duì)于儲(chǔ)存設(shè)施與反應(yīng)堆在同一場(chǎng)區(qū)的情況，許多成本可以計(jì)入反應(yīng)堆運(yùn)行的成本中，這樣凈運(yùn)行成本就只需75萬美元/年。對(duì)于獨(dú)立儲(chǔ)存場(chǎng)區(qū)或已停堆的反應(yīng)堆內(nèi)儲(chǔ)存場(chǎng)區(qū)，這些成本應(yīng)屬于儲(chǔ)存場(chǎng)區(qū)，凈運(yùn)行成本相當(dāng)高。對(duì)于停堆的反應(yīng)堆，其所有的乏燃料都進(jìn)行了干法儲(chǔ)存，每年的運(yùn)行成本約為300-400萬美元。（相比而言，在反應(yīng)堆停堆后，如果業(yè)主選擇將燃料儲(chǔ)存在儲(chǔ)存池中，與之前的水池儲(chǔ)存沒有區(qū)別的話，年成本約為900萬美元）。如果反應(yīng)堆仍然繼續(xù)運(yùn)行，將反應(yīng)堆整個(gè)運(yùn)行期內(nèi)產(chǎn)生的約1000噸乏燃料干法儲(chǔ)存40年，未貼現(xiàn)總成本約為1.2億美元或120美元/kgHM；如果反應(yīng)堆停堆的話，未貼現(xiàn)總成本約為2.5億美元或250美元/kgHM；這40年的貼現(xiàn)值很少，因?yàn)閹缀跛械某杀局饕乔捌诘馁M(fèi)用。按照5%的比例計(jì)算，在整個(gè)儲(chǔ)存期，如果反應(yīng)堆繼續(xù)運(yùn)行的話，凈現(xiàn)值將為100美元/kgHM；如果停堆后乏燃料儲(chǔ)存40年，凈現(xiàn)值為160美元/kgHM。大型中間儲(chǔ)存設(shè)施每千克乏燃料的儲(chǔ)存成本類似于在堆乏燃料的儲(chǔ)存成本。

與后處理或直接處置的成本相比，乏燃料臨時(shí)儲(chǔ)存的成本很低，這是可以預(yù)料的，因?yàn)榕R時(shí)儲(chǔ)存只是暫時(shí)的解決方案，在幾乎所有的行業(yè)，永久的解決方案都是比較昂貴的。從嚴(yán)格的經(jīng)濟(jì)角度來看，反應(yīng)堆運(yùn)營(yíng)商應(yīng)支付臨時(shí)儲(chǔ)存費(fèi)用，允許為乏燃料后處理或直接處置成本貼現(xiàn)（discount thecost）。問題的關(guān)鍵是不應(yīng)該由于臨時(shí)存儲(chǔ)成本較低、優(yōu)化了時(shí)間和速度而推遲永久性解決方案，這只是提供了靈活性，最終還是要實(shí)現(xiàn)永久的解決方案。

乏燃料干式儲(chǔ)存技術(shù)早在上世紀(jì)80年代投入應(yīng)用,至今已有30多年的應(yīng)用歷史,在技術(shù)上取得了很大的進(jìn)步。縱觀目前各國(guó)應(yīng)用的乏燃料干式儲(chǔ)存設(shè)備,主要可歸納分為金屬容器式(包含儲(chǔ)存式與儲(chǔ)存-運(yùn)輸雙功能式)和混凝土容器/模塊式兩大類，如圖1所示。雖然金屬容器和混凝土容器的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)配置與特性不大相同,但作為乏燃料的中間儲(chǔ)存設(shè)備,都需要滿足下列要求:

(1)良好的輻射屏蔽,使環(huán)境輻射劑量低于規(guī)定限值。

(2)足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,經(jīng)受可能的天然及人為意外事件情況下均能確保結(jié)構(gòu)的完整性和安全性并迅速恢復(fù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

(3)良好的散熱冷卻,并確保整體機(jī)構(gòu)的溫度低于限值。

因此,乏燃料干式儲(chǔ)存設(shè)備的生產(chǎn)商必須基于上述要求,結(jié)合具體的乏燃料參數(shù)及核電廠特性,有針對(duì)性的開發(fā)出不同型式的產(chǎn)品,并且需要通過環(huán)境安全、社會(huì)輿論與經(jīng)濟(jì)等各項(xiàng)評(píng)估。

1、金屬容器

金屬具有良好的導(dǎo)熱性,能將乏燃料的衰變熱直接由熱傳導(dǎo)散出。另外由于金屬比混凝土的密度大,在相同的屏蔽效果上,金屬容器的截面積與重量比混凝土的要低。因此金屬容器除作為儲(chǔ)存設(shè)備使用外,也常設(shè)計(jì)成多用途的容器,滿足儲(chǔ)存和遠(yuǎn)途運(yùn)輸?shù)男枰?

