压水堆乏燃料干式贮存的安全考量

曹 钧 朱桂明 （江苏省安全生产科学研究院 ，南京，210042）

阚一炜 （江苏省兴安科技发展有限公司 ，南京，210042）

乏燃料干式贮存是指核电厂反应堆卸出的乏燃料于在堆水池冷却一定的时间后，转移至特定场所的干式贮存设施所进行的离堆中间贮存。截至2017年3月31日，我国已投入商业运行的核电机组共36台［1］，其中只有秦山第三核电厂2台CANDU型重水堆机组产出的乏燃料在水池中冷却不少于5年后采取干式贮存，其他的压水堆机组均采取将乏燃料置于在堆水池的湿式贮存。在堆贮存池的容量有限，在运核反应堆又不断产生着乏燃料 ，一旦满容就不能继续收储［2］，并影响压水堆每隔1年或1.5年换料的正常实施。

我国乏燃料的累积量在2015年已达3 100 tU［3］，较早建立的核电厂都面临着在堆贮存池内乏燃料趋于满容的问题［4］。因此，现阶段需要采取在堆湿式贮存和离堆干式贮存并行的方案，亦即将在堆水池中已冷却超过5年以后的乏燃料转移至干式贮存设施作离堆贮存，使在堆水池保持合适的周转容量，能够收贮新产生的乏燃料。

相较于乏燃料贮存池容量难以扩展、二次过滤的放射性废物较难处置、建设和维护成本高等缺点 ，乏燃料干式贮存设施具有贮存量大、几乎不产生废物、建设和维护费用较低、危害控制和事故预防能力更强等显著优势［5］。

乏燃料贮存乃至于出路问题的最终解决，依赖于未来我国建成核燃料循环项目从而形成规模化的乏燃料后处理能力 ，在此规划实现之前 ，尤其是当前阶段，研究并实施乏燃料干式贮存已成为确保我国核电持续稳定发展的一项重要而紧迫的任务。目前大亚湾核电厂、田湾核电厂已经开始部署和实施乏燃料干式贮存设施的建设［6］。

压水堆乏燃料干式贮存在我国是一项新的实践 ，在其实施过程（包括决策、设计、建设、运行和管理等）的各个环节中会遇到一些难以避免和需要重视的安全问题。在此项实践的启动节点，研究乏燃料干式贮存的安全问题，并建立起认识和处置相关安全问题的信息储备，对于预防和减少实施过程中确定与不确定的各类危险因素，促进各核电企业以及整个核电行业对乏燃料干式贮存的优化决策和稳健实施，将是十分必要和有益的。

1 乏燃料干式贮存工艺简析

通过乏燃料转运系统［7］的操作 ，将贮存池内冷却5 a以上的乏燃料装入容器，使用转运辅助设备［8］对容器进行充气排水、风干、充氦气和泄漏检测，待容器符合要求后再吊装于专用运输车 ，运送至干式贮存设施进行中间贮存。乏燃料干式贮存设施主要有混凝土筒仓式和金属容器式两类［9］。如采取金属容器式干式贮存技术 ，则所用的金属容器能够兼具运输和贮存乏燃料的功能。乏燃料干式中间贮存可达50 a，在此期间或期满后具备条件时可进入后处理程序。

1.1 任务区域

乏燃料干式贮存实施过程分为准备、运输、贮存3个阶段，各阶段工艺任务执行和完成的区域可相应地称为准备区、运输区和干式贮存区。两种主要类型乏燃料干式贮存的操作流程见图1。

准备区限于乏贮池所在的核电厂厂房内，此区域内完成将乏燃料装载于容器的操作；运输区包括毗连乏贮池厂房而建的运输专用房和通至干式贮存场的专用道路，运输专用房与乏贮池厂房通过移动式屏蔽门对接；贮存区系指乏燃料干式贮存场 ，包括贮存设施及其四周由实体墙、栏所围护的区域。

