IAEA-CN-102_14 干式貯存技術(shù)：金屬筒式、混凝土屏蔽(鋼罐)模塊式與墓穴式選擇的關(guān)鍵因素

1、IAEA-CN-102/14干式貯存技術(shù)：金屬筒式、混凝土屏蔽（鋼罐）模塊式和墓穴式選擇的關(guān)鍵因素摘要當今乏燃料中間干式貯存發(fā)展的國際趨勢是改進“推薦系統(tǒng)”的性能來適應(yīng)乏燃料不斷增加的燃耗、裂變同位素含量、衰變熱和存儲量。由于全球的反應(yīng)堆水池各不相同且存在當?shù)氐奶囟ň窒扌?，推薦的方案也必須能應(yīng)對各種不同的燃料設(shè)計。此外，進行臨時存儲冷卻的乏燃料組件可能需要運往后處理設(shè)施或在直接處置前運往中間貯存設(shè)施，這就是為什么“推薦系統(tǒng)”的可重復、可運輸性往往是業(yè)界或者有時是法律指定貯存系統(tǒng)的一項設(shè)計指標。本文從用戶對技術(shù)選擇導向的角度，介紹了阿?，m集團所開發(fā)案例的關(guān)鍵參數(shù)和原理。一旦在某個廠址有大量可利到

2、的乏燃料組件，其中一些局限就會被突破。無進一步移動乏燃料的必要，這是可預見的。1 介紹確定后端政策是一個具有挑戰(zhàn)性的難題，答案取決于一系列基本因素，比如：我們是誰？是電力生產(chǎn)者還是一個負責制定國家長期后端管理政策的機構(gòu)？是短期還是長期目標？顯然，決策者對于后端乏燃料處理的對策，確切的講對中間存儲的政策，會從許多方面來影響主題，勢必將喚起人們的多樣化選擇或者組合選擇。阿?，m集團的先進技術(shù)和解決方案全方位涵蓋了中間存儲的手段：池式存儲及后處理、再循環(huán)以及長壽命錒系元素的固化;乏燃料干式貯存：-Cascad墓穴式；-兩用（運輸、儲存）的TN24 TM系列金屬貯存筒；-混凝土屏蔽焊接罐（NUHOMS）

3、。本文不對眾所周知的綜合、集成性后處理系統(tǒng)進行論述，而只專注于干式貯存。在簡明扼要的介紹完各個系統(tǒng)的特點后，將對存儲系統(tǒng)的選擇方法以及推理過程進行詳細討論。我們的干式存儲系統(tǒng)主要有以下特點：多重屏障；被動式冷卻，燃料組件存儲在惰性氣體以及適宜的溫度條件下，從而防止燃料棒包殼的退化；滿足ICPR60以及所有適用規(guī)定條件下（包括惡劣天氣條件和地震）的臨界要求；操作安全；通過設(shè)計優(yōu)化來滿足未來退役需求；建造及營運都具備經(jīng)濟性。由北約開發(fā)和建造的墓穴式系統(tǒng)就是一種很好的解決方案：其結(jié)合了非能動的安全性和直接的大容量，允許快速分攤?cè)剂辖邮赵O(shè)備的費用。此外，其多功能的存儲位置可以在一個設(shè)施里很容易地接受不

4、同類型燃料或中、高放廢物。這就是墓穴式系統(tǒng)通常是多種乏燃料長期干式中間集中式存儲的首選方案。當處在某個廠址上的ISFSI專門用于永久地多次存放時，這也是一個備選方案。在大多數(shù)情況下，乏燃料的產(chǎn)出方需要大的存儲容量來不斷裝載多年。因此關(guān)鍵在于高度模塊化。此外，這種方案的前期資金成本的要求是最小的，所以對于選擇要求折現(xiàn)率的投資者具有額外吸引力。而那些規(guī)模較小的模塊則更容易緊跟后端政策的變化。模塊式分為兩種：兩用的TN24TM金屬貯存筒和單、雙用途的混凝土屏蔽焊接罐NUHOMS®。 這兩種方案分別由COGEMA物流、TRANSNUCLEAR和FRAMATOME-ANP公司來運作，優(yōu)勢在于非