國(guó)際上金屬容器式干式儲(chǔ)存設(shè)備的供應(yīng)商主要有GNS、Holtec、NAC、Transnuclear等公司。下面選幾個(gè)有代表性的產(chǎn)品進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹:

(1)GNS公司的產(chǎn)品:GNS公司的CASTOR系列金屬容器,針對(duì)不同的燃料及需求有許多不同的改良類型。CASTOR-440/84在容器的頂部、底部與周圍都有一層中子吸收材料,并利用金屬的包覆達(dá)到輻射屏蔽與結(jié)構(gòu)安全的目的,燃料的熱量則直接通過容器最外圍的金屬散熱片導(dǎo)出。BAM曾對(duì)CASTOR容器進(jìn)行一系列的跌落試驗(yàn)與分析,其中包含最嚴(yán)格的19.5m跌落試驗(yàn),都能滿足高標(biāo)準(zhǔn)的安全要求。

(2)Holtec公司的產(chǎn)品:Holtec公司的金屬容器主要包括Hi-star100。Hi-star100容器具有儲(chǔ)存及運(yùn)輸雙功能。儲(chǔ)存時(shí)垂直放置,運(yùn)輸時(shí)搭配減震器水平放置運(yùn)輸。容器結(jié)構(gòu)主要分為三層,最內(nèi)層為鋼內(nèi)襯,與燃料密封鋼筒相鄰,中間層為厚層鋼板,用于屏蔽Gamma射線,最外層則用鋼板薄殼包覆中子吸收材料。由于整體材質(zhì)都是良好的導(dǎo)熱材料,可以直接使用熱傳導(dǎo)的方式將燃料熱量排走。

(3)NAC公司的產(chǎn)品:NAC公司的STC和S/T容器也具有儲(chǔ)存及運(yùn)輸功能。STC與S/T兩者之間的差別在于有無搭配密封鋼筒。STC須搭配密封鋼筒,燃料先裝載到密封鋼筒后,再置入儲(chǔ)存容器中。S/T系列則沒有密封鋼筒,需將容器整體吊入裝罐池進(jìn)行裝載。目前大亞灣核電站使用的乏燃料運(yùn)輸容器就是NAC-STC型容量。S/T系列則主要應(yīng)用于乏燃料的中間儲(chǔ)存。

(4)Transnuclear公司的產(chǎn)品:Transnuclear公司的TN系列金屬容器,其頂蓋使用螺栓式固定,此方式不需焊接,施工較簡(jiǎn)便,并具有較佳的耐候性。搭配減震器后,可用于運(yùn)輸。其側(cè)面壁體配置有垂直方向的散熱片,但此容器的中子屏蔽最外層再加一圈鋼板包覆,使其整體外觀為較規(guī)整,利于燃料裝罐后去污工作。

2、混凝土容器

因混凝土是良好的輻射屏蔽材料,因此常被用作核廢料儲(chǔ)存結(jié)構(gòu)。加上成本低、原料容易取得、制造技術(shù)及設(shè)備需求較簡(jiǎn)單等,受到普遍青睞。

目前國(guó)際上常見有GNS、Holtec、Transnuclear與NAC等廠家所生產(chǎn)的混凝土和混凝土模塊干式儲(chǔ)存容器,已廣泛地為世界各國(guó)核電廠所使用。以下按不同公司生產(chǎn)的產(chǎn)品進(jìn)行介紹:

(1)GNS公司的產(chǎn)品:CONSTOR系列混凝土容器屬于鋼板包覆式混凝土容器。是以重混凝土作為屏蔽和中子吸收材料。該容器為密封式的儲(chǔ)存容器,因其使用重混凝土,能以較小的厚度達(dá)到相同的屏蔽效果,同時(shí)獲得較佳的導(dǎo)熱性,再搭配補(bǔ)強(qiáng)鋼筋,可進(jìn)一步提升容器強(qiáng)度及導(dǎo)熱性。此外,由于重混凝土的使用使重量較輕,提高了可運(yùn)輸性也是CONSTOR系列容器的一個(gè)特色。但是重混凝土原料較難獲得且成本較高,所以多數(shù)混凝土容器仍以普通混凝土作為主要材料,所以必須搭配對(duì)流散熱機(jī)制才能達(dá)到良好的熱量導(dǎo)出。

(2)NAC公司的產(chǎn)品:NAC公司產(chǎn)品有UMS、MPC與MAGNASTOR三種混凝土干式儲(chǔ)存容器,都是被動(dòng)通氣式混凝土容器。其中MPC與UMS是同一系列產(chǎn)品,其容器設(shè)計(jì)大致相同。NAC公司為我國(guó)臺(tái)灣乏燃料干式儲(chǔ)存設(shè)備的技轉(zhuǎn)廠家,臺(tái)灣金山核電廠采用的是經(jīng)改良的INER-HPS干式儲(chǔ)存系統(tǒng),便是自NAC的UMS系統(tǒng)進(jìn)行局部修改而成。為再增加屏蔽效果及安全性,臺(tái)灣采用的INER-HPS系統(tǒng)在容器外圍又設(shè)置了一層厚350mm的混凝土屏蔽層。NAC公司考慮未來乏燃料儲(chǔ)存將朝高容量與高燃耗的方向發(fā)展,儲(chǔ)存設(shè)備需有更好的散熱效果,于是改良研發(fā)出MAGNASTOR系統(tǒng)。除容量增加外,MAGNASTOR在設(shè)計(jì)上向改善容器外的輻射劑量及提升其散熱功能方面著手。其進(jìn)氣口的設(shè)計(jì)較扁平,可減少進(jìn)氣口處的輻射劑量,容器內(nèi)壁的鋼內(nèi)襯表面,鰭還設(shè)計(jì)許多垂直方向的狀結(jié)構(gòu),以提高熱對(duì)流效率。

(3)Holtec公司的產(chǎn)品:Hi-Storm 100混凝土容器,包含了鋼板包覆式混凝土容器與通氣式混凝土容器的設(shè)計(jì),并結(jié)合上述二者的優(yōu)點(diǎn)。鋼板層內(nèi)包覆普通鋼筋混凝土,因采用鋼板包覆式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),能避免內(nèi)部混凝土遭受外界環(huán)境侵蝕,有較好的耐久性;又可提高儲(chǔ)存容器的強(qiáng)度及耐震性。此外,外層鋼板進(jìn)行光滑處理及保護(hù)涂層,有利于除污工作。Hi-Storm100混凝土容器的進(jìn)氣口設(shè)計(jì),利用底部曲折的混凝土間隙結(jié)構(gòu),作為熱對(duì)流時(shí)的進(jìn)氣口,以避免輻射直接外溢。下方底座屏蔽與內(nèi)壁體間,有環(huán)狀間隙能讓空氣自進(jìn)氣口進(jìn)入后流經(jīng)底座屏蔽周圍、容器內(nèi)壁與密封鋼筒的間隙,至排氣口排出。

自1986年美國(guó)核管會(huì)頒發(fā)第一張乏燃料干式儲(chǔ)存容器許可證以來,截止2012年底,國(guó)際上已經(jīng)建立了存量接近4萬噸的干式儲(chǔ)存設(shè)施。

1、美國(guó)乏燃料干式儲(chǔ)存應(yīng)用狀況

美國(guó)目前在運(yùn)的核電機(jī)組有104座,共產(chǎn)生了約7萬噸乏燃料,并以每年2千噸的速度遞增。美國(guó)的乏燃料采用直接處置的政策,由于乏燃料及高放廢物處置場(chǎng)建設(shè)計(jì)劃推遲,核電廠必須自行解決乏燃料離堆儲(chǔ)存問題。美國(guó)的乏燃料離堆儲(chǔ)存采用干式儲(chǔ)存的方式,目前有超過70%的核電廠建立了乏燃料干式儲(chǔ)存設(shè)施。有約2萬噸的乏燃料儲(chǔ)存在或即將轉(zhuǎn)移至干式儲(chǔ)存設(shè)施中。