图1 压水堆乏燃料干式贮存操作流程

1.2 工艺设备

乏燃料干式贮存的操作和实施过程使用的设备设施主要包括乏燃料转运系统、乏燃料转运辅助设备、容器、专用运输车、干式贮存设施 ，以及用以提升、吊装乏燃料设备的各类起重设备等。

（1）乏燃料转运系统：包括水下操作工具、桥式起重机和操作平台 ，以及主要由手动阀、电磁阀和冷却器构成的台架与冷却模块等辅助设备。该系统负责将乏燃料于贮存池水下置入贮存篮，再装入容器 ；对容器进行清污、排水、干燥、充氦和泄漏检查后，通过起重操作而装载于专用运输车。

（2）转运容器 ：主要由容器壳体、容器密闭系统和减震器等部分组成，容器壳体则是由钢质结构层、γ屏蔽材料层和中子屏蔽材料层所构成。

（3）乏燃料吊篮 ：主要由乏燃料组件套筒、支撑板和传热板构成。套筒结构为双层不锈钢壁，其中间夹层填充中子吸收材料，可保持乏燃料处于次临界状态。

（4）专用运输车：负责将容器运至干式贮存区，并将卸空的容器送返准备区。

（5）干式贮存区主要设备设施：干式贮存区的核心是乏燃料干式贮存容器及其具有散热、屏蔽和围护功能的配套设施，其他设备包括起重机、辐射监测仪等。

两种主要干式贮存设施技术特点列于表1。

2 危险因素分析

2.1 准备区

准备区的放射性危害因素主要是由γ射线所产生的外照射。对于乏燃料产生的α、β射线、乏燃料中裂变产物和锕系元素释放的缓发中子，前两者可被完全屏蔽，后者产额很低并可有效屏蔽，因而对它们所形成的外照射可以忽略。

准备区可能存在放射性气溶胶和表面污染。放射性气溶胶主要是容器在清洗、干燥等过程中产生并可能被泄漏至准备区空间；表面污染则是由于操作乏燃料组件和容器的工具所粘附的池水、容器清洗所产生的废液滴落到准备区的地面、物体表面所造成。

准备区主要使用运动装置和起重设备操作乏燃料组件和容器，因而可能给作业人员带来起重伤害、机械伤害、高处坠落等危险。尤其是当运动装置失控、零部件重物脱落、设备碰撞和人因失误等事件损害或破坏乏燃料装载设备的包容、屏蔽和围护结构时，可造成或加重放射性危害。

表1 两种主要的乏燃料干式贮存设施的技术特点

准备区已完成装载乏燃料的容器在焊接过程中产生的锰烟等电焊烟尘和氮氧化物等有害气体，一般都能有效地排放于准备区厂房内排风系统，对作业人员的影响较轻 ，但当作业人员个体防护不当时，产生的电弧光及其紫外辐射可能对其眼睛、皮肤等造成灼伤。此外 ，电焊过程中所涉及的电气设备和电缆可能会因为腐蚀、超负荷、绝缘老化和短路等现象引致火灾 ，或使其他介质、装置过火而扩大火灾。

2.2 运输区

运输区可能出现放射性危害的情况包括：当准备区出现放射性异常，而屏蔽门又处于开启状态时 ，运输专用厂房会受到波及；装载乏燃料的容器装车后定位于运输车的承载盘，如准备区干燥等作业失误，使得容器表面残留有池水并滴落于承载盘甚至卡车表面、轮胎等处，会造成这些部件的表面污染；运输途中万一发生倾覆和严重撞击事故 ，损坏容器的屏蔽结构 ，司机、随车人员甚至事故处理和救援人员受γ射线照射的机会和剂量率都会增加。

2.3 干式贮存区

乏燃料干式贮存设施无气载和液态的放射性物质释放至大气、地表水和地下水中 ，因而贮存区的危险因素除了γ辐射外，主要是对干式贮存设施具有破坏性影响的因素，即对放射性物质包容的完整性、乏燃料贮存的临界安全、衰变热的移除和辐射防护具有破坏和扰动作用的各种因素。