5、常靈活并且適于不同燃料的裝載。在選擇時考慮的因素：傾向于金屬貯存筒：- 最少的配套設(shè)備；- 準備移動到最終/集中處置庫、后處理或其他ISFSI；- 結(jié)構(gòu)緊湊；- 容易重新排列；- 易于操作。傾向于混凝土屏蔽罐系統(tǒng)：- 當初始數(shù)量充足時可以分散前期設(shè)備投入；- 顯著的成本與屏蔽比較優(yōu)勢；- 罐子相對較輕，利于在當?shù)厣a(chǎn)。因為不是永久性的，這兩種方法牽涉到的運輸要能為公眾所接受，而運輸許可涉及到國際準則、標準及方法。2 CASCAD墓穴式系統(tǒng)其設(shè)計由2部分組成：卸載單元和中間存儲單元（如圖1所示）。采用雙道屏障來保證封閉邊界：第一道屏障是罐子，在其中裝有燃料組件。罐子是惰性、密封的，并進行了完整性

6、檢查;第二道屏障是用于放置罐子的封閉井。玻璃罐：第一道屏障井：第二道屏障冷空氣自然對流空氣入口玻璃罐貯存井煙囪容器接收井：第二道屏障存儲罐：第一道屏障暫存架卸載間乏燃料貯存井圖12.1 卸載單元該單元具有很大靈活性，能適應(yīng)各種類型的鋼筒、燃料組件以及高放廢物。該單元是基于COGEMA期下阿格核電廠一期乏燃料干式裝卸設(shè)施而設(shè)計的。自1986年運營以來，一期已經(jīng)卸出了13000噸壓水、沸水堆的鈾燃料。在處理單元中，將待儲存之燃料插入到合適的罐中，而不論其尺寸或特性（殘余熱功率、富集度等）如何。中期貯存期過后，該單元也可以將燃料罐運出到最終目的地。該操作不再需要其他輔助裝置。2.2 中間存儲模塊這些

7、模塊可以根據(jù)需要增加建造。用屏蔽轉(zhuǎn)運設(shè)備或起重機將燃料罐子從卸載單元傳輸過來。燃料罐存儲在混凝土結(jié)構(gòu)中，這樣就能防止人員或公眾免受輻射，同時也使燃料免于外部事件（如地震、飛機墜毀爆炸等）的影響。3 全球Cascad技術(shù)應(yīng)用3.1 參考設(shè)施：位于法國卡達拉舍的Cascad自1990年起，位于法國卡達拉舍廠的Cascad一直處于運營中，其存儲期限為50年。其存儲的乏燃料來自法國原子能委員會的研究堆（尤其是Brennilis EL 4型重水反應(yīng)堆）和法國海軍。冷空氣從井的底部進入，沿井流動并被帶走熱量，最后通過煙囪排放到大氣中。3.2 其他設(shè)施：EVSE、R7、T7、AVM、TOR在COGEMA-阿

8、格廠，后處理的裂變產(chǎn)物的玻璃固化和相關(guān)玻璃罐存儲在UP2廠R7設(shè)施和UP3廠T7設(shè)施進行，這些設(shè)施分別于1989年和1992年建成投產(chǎn)。為了增加整體存儲容量，EVSE設(shè)施（T7玻璃存儲的擴建）于1995年建成并投產(chǎn)（見圖2）。在EVSE設(shè)施中，乏燃料產(chǎn)生的熱量通過自然對流排出。每個井四周的襯套形成了一個雙層夾套，為冷卻空氣循環(huán)提供了環(huán)腔。裝有罐的封閉式井提供了第二道屏蔽邊界。圖2與R7和T7一樣，AVM是具備中間存儲罐的玻璃固化設(shè)施，位于馬爾庫勒（法國），其于1978年投產(chǎn)。TOR設(shè)施也在馬爾庫勒，在1986年被委托處理Phenix 的快中子增殖反應(yīng)堆燃料，這種燃料組件以干式形態(tài)卸載并轉(zhuǎn)移到儲

9、存井中，以強制通風進行冷卻。3.3 荷蘭的Habog設(shè)施荷蘭Borssele和Dodewaard后處理產(chǎn)生的最終廢物，HEU反應(yīng)堆燃料（佩滕和代爾夫特的）和研究中心（佩滕）產(chǎn)生的廢物將在Habog被存儲100年，其由SGN承建并基于Cascad理念，該設(shè)施目前正在調(diào)試中，如圖3所示。其設(shè)計符合美國ANSI-ANS標準57-9規(guī)則，并考慮到了特定事件如水災、地震、飛機墜毀（F16-A獵鷹戰(zhàn)斗機）、外部爆炸產(chǎn)生的氣壓以及龍卷風（速度125米/秒）的影響。圖34 兩用TNTM24鋼筒系列TNTM24正好適于各型PWR和BWR燃料的運輸和儲存需要。4.1 設(shè)計依據(jù)TNTM24系列所屬鋼筒的構(gòu)造如圖4所