2、日本乏燃料干式儲(chǔ)存應(yīng)用狀況

日本擁有50臺(tái)在運(yùn)核電機(jī)組,每年卸出約900噸乏燃料。日本核電廠產(chǎn)生的乏燃料主要存儲(chǔ)在核電廠的乏燃料池中。由于乏燃料存儲(chǔ)量已接近乏燃料池的容量,一些核電廠被迫增加存儲(chǔ)能力,以避免乏燃料池的存儲(chǔ)量超出儲(chǔ)存能力。1997年?yáng)|京電力公司的福島第一核電廠建成了一個(gè)由20個(gè)金屬儲(chǔ)存容器組成的干式儲(chǔ)存設(shè)施。日本原子能公司的東海2核電廠建造了容量為260噸(24個(gè)屏蔽容器)干式金屬罐儲(chǔ)存設(shè)施。

3、法國(guó)乏燃料干式儲(chǔ)存應(yīng)用狀況

法國(guó)目前運(yùn)行的核電機(jī)組有58臺(tái)。法國(guó)在執(zhí)行核能計(jì)劃初期,由于自產(chǎn)的鈾礦數(shù)量有限,為了提升法國(guó)能源的安全性,強(qiáng)調(diào)乏燃料是一種資源而不是廢物,即采取乏燃料再循環(huán)利用策略。

法國(guó)僅建有一座乏燃料干式儲(chǔ)存設(shè)施,用于儲(chǔ)存法國(guó)原子能的重水研究堆產(chǎn)生的乏燃料,儲(chǔ)存能力為180噸。

4、韓國(guó)乏燃料干式儲(chǔ)存應(yīng)用狀況

韓國(guó)在運(yùn)的核電機(jī)組有23臺(tái)。到2007年底儲(chǔ)存中的壓水

堆乏燃料存量為4,327.53噸;重水堆乏燃料為5,092.33噸(其中2,425.68噸為干式儲(chǔ)存,2,666.65噸為濕式儲(chǔ)存)。除了部分重水堆乏燃料儲(chǔ)存于Wolsong核能電廠內(nèi)的干式儲(chǔ)存設(shè)施外,其余均采用在核電廠內(nèi)濕式儲(chǔ)存。核能電力公司-韓國(guó)水力與核能發(fā)電公司所負(fù)責(zé)營(yíng)運(yùn)的壓水堆電廠,由于廠區(qū)內(nèi)空間不夠,計(jì)劃建設(shè)一個(gè)異地集中干式貯置場(chǎng)。

5、加拿大乏燃料干式儲(chǔ)存應(yīng)用狀況

加拿大目前共有19臺(tái)核電機(jī)組在運(yùn),堆型以重水堆為主。乏燃料目前暫貯在核電廠及中間儲(chǔ)存設(shè)施中,目前統(tǒng)計(jì)有來

自22個(gè)核電機(jī)組及2個(gè)研究用反應(yīng)堆所產(chǎn)生的42,000噸乏燃料。乏燃料從反應(yīng)堆卸出后,先在水池中儲(chǔ)存7年到10年,以降低其輻射熱與放射性,之后再移轉(zhuǎn)到干式中間儲(chǔ)存設(shè)施中。

6、英國(guó)乏燃料干式儲(chǔ)存應(yīng)用狀況

英國(guó)目前運(yùn)行中的核電機(jī)組有16臺(tái)。反應(yīng)堆類型大多是先進(jìn)的氣冷堆,其產(chǎn)生的乏燃料在核電廠內(nèi)短暫儲(chǔ)存至少100天后,以鐵路方式運(yùn)到燃料處理廠進(jìn)行儲(chǔ)存與再處理。干式儲(chǔ)存部分則僅有Wylfa電廠建設(shè)干式儲(chǔ)存設(shè)施。英國(guó)乏燃料管理策略以往是采取再處理方案,然而在2009年公布的國(guó)家核能發(fā)電政策初稿中,新建造的核電機(jī)組將采取開放式燃料循環(huán),乏燃料將長(zhǎng)期儲(chǔ)存100年后移至最終處置場(chǎng)存放。