2.3.1 包容完整性

干式贮存的乏燃料具有锆合金包壳和金属容器所组成的密封屏障，可在贮存的全周期内保持对放射性物质的包容。锆合金包壳的强度较弱，在转运和装贮时遇及撞击、震动较易发生破损 ；容器同样在转运、装贮时可能因为跌落、碰撞而受损；长期持续的电离辐射也会对容器材质产生缓慢的损害；金属容器受到外界因素侵损的机会最多 ，如：大气中酸性污染气体、酸雨、沿海区域的盐雾对其外表材质的腐蚀，外界温度和湿度的变化对其结构组织的损害，重物撞击、爆炸甚至坠机、高烈度地震等难以预计的事故和灾害的破坏等。

密封屏障受到损坏和出现缺漏，干式贮存设施的包容失效，不仅造成放射性物质泄漏 ，而且会使空气和现场可能存在的水（如发生洪涝灾害）进入干贮设施核心，乏燃料的锆合金包壳接触空气而氧化升温 ，高温下可发生锆水反应 ，包壳损坏使得放射性外泄和污染，反应产生的氢气与进入的空气在较为有限的空间混合，达到爆炸极限后在高温时会发生爆炸，导致放射性物质更大范围的扩散和污染，作业人员和公众受到严重的放射性危害，甚至可造成重大的人员伤亡。

2.3.2 临界安全

对乏燃料干式贮存临界安全具有不利影响的因素主要有：乏燃料的富集度评估和临界分析失当，在其基础上建立的乏燃料干式贮存方案存在偏差，导致贮存数量以及贮存操作的不合理 ；吊篮在装入贮存容器时，如因操作失误而发生碰撞和跌落，或者贮存场发生爆炸等意外事故 ，可能会损坏贮存容器 ，使得内置的吊篮结构变形 ，篮内中子吸收材料的包覆完整性受到破坏，贮存几何条件发生改变 ，甚至造成外界的水等慢化物的侵入 ；金属贮存容器焊封、吊篮装入贮存容器时有异物介入，如塑料胶带和垫片等慢化材料、具有酸性和氧化性的腐蚀材料等，也会对临界安全造成威胁。

2.3.3 衰变热移除

干式贮存乏燃料产生的衰变热主要凭借空气自然对流而排出。金属容器式干贮设施为促进排热而采取外表面加置散热片的设计，乏燃料的衰变热通过容器壁传导至容器外表面以及散热片，释放于大气；混凝土筒仓式干贮设施的下部和上部分别设有空气入口和出口，外界空气从下部入风口进入内置容器与混凝土体之间的空腔，吸收热量后从上部出风口排出至大气中。此外，被屏蔽的γ射线产生的热量以及少部分衰变热通过混凝土体的热传导而释放。

金属容器式干贮设施外表面散热片如果受到损坏或者被外界异物侵占，则其吸热能力和热传导能力均会减低 ，影响衰变热的移除；混凝土筒仓式干贮设施可能会因为空气入、出口出现异物占位、堵塞而使空气对流不畅，影响衰变热的排出。最有可能侵占和堵塞的异物是鸟、鼠、蛇等小动物，落叶、废纸等一些片状、条索状的异物也可能被风吹入。

乏燃料衰变热移出减少将使贮存设施内部形成热蓄积，温度不断升高，会造成乏燃料组件、吊篮、贮存容器局部温度达到或超出温度限值 ，使密封结构破坏，造成辐射强度的加大甚至于放射性物质的外泄 ，引发放射性事件/事故。

2.3.4 辐射屏蔽

金属容器式干贮设施的辐射屏蔽主要由厚壁的金属容器和内置吊篮构成。混凝土筒仓式干贮设施则是由吊篮、薄壁的金属容器、混凝土构造体及其外覆钢板组成屏蔽层，其中混凝土构造体的屏蔽效能最强，可以弥补薄壁金属容器的屏蔽弱势。

