[科普中国]-乏燃料贮存

原因

乏燃料的比活度很高，还释放大量的衰变热，必须贮存一段时间待放射性和余热降到一定程度后再进行操作及处理。

时间按贮存时间长短乏燃料贮存有短期贮存——约几个月至几年、中间贮存——十几年至几十年和长期贮存三种。其中以中间贮存为最重要，它可以使后处理推迟几十年，或为寻求放射性废物的最佳最终处置方案争取时间。

发展历史世界上主要工业国正在研究各种类型的中间贮存装置，有些已经建成。自1942年建造第一座核反应堆起便开始使用水池贮存。40余年来，贮存水池不仅在结构和设备上有所发展，而且增加了泄漏监测系统、池水清洁设备，设计了抗震的贮存格架，用密集贮存取代了普通贮存。经验证明，水池贮存是安全可靠的。但水池贮存需要连续运行和维修，并产生二次废物，所以又发展了干式贮存。

到20世纪80年代，干式贮存已发展到了利用空气自然冷却的金属屏蔽容器，直接贮存在地面的建筑物内。

贮存方式按贮存方式乏燃料贮存有湿式贮存(水池贮存)和干式贮存之分。

湿式贮存由于世界上核电厂增加速度很快，而后处理能力很小，有些国家的现政策又不允许建立后处理厂，因此多年来各国对乏燃料湿式贮存采取了一系列的措施以增加贮存能力。例如改进原核电厂的贮存水池，使用密集格架；将乏燃料组件拆成燃料棒再装入钢制容器中，贮存到水池中；按密集贮存方式新建和扩建贮存水池等。

1、贮存水池

贮存水池有两种结构：

（1）在构筑物内建造内衬不锈钢的混凝土结构贮存水池。水池内分割成若干小水池，每个小水池均装有贮存格架。水池之间有水闸门隔开。贮存水池设有冷却、通风、剂量监测、泄漏监测、 补水及装卸料系统和检査及修复等装置。这种水池与后处理厂的相似，是核电厂内水池最普通的形式。

（2）利用地下岩洞建造的贮存水池，瑞典的CLAB装置即属此类。该装置由乏燃料接收、贮存及辅助厂房三部分组成。唯贮存水池建在岩洞中。岩洞长120m，宽21m，高27m，由整块岩分割的四个水池组成。岩洞有防止外部冲击的良好性能， 在内部意外事故下也可隔离环境，从而使环境免受污染。

2、贮存格架

贮存格架有不含中子吸收材料和含中子吸收材料的两种。前者利用乏燃料间的距离来控制临界；后者将中子吸收材料制成方形孔道并依次焊在一起，底部与厚钢板底座相连。底痤上开孔，以便水通过孔道冷却乏燃料。

干式贮存干式贮存是核燃料循环后段过程中已得到积极发展的一种技术。干式贮存通常把乏燃料组件放置在封装容器里（一般为碳钢，也有不锈钢如304L），容器周围包裹着厚厚的钢筋混凝土外壳，并留孔让冷却空气流向容器壁，设计贮存期一般为40~60年。

干式贮存可采用贮存室技术、容器贮存技术和筒仓技术。对于干式贮存的分类，目前尚无一致意见，特别是容器贮存，有按使用材料来分为金属容器和混凝土容器，有按立式和卧式来分类的，也有按用途来分类的，如贮存单用容器、贮存和运输双用容器以及贮存、运输和处置三用容器。

典型的干式贮存装置（容器、筒仓或混凝土容器、半地面的凹井或干井以及贮存室）都基于模块式的概念。这意味着，在建造大容量的贮存装置时可以避免大量的一次性投资。模块的大小不受设计要求的限制，贮存装置容易适应今后乏燃料管理策略的改变。

干式贮存已经达到了成熟阶段，德国、瑞士、俄罗斯和美国都对几种金属容器的干式贮存做了试验，设计安全准则都能得到满足。干式贮存的一些新方案以及现有方案的各种不同的变体还处于开发之中，研究发展计划的内容包括：燃料损伤机理的研究、破损燃料棒行为的研究、安全有关问题的研究以及验证试验。可以说在这一领域进行的大量研究给出了下面的结论：在绝大多数情况下，干式贮存的安全性、可靠性和经济性都不存在严重的问题。

1、干式贮存室

在贮存室内，乏燃料被置于大型的混凝土厂房内，其外层是辐射防护层，内层含有许多适合贮存乏燃料部件的凹处。乏燃料贮存在可容纳一个或多个燃料组件的密封贮存金属管或贮存筒。通过强制通风或自然通风，将贮存室系统内的热量转移出去。在一些贮存室系统中，将乏燃料从燃料转运容器内转移到贮存钢管内。而在其它贮存室系统内，乏燃料则保留在贮存容器内，之后将燃料置于燃料转运容器内，然后用起重机将乏燃料运到贮存筒内。这样，贮存室系统通常也需要起重机或燃料处理设备。国际上一个很好的例子就是加拿大的MACSTOR系统。