7、我國(guó)乏燃料干式儲(chǔ)存應(yīng)用狀況

我國(guó)目前在運(yùn)核電機(jī)組17臺(tái)。秦山三期核電廠(重水堆)為解決乏燃料的出路問題,參考其他CANDU堆的通用做法,在秦山三期核電廠區(qū)內(nèi)選用加拿大AECL公司的MACSTOR-400型混凝土模塊技術(shù)建造乏燃料臨時(shí)儲(chǔ)存設(shè)施。該設(shè)施計(jì)劃建設(shè)18個(gè)QM-400乏燃料干式儲(chǔ)存模塊,已于2009建成了2個(gè)儲(chǔ)存模塊,并每隔5年建造2個(gè)模塊。除此以外,國(guó)內(nèi)其它機(jī)組還沒有干式儲(chǔ)存設(shè)施。

盡管上述各種乏燃料干式儲(chǔ)存設(shè)備各有特點(diǎn),但無外乎都是在確保乏燃料的安全操作、臨界安全、余熱導(dǎo)出、防止放射性物質(zhì)外逸以及避免操作人員接受超過規(guī)定的劑量的前提下實(shí)現(xiàn)乏燃料從核電站內(nèi)儲(chǔ)存水池轉(zhuǎn)運(yùn)到中間儲(chǔ)存設(shè)施中。

經(jīng)過前面各廠商的各種乏燃料干式儲(chǔ)存設(shè)備技術(shù)的簡(jiǎn)單介紹,我們不難發(fā)現(xiàn)其發(fā)展趨勢(shì)可以歸納為以下幾方面:

(1)向著更經(jīng)濟(jì)的方向發(fā)展,由金屬容器演變?yōu)榛炷寥萜?。比如干井式?chǔ)存法,就是在地下構(gòu)建混凝土存儲(chǔ)容器,利用大地進(jìn)行屏蔽和提供熱阱,在經(jīng)濟(jì)性、輻射屏蔽和散熱能力上有較大的優(yōu)勢(shì)。

(2)由單一用途容器演變?yōu)殡p用途容器。

(3)向更大容量方向發(fā)展。

(4)向裝載更高燃耗,以及鈾钚混合燃料的方向發(fā)展。

截至2012年底,國(guó)內(nèi)已運(yùn)行的核電機(jī)組有17臺(tái),總裝機(jī)容量為1,36萬千瓦,每年將產(chǎn)生300多噸的乏燃料,目前已累計(jì)產(chǎn)生4,489組乏燃料,至今已外運(yùn)的有858組乏燃料。隨著在建核電站的陸續(xù)投運(yùn),后續(xù)核電站乏燃料外運(yùn)需求將更多。“十二五”期間,預(yù)計(jì)新產(chǎn)生乏燃料4,249組,需離堆儲(chǔ)存的乏燃料將有576組;“十三五”期間預(yù)計(jì)將新增9,500組,需離堆儲(chǔ)存的乏燃料將有3,200組左右;按照如今建設(shè)速度和規(guī)模,到2020年,累積產(chǎn)生的乏燃料將會(huì)達(dá)到14,000組以上。

根據(jù)我國(guó)在運(yùn)核電站2011～2025年需要離堆儲(chǔ)存的乏燃料統(tǒng)計(jì)共有約8,276組。我國(guó)現(xiàn)有的500噸離堆儲(chǔ)存水池已經(jīng)飽和無法繼續(xù)接收乏燃料。正在西北擴(kuò)建的800噸乏燃料水池,計(jì)劃2013年底投入運(yùn)行,可接收約1,600組乏燃料。“十二五”期間計(jì)劃開工建設(shè)1,600噸儲(chǔ)存水池,含400噸和1,200噸各一個(gè),計(jì)劃分別于2015年和2018年投運(yùn),可接收約3,200組乏燃料?！笆濉逼陂g計(jì)劃再建設(shè)一個(gè)1,200噸乏燃料儲(chǔ)存水池,預(yù)計(jì)2020年投入運(yùn)行,可以儲(chǔ)存約2,400組乏燃料。如果進(jìn)展順利的話,我國(guó)離堆乏燃料儲(chǔ)存水池2011～2025年預(yù)計(jì)總共可以儲(chǔ)存6,956組乏燃料,尚有1,320組乏燃料的缺口,這部分乏燃料需要另想辦法。如果后續(xù)離堆儲(chǔ)存設(shè)施的建設(shè)進(jìn)度跟不上,后期乏燃料外運(yùn)與離堆儲(chǔ)存的壓力將會(huì)越來越大,這將影響到核電站的安全運(yùn)行。