影响辐射屏蔽效能的因素主要有 ：吊篮、金属容器在制造和安置过程中可能存在的质量缺陷，长期而缓进性地致使屏蔽层材质组织结构受腐蚀和劣化的大气有害因素和电离辐射，引起外道屏蔽层的变形和损伤的重物撞击、破坏性爆炸等。贮存设施屏蔽层结构如受到损害会减弱对γ射线的屏蔽 ，尤其是当筒仓式设施的迷宫型入、出风口受到破坏时 ，将增加γ射线的外泄 ，会造成贮存场内作业人员受照剂量率增加、超出限值 ，以至造成健康损害。

2.3.5 其他危险因素

根据干式贮存场所使用的设备和作业内容，可以推定乏燃料干式贮存和维护管理过程中存在着起重伤害、高处坠落、机械伤害等职业危险因素，以及筒仓式干贮设施内的金属容器焊封时产生的电焊烟尘等职业危害因素；此外还存在着雷击、龙卷风、洪水、地震等自然灾害危险。

3 防控对策研究

3.1 辐射危害因素防控

3.1.1 准备区

（1）外照射危害的防控

准备区作业过程中最有可能增加γ外照射的操作环节有两个：一是检查拟进行干式贮存的乏燃料组件是否完好，二是将检查合格的乏燃料组件逐件装入贮存篮的套筒中，两者皆于水下进行。如果操作过程发生失误，导致乏燃料组件向上位移甚至出水，会使瞬态辐射剂量升高。预防的关键是必须精准操作，确保乏燃料组件上方有足够厚度的屏蔽水层，同时尽可能缩短暴露时间并保持足够的操作距离。乏燃料组件装篮完成后，须确保容器的密封可靠。此外 ，在准备区以及专用运输厂房合理布点进行γ剂量率连续监测，实时了解外照射的分布和变化情况，及时进行因应处置。

（2）放射性气溶胶的防控

放射性气溶胶主要产生于容器清洗、干燥等过程中，预防关键是确保乏燃料转运系统内保持负压环境和通风、过滤功能的完好性。同时，准备区卫生出入口需严格管控，工作人员需更衣进入和下班淋浴后离开。

（3）松散污染的防控

乏燃料操作工具水下作业、容器出水及清洗等过程中 ，应确保操作的精准度和熟练度 ，防止池水和清洗残液滴漏于池外地面和设备表面；及时对准备区地面、容器的表面进行检查和检测，一旦发现污染，立即使用中性去污剂（或除盐水）进行去污处理。去污产生的废液需无泄漏收集后送入核电站放射性废液处理系统处置。

3.1.2 运输区

对于乏燃料装车和起运时运输专用厂房的γ幅射，通过辐射监测和报警系统进行连续的剂量监测，以实时监控异常情况并当即处置。在场工作人员应正确穿戴个体防护用品；对于可能会出现的放射性气溶胶，应将屏蔽门（乏贮池厂房和运输专用厂房之间）与运输专用厂房门（专用运输车进出）设置联锁装置 ，使得两者不能同时开启，以保持乏贮池厂房内的微负压状态。工作人员不得从运输专用厂房门进出，而应从规定的卫生出入口进出。凡人员离场时应对手和衣物、鞋底进行放射性污染检测；对专用运输车的承载盘和轮胎等可能会存在松散污染的部位进行检查和检测，发现污染即进行擦拭清污。经检测确认没有污染后，运输车才可离开辐射控制区。

乏燃料运输过程中须做好沿途安保，确保路况顺畅 ，杜绝意外的车辆和交通事故的发生。

3.1.3 贮存区

贮存区辐射危害预防的主要内容是对γ射线的屏蔽以及监测和管控。金属容器式干式贮存设施主要凭借容器的厚壁发挥屏蔽效用，因而其选材制造和组装集成的质量、基址处理和定位固置的工况、容器表面的抗腐蚀涂层保护、对外物撞击和损害的防备等方面都需要达到优质和完善的要求，确保设计所规定的屏蔽效能在全寿期内有效实现；混凝土筒仓式干贮设施除全寿期都要符合上述要求外 ，还应针对γ射线较易从筒仓的通风入、出口漏出的特点 ，在设计和建设过程中赋予通风口迷宫型结构以减少漏束，在运维和管理过程中加强对迷宫型通风口的观察、检查和保护。此外，还需健全辐射监测、作业人员个体防护、墙栏实体围护和贮存场安全保卫等体系，以确保乏燃料干贮过程安全无虞。