10、示。其基本結(jié)構(gòu)是一個厚圓筒形鍛件，焊接在其上的鍛造底板和一至兩個螺栓連接的鍛造頂蓋（配有金屬墊圈），這三個主要部分形成密封邊界，厚的鍛造鋼板主要提供屏蔽；將樹脂層填充在周圍環(huán)腔中，用作中子屏蔽；在內(nèi)部的圓筒形腔體中，用硼鋁制格架支撐乏燃料組件并保證其次臨界，硼化鋁板將內(nèi)部進行機械分區(qū)，每個分區(qū)單元里存放一根燃料組件；其上固定有耳軸，用以吊裝和傾翻；將一對減震器安裝到筒體兩端以便進行運輸，其同時起到側(cè)向緩沖作用；鋁制格架的硼含量的可以調(diào)節(jié)，以便考慮增加U-235的初始富集（見表1）；如圖5所示，TNTM24系列涵蓋了廣泛的尺寸范圍，以便應(yīng)對各型燃料和核設(shè)施。排水、充氮口樹脂層鍛造鋼殼28個壓水堆

11、燃料格架雙道金屬密封圈雙道橡膠密封圈第一道蓋第二道蓋運輸筒結(jié)構(gòu) TN24 DH 尾部減震器側(cè)向減震器傳熱層外殼吊耳樹脂層頭部減震器 圖4表1圖54.2 全球的TNTM24鋼筒TNTM24 P于15年前交付，是TNTM24鋼筒家族中的“老大”，已被美國弗吉尼亞電力公司和美國能源部愛達荷瀑布國家實驗室所使用。從那時起，就有超過100多個TNTM24在歐洲獲得運輸和貯存許可，在美國和亞洲的情況如表2所示。表25 NUHOMS®罐式系統(tǒng)5.1 設(shè)計基準NUHOMS®系統(tǒng)是一個存儲和運輸乏燃料的全面技術(shù)。標準化的設(shè)計、制造和操作使其達到了最優(yōu)化。NUHOMS®系統(tǒng)的設(shè)計基于

12、存儲罐，用不銹鋼罐來做乏燃料廢物包，用水平的混凝土存儲模塊來充當外圍屏障。罐子裝載后通過轉(zhuǎn)運或運輸容器傳送到最終處置庫或中間貯存設(shè)施中（見圖6）。過度段/板托架及定位系統(tǒng)地基板廠內(nèi)轉(zhuǎn)運容器貯存罐貯存模塊運輸拖車液壓缸抓斗組件屏蔽塞進風門屏蔽門出風口 圖65.2 罐子NUHOMS®干式屏蔽罐（DSC）由不銹鋼外殼、端蓋及用做乏燃料結(jié)構(gòu)支撐和臨界控制的燃料格架組成。如表3所示，燃料格架組件的設(shè)計可以適宜裝載不同類型的乏燃料。此外，還有一些燃料格架為單存儲和兩用系統(tǒng)專門設(shè)計。雖然格架組件有多種多樣，但每個格架的設(shè)計是與標準燃料罐配套的。表35.3 轉(zhuǎn)運設(shè)備當燃料的裝載及排水、干燥和密封等所

13、有工作完成后，將轉(zhuǎn)運容器以水平方式放置在托架上。當容器與廢物罐移至反應(yīng)堆廠房外后，無須任何重型起重機對燃料罐進行提升操作。用液壓缸將罐子從容器推送到存儲模塊中（通過推、拉將罐子送入、送出）。這種方式不但操作簡便，而且不使用重型起重機，提供了額外安全性。5.4 存儲模塊NUHOMS®的混凝土臥式存儲模塊（HSM）為燃料罐的存儲提供了外部屏障。存儲模塊專門用來配合標準直徑的罐子，并且具有很大的靈活性，能適應(yīng)不同長度的罐子。HSM是由兩個預制件組成一個獨立模塊，包括一個本體（地板和墻壁）和一個屋頂模塊。這些HSM被運到貯存場并放置到位。它們可以以不同的方式排列，以便減少廠址處的輻射劑量（見