乏燃料干式儲(chǔ)存是被國(guó)際經(jīng)驗(yàn)證明更安全、靈活性更好的乏燃料儲(chǔ)存方式,也更符合我國(guó)乏燃料離堆儲(chǔ)存的現(xiàn)實(shí)需求?？梢詾槲覈?guó)后處理大廠引進(jìn)和技術(shù)研發(fā)提供充足的時(shí)間緩沖。是乏燃料后處理未來發(fā)展的必然選擇。同時(shí)乏燃料干式儲(chǔ)存設(shè)施也將成為一個(gè)新興的產(chǎn)業(yè),市場(chǎng)潛力巨大。因此根據(jù)我國(guó)核燃料循環(huán)后端發(fā)展現(xiàn)狀,有必要盡快開展我國(guó)乏燃料干式儲(chǔ)存設(shè)施的研發(fā)和建設(shè)工作。

從堆芯卸出的乏燃料存放在具有冷卻裝置的乏燃料儲(chǔ)存池內(nèi)，排除乏燃料釋放的熱量。為了降低水的放射性強(qiáng)度和保持其透明度以便于各種水下操作，乏燃料儲(chǔ)存池和換料水池的水必須凈化，并保持規(guī)定的水質(zhì)指標(biāo)。

為滿足單一故障準(zhǔn)則，乏燃料儲(chǔ)存池冷卻和凈化系統(tǒng)通常設(shè)置兩個(gè)冷卻系列和一個(gè)凈化回路。每個(gè)冷卻系列各設(shè)有一臺(tái)冷卻泵和一臺(tái)冷卻器，凈化回路則設(shè)有兩臺(tái)凈化泵和一套過濾和樹脂床裝置。乏燃料儲(chǔ)存池水由冷卻泵吸出經(jīng)冷卻器冷卻后，大部分直接返回池內(nèi)，小部分被凈化泵吸出經(jīng)過濾器及樹脂床進(jìn)行凈化。凈化泵的流量應(yīng)使全部池水在一天內(nèi)至少凈化一次。乏燃料儲(chǔ)存池須嚴(yán)防泄漏，并有大于自然蒸發(fā)損失的補(bǔ)水能力，以保持池中水位高于燃料組件3m以上。水池的各種接管均須高出正常水位，并設(shè)有防虹吸的斷流設(shè)施。

系統(tǒng)的冷卻能力要考慮停堆150h后1/3堆芯的衰變熱和池內(nèi)乏燃料組件最大儲(chǔ)存量的衰變熱，以及緊急停堆換料時(shí)一個(gè)全堆芯停堆150h后的衰變熱，同時(shí)保持池水溫度低于50℃(在高溫季節(jié)，可投入兩個(gè)系列來保證)。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生能動(dòng)部件單一故障時(shí)，池水溫度也不得超過75℃。系統(tǒng)的冷卻和補(bǔ)水部分均要求按核安全3級(jí)及抗震I類設(shè)計(jì)。

合成氫燃料的儲(chǔ)存與輸送

由于合成氫燃料解決了在常溫狀態(tài)下的儲(chǔ)存問題，使得儲(chǔ)存和輸送問題變得簡(jiǎn)單，完全可以利用天然氣或者煤氣的儲(chǔ)存方法和設(shè)備。

儲(chǔ)存

合成氫燃料的儲(chǔ)存可用儲(chǔ)氣庫(kù)、儲(chǔ)氣罐、儲(chǔ)氣管、儲(chǔ)氣瓶等。

輸送

合成氫燃料的輸送可用管道輸送、車輸送等。

貯存和冷卻乏燃料組件和破損燃料組件,以及對(duì)燃料組件進(jìn)行檢查、修復(fù)、運(yùn)輸?shù)人虏僮鞯脑O(shè)施。