3.2 放射性包容

在规划和设计阶段，应对干式贮存设施的结构和材料在较为漫长的寿期内出现腐蚀、疲劳、蠕变、收缩、老化和受外力作用变形等问题 ，以及可能遇到的各种事故的破坏情况 ，进行全面考虑 ，采取有效的防护措施，确保在正常运行工况和设计基准事故工况下，都能保持干式贮存设施的结构完整和功能齐全。

干式贮存设施能否保持对放射性物质的包容，关键在于三道密封屏障的完整性能否得到有效保障。对于锆合金包壳完整性的保护，要求涉及乏燃料的所有操作严守规程 ，精准谨慎 ，防止误操作和碰撞、震动等剧烈动作所造成的损害。禁止锆合金包壳暴露于空气并与水接触的机会，以杜绝锆水反应所致包壳破损与氢气产生和爆炸的可能性；对于容器及其乏燃料吊篮的操作同样需要严谨细致 ，防止跌落、撞击而受损；金属贮存容器在定位固置时，需考虑因热膨胀而与基址面相挤压的问题以及防止其受损的缓冲措施；贮存容器需内部充入惰性气体，外表涂敷相关的功能性涂料，以缓解氧化、腐蚀所致的慢性损害。

应根据不同类型的干式贮存设施的特点采取针对性的防护措施。金属容器式干式贮存设施的容器壁厚度大，具有足够的强度 ，但因完全暴露而受到直接损害的概率较大，故应将外物打击侵害作为预防重点；混凝土筒仓式干式贮存设施虽然增加了混凝土体和钢板面的保护，但其容器壁较薄，对经由通风口进入的腐蚀性物质等有害因素的抵抗能力也相对为弱。如果混凝土体及其通风口受到破坏，则外界的有害因素即较易对其造成损害。因而应将混凝土体及其通风口结构和功能的保护作为防控重点。

3.3 临界安全

设计和建设过程中应赋予干式贮存设施足量、长效的预防损害的能力 ，确保全寿期内乏燃料贮存和装载设备的完整，使干式贮存的乏燃料始终处于次临界状态 ；制定贮存方案时 ，推荐采用燃耗信任制对拟干式贮存的乏燃料进行临界分析，计算贮存设备设施装载不同燃耗乏燃料的 keff，只有当 keff＜0.95时方可符合临界安全的要求［10］，据此确定贮存数量并规定操作要求；加强对乏燃料干式贮存作业过程的安全监督和管理，防止人为因素引起的操作失误和乏燃料贮存条件的改变，杜绝中子吸收材料层受损、慢化物侵入、几何变形和反射变化等各种失误后果对临界安全造成的威胁；重视对不确定性风险的预测、预评和预防，制定可行、可靠的应对预案并适时演练 ，将爆炸和火灾等事故、洪水漫淹和暴雪覆压等灾害以及地震、坠机、陨石坠落等低概率事件都纳入预案范畴。

3.4 衰变热移除

衰变热移除能够保持正常化和长效化的关键在于观察和检查。加强对干式贮存设施的常规检查和监控 ，及时发现影响衰变热移除的因素 ，及时对症处置并排除。对金属容器式干贮设施应重点检查和保护其表面的散热片，及时消除可能发生的异物占位和降尘积聚现象；对混凝土筒仓式干贮设施防护的重点是保持空气入、出口的通畅 ，防止小动物和异物进入而造成排热障碍。