14、圖7）。 5.5 運輸筒NUHOMS®儲存、運輸兩用筒須要與燃料罐進行配合使用。該鋼筒與所有NUHOMS®系統(tǒng)存儲模塊相兼容。該鋼筒可用于燃料裝載和轉(zhuǎn)運操作，然后將燃料罐放置到存儲模塊中。由于該鋼筒與存儲模塊相匹配，因此允許將燃料罐取出并運送到另一個地點（處置庫或其他中間貯存設(shè)施）。5.6 標準化和靈活性NUHOMS®系統(tǒng)使用標準化尺寸的產(chǎn)品，各型乏燃料罐廢物包都可以使用相同的轉(zhuǎn)運、運輸筒，輔助設(shè)備以及存儲模塊。5.7 NUHOMS®技術(shù)在全球應(yīng)用在全球大約有500套NUHOMS®系統(tǒng)被訂購，見表4。表46 參數(shù)或因素的選擇我們首先羅列重要參數(shù)

15、，之后再進行詳細論述。第一組參數(shù)是關(guān)于立法和監(jiān)管背景的，其可以預測發(fā)展和決策者的角色。6.1 關(guān)鍵問題立法和監(jiān)管背景1 準備怎么做？是后處理、廠內(nèi)貯存還是集中式中間貯存設(shè)施？2 怎樣可以獲得授權(quán)？3 從決策到調(diào)試的時間如何安排？決策者的身份4 任務(wù)是什么？核心競爭力是什么？5 有那些選擇？6 從哪里來獲得資源？7 選擇是如何影響長期成本的？8 是否要利用當?shù)厣a(chǎn)要素？第二組參數(shù)更多涉及廠址特性9 中期改變有益嗎？10 數(shù)量多少？特性如何？11 有多大廠址空間？12 處理能力是什么？13 什么時候用？14 與鄰邦的關(guān)系怎么樣？6.2 做選擇的相關(guān)參數(shù)的含義立法和監(jiān)管環(huán)境1 準備怎么做？是后處理、

16、廠內(nèi)貯存還是集中式中間貯存設(shè)施？在某些國家，比如德國，其最近的立法就使得應(yīng)優(yōu)先避免乏燃料運輸和堆內(nèi)臨時存儲。這意味著備選系統(tǒng)應(yīng)適于廠內(nèi)貯存，并且要考慮未來核電廠退役以及貯存筒被重新打開的需要，這使得兩用的TN24E被E.ON的Kernkraft和EnBW公司所選擇的。2 怎樣可以獲得授權(quán)？根據(jù)規(guī)定，是否有飛機撞擊、是否有可接受的次臨界強制驗證會影響技術(shù)路線的選擇：比如美國采用硼信任制來證明次臨界，再加上慢化劑排除，就會對希望獲得運輸系統(tǒng)許可造成困難。通常情況下，目前在美國使用的一些單存儲系統(tǒng)如果要移出現(xiàn)場，可能需要一定額外的努力。這就是為什么最新采購的NUHOMS®系統(tǒng)會選擇可運輸型

17、。3 從決策到調(diào)試的時間如何安排？選擇已經(jīng)由主管機構(gòu)授權(quán)的系統(tǒng)（可能有不同的審查內(nèi)容）意味著在取證能力上有額外的保證并且能及時完成取證工作。這絕不是說排除其他選擇，但當確定取證路線以后就必須采取防范措施，以便符合整體時間安排。決策者的身份4 任務(wù)是什么？核心競爭力是什么？在美國，乏燃料管理職責在美國能源部，每千瓦時發(fā)電收取0.001美元以承擔這項責任。換句話說，美國的乏燃料產(chǎn)出者都在發(fā)電或做研究，并希望采用干式貯存來保持核電廠運行，直至能源部確切接管乏燃料。相反，瑞士的四家核電運營商就合作建設(shè)了集中式臨時貯存設(shè)施ZWILAG，因為地質(zhì)處置（或其他解決方案）不可行，他們就不得不做這項工作。他們把

18、貯存與后處理相結(jié)合，比如在COGEMA LA海牙廠接收裝有玻璃固化高放廢物的兩用容器。因此，他們選擇將從事干式貯存作為核心競爭力。由于充當荷蘭核廢物或乏燃料處理的使重任，COVRA承擔著HABOG設(shè)施的運營方的角色，接受各種各樣的放射性材料（以極為緊湊的形式）。這使得他們選擇了更加靈活的墓穴式系統(tǒng)同一個設(shè)施能夠接受來自動力堆和研究堆的乏燃料。5 有那些選擇？多個NPP可以通過在其衰變水池之間轉(zhuǎn)運乏燃料來調(diào)配占有率從而獲得靈活性：在此種情況下，兩用容器就是一個不錯的選擇，既可用于運輸又可臨時存儲。其他情況，則可以選擇后處理加廠內(nèi)中間存儲的方式。若時間是首要因素，則應(yīng)該交付時間較短的NUHOMS&