2、干式贮存筒仓
在干式贮存筒仓系统中，乏燃料贮存在混凝土贮存筒内，无论是垂直放置还是水平放置，贮存筒内都配有金属内衬或独立的金属罐。混凝土起到辐射防护的作用，密封的金属内衬或金属罐是安全壳。运输罐通常用于装载乏燃料并将其运往筒仓。空气对流排出热量。采用筒仓式贮存的国家有美国、加拿大、韩国、阿根廷、亚美尼亚共和国等。

3、干式贮存容器

在干式贮存容器系统内，厂房外或厂房内会建造一块混凝土板。根据实际需要，添加大型贮存容器以贮存乏燃料。贮存容器起到辐射防护和安全壳的作用。最初建造设施的成本很小，装载乏燃料之后，其运行成本也很小，但贮存容器的总成本却很大；因为每个贮存容器的成本与之前的成本基本一样，但是如果贮存较多的燃料，其经济规模较小。对在堆设施而言，通常使用在堆燃料处理设备将乏燃料从水池中转移到干式贮存容器内。生产厂家设计出各种各样的贮存容器，包括金属和混凝土贮存容器（后者通常含有金属内衬）。原来，像贮存库和筒仓一样，贮存容器只用于贮存乏燃料。最近，一些贮存容器已经过许可认证，具有“双重功能”，即贮存和运输乏燃料。继续改进贮存容器旨在实现“三重功能”，即贮存、运输和永久处置。

乏燃料贮存池1、用于贮存乏燃料、破损燃料以及对燃料逬行检査、修复、运输等水下操作的场地。乏燃料贮存池一般设置在 燃料厂房内，有的核电厂乏燃料贮存池和换料水池均设置在安全壳内。

2、从堆芯卸出的乏燃料，存放在具有冷却装置的乏燃料池内，排出乏燃料释放的热量，为了降低水的放射性强度和保持其透明度以便于各种水下操作，乏燃料池和换料水池的说必须净化，并保持规定的水质指标。

为满足单一故障准则，乏燃料池水的冷却和净化系统通常设置两个冷却系列和一个净化回路。每个冷却系列个设有一台冷却泵和一台冷却器，净化回路则设有两台净化泵和一套过滤和树脂床装置。乏燃料池水由冷却泵吸出井冷却器冷却后，其大部分直接返回池内，小部分被净化泵吸出经过滤器及树脂床进行净化。净化泵的流量应使全部池水在一天内至少净化一次。乏燃料须严防泄漏，并有大于自然蒸发损失的补水能力，以保持池中水位高于燃料组件3米以上，水池的各种接管均须高出正常水位并设有防虹吸的断流设施。1

贮存技术的特点由于乏燃料通常先在反应堆水池内贮存一段时间，然后才转移到乏燃料中间贮存设施，在初始贮存期间，放射性核素的数量、辐射场的强度和衰变热的产生量都将大大地降低，这就使得在乏燃料中间贮存设施内导致事故的各种条件的形成过程相对变慢，在它们达到极限条件之前可以有足够的时间采取纠正行动。

因而，乏燃料转运和贮存操作无需依赖于复杂的能动保护系统。这样乏燃料干式贮存设施可由非能动的系统组成，能在几十年内提供充分的安全特性，有关乏燃料的运转和贮存操作也变的相对简单。相对于需要水池的湿法贮存，采用干式贮存乏燃料具有许多优势。

1、干式贮存不需要使用贮存水池燃料贮存容器能够承受较大的冲击和温度变化技术相对简单干式贮存设施建造成本低非能动性质，运行、维修费用低模块化建造，容易扩容结构比较方便与运输的接口操作。

2、非能动冷却式干式贮存装置由于设备（泵、压缩机等）需求少，所以它的维修量少而且可靠性高。

3、可能在很少或没有腐蚀问题的情况下进行长期贮存以及对操作人员和环境相对小的辐射剂量退役时，问题要少得多产生的二次废物最少有可能把它作为乏燃料最终处置的一种方法。

4、技术可靠、环境安全、二次废物少、总费用低、建造周期短、操作简单、便于管理。1

与长期贮存相关的问题与长期贮存相关的问题如下：

1、贮存后运输

贮存乏燃料的双重用途金属桶将在临时贮存后运输。金属桶的运输许可证应根据国家的情况5年重新申请一次。许可证重申可能需要求乏燃料和桶元件完整性检查。金属桶贮存期间不会打开检查，因而应提供可选择的检查措施。

在制度上，运输许可证应满足运输时的运输规定。有些国家在贮存后金属桶运输许可证重申方面存在问题。国际原子能机构(IAEA)在2009年版的放射性材料安全运输规定(TS-R-1)中，规定了允许使用1973年和1985年版规定认可的桶的过渡性措施。确实不允许使用依照旧版本规章所设计制造的桶。在未来也可能不会使用依照现行规章设计和制造的乏燃料运输/贮存桶，除非桶能够满足未来的规章。

2、大容量贮存

在乏燃料贮存之初，临时贮存可能在反应堆应急疏散中起了一定作用。双用途桶(运输/贮存)是一项满足初始贮存需求的好措施。大多数国家已经选择金属桶贮存和混凝土桶贮存法。但是，不久之后，可能需要更经济的贮存法。现在正在探索大容量贮存设施，将来可能会更有用处。

大容量桶或金属罐是这些需求的早期解决方案。这使得设计使用加压氦气和铝吊篮以增强乏燃料有效除热的金属罐成为可能。2