3.5 非放射性危害

对于乏燃料干式贮存作业过程中存在的起重伤害、机械伤害、车辆运输伤害、高处坠落等危险因素和电焊烟尘等有害因素，应遵照职业安全卫生的相关法规和标准进行预防和控制。

4 重水堆乏燃料干式贮存的经验借鉴

秦山第三核电厂引进加拿大原子能有限公司（AECL）的技术 ，于2010年建成了重水堆乏燃料干式贮存场，关键设施QM－400模块包括混凝土构造体及其内置的金属贮存容器和乏燃料贮存篮，组成结构与混凝土筒仓式干式贮存设施相仿。该厂两台重水堆机组产生的乏燃料经在堆贮存池不少于5 a的冷却后，均转运至QM－400模块作离堆贮存。笔者基于对该厂的现场调查和对重水堆乏燃料干式贮存安全影响因素的分析［11］，认为重水堆乏燃料干式贮存已取得的实践成果，对压水堆乏燃料干式贮存具有重要借鉴意义。

4.1 较有代表性的操作问题

重水堆乏燃料干式贮存过程中遇到的操作方面的安全问题、解决对策 ，以及可以对压水堆乏燃料干式贮存所具有的参考作用，总结于表2。

4.2 主要管理经验

（1）从规划、设计、建设、投运、验收到运行操作、维护管理的每一步骤和环节 ，都严格执行核安全法规和标准，确保了干式贮存设施质量的可靠性、乏燃料装运和贮存操作的规范性。

（2）重水堆乏燃料干式贮存场处于核电厂厂址范围内 ，但与反应堆保持足够的距离 ，既可满足乏燃料离堆贮存的要求，又考虑了与反应堆运行的互不干扰性，还便于充分应用核电厂的辐射监测和安全监管的资源。

（3）各类乏燃料操作设备都保有安全裕量，乏燃料移动操作的取径尽量短而直，保证操作人员的受照符合合理、可行、尽量低的原则。

表2 乏燃料干式贮存的安全操作与管理方面有代表性的问题

（4）对贮存设施运行中所遇问题及时记录和分析 ，研究、改进和优化解决对策，最终定型为操作规程和工艺规范等企业标准，再增益于乏燃料干式贮存设施的运行及管控。

5 结语

本研究对压水堆乏燃料干式贮存过程存在的辐射危害与影响包容完整性、乏燃料贮存的次临界态、衰变热移除和辐射屏蔽的相关因素进行了前瞻性的分析，对秦山第三核电厂重水堆乏燃料干式贮存设施运行过程中有代表性的安全操作问题和管理经验进行了概要总结，在此基础上对压水堆乏燃料干式贮存的实施和安全防护提出了具有针对性和借鉴性的措施和建议，因而可为我国正处于开局阶段的压水堆乏燃料干式贮存设施的建设增添助力。

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［3］洪哲 ，赵善桂 ，张春龙 ，等 ．我国乏燃料离堆贮存需求分析分析［J］ ．核科学与工程 ，2016 ，36（3） ：411 －418．

［4］刘彦章 ，王鑫 ，袁呈煜 ，等 ．压水堆乏燃料中间贮存技术研究［J］ ．核科学与工程 ，2015 ，35（1） ：44 －49 ．

［5］马敬 ，刘继连 ．田湾核电站乏燃料离堆贮存方案研究［J］ ．科技和产业 ，2014 ，14（4） ：147 －153 ．

［6］刘永德．我国核电站乏燃料安全管理有保障［EB/OL］ ．http ：//www ．sastind ．gov ．cn/n112/n117/c6769827/content．html.2017 －01 －22 ．

［7］任宪常 ，何英勇 ，王欢 ，等 ．压水堆核电厂乏燃料转运系统工艺分析［J］ ．起重运输机械 ，2014 ，（4） ：106－110．

［8］翁松峰．压水堆核电站乏燃料运输辅助设备设计［J］．核动力工程 ，2012 ，33（6） ：147 －150 ．

［9］洪哲 ，赵善桂 ，杨晓伟 ，等 ．乏燃料干式贮存技术比较分析［J］．核安全 ，2016 ，15（4） ：75 －81 ．

［10］洪哲 ，赵善桂 ，张敏 ，等 ．乏燃料干式贮存设施临界计算研究［J］ ．核技术 ，2016 ，39（7） ：070601 ．

［11］曹钧．重水堆乏燃料干式贮存安全影响因素分析［J］ ．安全与环境学报 ，2017 ，17（6）：2062 －2068 ．