19、#174;。6 從那里為這項工作尋找資源？以美國公司為例，與西班牙的一樣，其考慮后端解決方案時并不關(guān)心乏燃料量，因為有一個國家實體來負責接管乏燃料，并且基于電力生產(chǎn)收取相應(yīng)的費用。在這種情況下，應(yīng)將貯存資源維持在最低限度，以便保持水池的完整核心儲備。因此，業(yè)主普遍選擇最簡單的設(shè)備（如NUHOMS®）。相反，如果按照乏燃料數(shù)量支付費用，那么業(yè)主更加傾向于高燃耗、高密度的中間存儲方案，這就如貯存筒式很好的解決高燃耗問題。如果即將有大量乏燃料需要存儲，則墓穴式系統(tǒng)會是首選。7 選擇是如何影響長期成本的？長遠來來看，由誰負責、由誰承擔長期成本會影響到選擇：只要核電站在運行，額外的ISFSI運

20、營成本和顧慮都比較少。一旦無水池可用，那么轉(zhuǎn)移成為一個突出問題，要解決此問題就必須引入運輸系統(tǒng)。此外，在退役前按時將乏燃料移出到廠外貯存需要一大筆費用。8 是否要利用當?shù)厣a(chǎn)要素？在當?shù)厣a(chǎn)干式中間存儲單元，有諸多優(yōu)點。更長期的供應(yīng)商資格;公眾易接受，能為當?shù)貛斫?jīng)濟利益;便于當?shù)刂鞴懿块T跟蹤。與笨重的貯存筒式相比，Cascad墓穴式系統(tǒng)和NUHOMS®系統(tǒng)中有很大一部分能夠輕易轉(zhuǎn)移到當?shù)禺a(chǎn)業(yè)鏈中。切爾諾貝利就是一個很好的例子，所有的生產(chǎn)都在當?shù)赝瓿?，是目前世界上最大的ISFSI項目（圖8）。圖8長遠而言，廠內(nèi)貯存還牽扯到核電廠退役的問題，也就是運營成本及備用解決方案的問題。Vaul

21、t系統(tǒng)和移動式系統(tǒng)是獨立的，能解決上述問題（核電廠退役），存儲筒式或罐式系統(tǒng)則會更麻煩些。廠址特性9 中期改變有益嗎？系統(tǒng)的模塊化和前期投資對回答這個問題是一個關(guān)鍵因素：隨著兩用金屬容器的使用，運營方可以決定是否購買下一個容器，也可以用現(xiàn)有的容器將乏燃料運到別處去。這種短期改變對罐式系統(tǒng)的影響很大，因為已經(jīng)投入了大量前期設(shè)備，除非可以出售給其他用戶。墓穴式則需要一段較長的時間才能完成貯存方式的順利改變。從這個因素可以看一開始就選擇具備運輸能力的系統(tǒng)在策略上向的優(yōu)勢。這使得隨時都可以開始后處理，而一邊又在貯存。TN52 L型兩用容器被加以開發(fā)和使用，執(zhí)行將BWR燃料運輸?shù)胶筇幚韽S的常規(guī)任務(wù)，又可

22、以在Zwilag設(shè)施進行貯存。10 數(shù)量多少？特性如何？待存儲的乏燃料數(shù)量是決定系統(tǒng)的另一主要因素。大的存儲量使得墓穴系統(tǒng)的前期投資還是值得的：系統(tǒng)的初始單元在總體成本中所占比重較大，特別是對于大批量，初始單元的實際存儲空間貢獻并不高。材料或介質(zhì)的多樣性能體現(xiàn)墓穴式系統(tǒng)的優(yōu)點，即同一庫內(nèi)可以防止不同的核廢料。距離和庫存的組合也應(yīng)加以考慮：如果有幾個核電廠，為了供應(yīng)vault而去購買運輸容器既昂貴又涉及到公眾接受的問題。小庫存或庫存逐步增加（即每年一批或?qū)?yīng)于反應(yīng)堆卸料）就可能要求額外的模塊化設(shè)計，如兩用容器或混凝土屏蔽罐（如NUHOMS®），可分散投資，有利于從其他投資中獲利。11 有多大廠址空間？占地、可用空間也會影響系統(tǒng)的選擇：金屬容器可以達到最大密度，不規(guī)則形狀的廠址最適于貯存筒式和罐式系統(tǒng)，墓穴式更適用于矩形地塊。南加州的愛迪生公司的ISFSI就選用NUHOMS®這樣的罐式系統(tǒng)，因其具備很強的抗