乏燃料后处理维修技术特点分析

2024-04-22周琦

机械工程师 2024年4期

周琦

（中核龙安有限公司，浙江台州 318000）

0 引言

乏燃料后处理是在高放射、高腐蚀、高毒和高温的严苛环境中进行的，对工艺水平、材料特性、密封包容、设备可靠性、人工干预程度及工厂运维能力要求极高。我国在后处理工艺研究、生产运行及分析检测等方面探索建立了一系列方法并初步形成了技术体系[1]，但相应维修技术与行业发展和国际先进水平之间仍存在较大的差距。随着技术能力积累和管理观念转变，国内后处理运营单位在注重生产效率和安全目标的同时，也在不断提升对维修技术突破的关注。

1 后处理维修技术

后处理维修是指在后处理设备状态劣化或发生故障后为恢复其要求的性能和功能而开展的技术活动，通常可分为预防性维修和纠正性维修。在使设备保持安全性和可用性工作状态的同时，应尽可能地减小运行的中断时间、减少维修人员受到的辐射剂量并避免放射性物质的扩散。基于乏燃料后处理工况环境具有放射性强、化学毒性高、潜在临界风险等基本特性，按照设备分区和工作剂量，后处理维修技术在操作上大致可分为直接维修、远距离维修、间接维修等3种基本形式。

1.1 直接维修

直接维修是指当设备被接触部位和周围环境的辐照水平在低位可接受范围时，工作人员进入设备区域与被维修部件通过直接接触方式进行的维修活动。直接维修前必须撤除或屏蔽放射源，实施必要的清洗去污和放射性控制，将辐射剂量和污染水平降低到可接受限值。在维修过程中严格限制人员进入时间，就地设置临时过渡措施形成屏蔽和包容屏障，保证人员在污染区和非污染区之间的出入安全。热室内进行的此类维修通常属于计划外维修, 人员可能会遭受限值内不可避免的职业性照射。

1.2 远距离维修

远距离维修是指工作人员在工作站通过窥视窗或摄像机，利用遥控吊车、机械手、机器人和专用工具等远距离操纵手段，对安置在辐照或污染水平过高，不允许直接进入的高放热室内模块化机械设备的失效部件进行拆除和更换的非接触性维修操作。

对于低放热室内维修预期不高、寿命低于工厂寿期的化工设备、管道、阀门和仪表等，在开展异常维修时，经初步清洗去污后，利用自动切割机、焊接机和其他远距离操纵手段，遥控拆下被维修部件，再由人员进入设备区域安装新部件，这种维修方式称为半远距离维修。

1.3 间接维修

间接维修是指在可达区采用具有包容和屏蔽能力的维修容器，在仅临时改变而不破坏封闭屏障的情况下，对位于强放射性区域内模块化设备的易损内芯体进行抽取-更换的非直接接触维修操作。维修容器作为间接维修的主要技术载体与物质基础，实现了连续包容和完整屏蔽状态下对标准化设备放射性沾污内芯体的快速拆除、跨区转运和安全更换。

2 法国后处理维修策略

工业规模的乏燃料后处理已有80多年的发展，全球有17个国家从事后处理并建设了包括中间装置和试验装置在内的32个后处理设施。法国采取核燃料闭式循环技术路线，是世界上轻水堆乏燃料后处理规模大、工艺成熟、技术先进的国家之一[2]。本节以法国后处理维修技术为研究对象，梳理分析其后处理维修的深度经验和技术特点。

2.1 法国后处理维修技术发展

法国的后处理技术发展可分为3个阶段：第一阶段以UP1为代表，主要目的是提取武器级钚；第二阶段以UP2和UP2-400为代表，奠定了该国工业规模后处理的基础；第三阶段以UP3和UP2-800为代表，后处理技术进一步改进提升，铀钚分离系数达到99.88%，废物产生量大幅减少，实现了大规模商业化运行[3]。法国3个阶段后处理维修技术的发展情况如表1所示。

表1 法国各阶段后处理维修技术概况

由表1可知，随着工厂创新和经验积累，法国后处理维修技术不断迭代发展，工作人员所受职业照射剂量也随之大幅降低。UP1除机械首端和化学分析之外的其它放射性操作均集中在主工艺厂房，工艺设备分散布置在各个小设备室，着重于选择适当的机械或化学去污手段清洁热室及相关设备后直接接触维修。UP2不同车间选用维修方式不同，中放车间采用直接维修、高放车间采用远距离维修和操作，导致中放车间人员受照剂量显著高于高放车间。UP3大部分机械设备采用远距离维修，化工设备直接或免维修，内芯可拆换标准设备利用维修容器间接维修。

2.2 法国后处理维修技术特点分析

UP3作为法国第三代后处理技术的代表，在设计、建造、调试、运行的各个环节进行了大量的开发与验证工作，数十年稳定运行记录充分证明了相关技术的可靠性与安全性。在维修技术方面，该厂在总结以往运行经验的基础上采取全新维修理念，在设计上进行了重大改进，主要有以下特点：

1）采用“最小维修”策略，即在设备寿期内维修需求和维修作业最小，仅开展使用保障及最少化的计划内维修，无需进行非计划维修活动。这需要对相关工艺设备和流程进行改造与简化，以高置信度保证设备能够在一个完整的生产周期内稳定可靠使用，例如尽量少用动力泵而改用空气提升和蒸汽喷射等方式输送料液、取消与放射性介质直接接触的杆式仪表、一次仪表改用吹气液位计和密度计等，避免了设施在生产期间发生故障。

2）在正常生产周期内可能需要维修的机械设备，如机械首端的剪切机、化学首端的溶解器、玻璃固化工艺的煅烧炉等，布置在适用远距离操作的工艺热室，设置专门的维修吊车和主从机械手等远距离维修措施，相关动力部件安装在与热室毗邻的工作间内。

3）间接维修技术是对直接维修与远距离维修两大后处理维修技术的补充和发展，创造性的开发与运用对于保障设备的可用率和安全性、提高工厂的维修效率和综合效益起到了决定性的关键作用。间接维修容器提供完整的生物屏蔽和有效措施防止污染扩散，充分保证了人员和环境免于过量电离辐射的损害。

3 中国后处理维修概况

过去一个时期内，我国后处理工业发展速度较慢，后处理技术水平不强，基础研究和技术储备不足。近年来，国内研究机构和运营单位不断投入力量加大科研攻关力度，在后处理工艺、设备和维修等能力建设方面取得了显著进步，持续推动我国乏燃料后处理技术的创新和应用。

3.1 中国后处理维修技术现状

国内自20世纪50年代开始相关基础研究，在20世纪70年代开展了动力堆乏燃料后处理技术探索，并于1986年着手进行后处理中试厂的立项工作[4]。本世纪以来，启动了乏燃料后处理科研专项和商业大厂推进工作，中试厂和首座玻璃固化工程相继成功完成热调试，标志着我国实现了乏燃料后处理工艺技术和能力的突破[5]。

中试厂是国内重要的集后处理工艺技术研究与工程应用验证于一体的综合性示范设施，采用Purex流程，处理对象为燃耗33 GW·d/tU的动力堆乏燃料，设计年处理能力为50 t级。围绕该厂的工艺特点和维修需求，国内后处理科研机构深入开展了技术理论和工程应用研究，攻克了立式送料剪切机、间歇式溶解器、倒杯式沉降离心机、折流板脉冲萃取柱等一批关键主工艺设备的设计制造和维修技术。依托核燃料后处理放化实验设施（CRARL）研制了新的系列装备，填补国内空白、形成行业标准，在国际上首次采用台架式热室系统实现对强放设备的及时检维修，解决了热室内设备直接检维修和人员进出热室易造成大面积污染等难题[6]。

综合来看，国内后处理厂维修策略采用的是以直接维修为主、半远距离维修为辅的初级混合维修。对于未经放射性沾污的清洁设备，采用与一般化工厂相同的常规方法和工具进行维修；放射化工设备和放射性流体输送装置尽可能采用免维修设计，压力、液位和密度等测量选用结构简单的一次仪表，避免在生产周期内开展维修活动；辐射环境下有维修需求的设备、管道、阀门和仪表等，在经清洗去污后半远距离或人员直接进入设备间和维修大厅接触维修；对于可拆换的滤芯、阀芯、泵芯等标准模块部件，利用袋封、双盖容器或人工直接抽取到与设备间相邻的维修间，设置临时塑料帐篷或裸防护直接接触维修和更换。

3.2 中国后处理维修技术分析

国内后处理维修在基础研究、设计思想、技术体系和关注程度等方面与国际先进水平之间仍有一定差距，特别是在能有效提高维修效率、降低人员受照剂量的远距离维修和间接维修技术方面较为薄弱。直接维修技术在某些方面存在短板，主要表现为工程设计缺乏系统性和全局性考虑，维修前需进行长时间清洗去污，导致停工时间过长，增加了放射性废物的产生量。

后处理维修活动高度复杂、专业且具有潜在危险性，受工艺和核因素的影响与限制，开展该项工作需严格遵守安全规定、限制作业时间并采取必要的防护措施，保证人员受到的职业照射符合强制规定且合理可行、尽量低（ALARA）。受限于早期设计与建造时的技术水平和基础能力，国内老的运营单位主要采用直接维修和半远距离维修两种后处理维修技术，使得工厂的安全性和经济性无法达到理想水平。在安全方面，工作人员所受集体剂量较高，工艺和设备的本质安全性无法得到有效保证；在经济方面，维修工作效率和工厂开工率不高，增加了物力和人力资源投入，难以达到工厂的经济运行要求。

4 中法后处理维修技术对比

中法乏燃料后处理工厂的运行经验表明，放射性沾污设备的检修是工厂歇产时间长短与工作人员受照剂量大小的主要原因，也是影响项目投资、工程进度和技术可靠性的重要因素。

法国在设备设计制造、工艺厂房布置、维修策略及工器具开发等方面形成了系统化的成熟方案，可用性、可靠性和安全性得以充分验证，适应深燃耗、强活度、高复杂裂变产物的动力堆乏燃料商业后处理大厂需要，对外照射以及α和γ污染的控制要明显优于国内，后处理维修技术先进。

随着中间示范项目的建设和调试，我国在后处理维修技术上取得了很大进步，但相比于国际先进水平还存在一定的差距和滞后，这主要体现在间接维修技术及维修容器的选择和应用上。中间示范厂总结吸收中试厂的运行和维修经验，采取了与UP3相仿的维修设计思路和理念，但该维修设计能否保证新工厂的安全高效运行还待进一步检验。