IAEA-CN-102-02-阿根廷Atucha核电厂乏燃料中间干式贮存设施的概念设计.docx

IAEA-CN-102/02阿根廷Atucha核电厂乏燃料中间干式贮存设施的概念设计摘要本文对可以用作Atucha I核电厂乏燃料中间贮存的存储方式进行评估（具有30年的生命周期）。进行空气自然对流冷却的水平混凝土井仓/井式是最有成本效益的方案。Atucha I核电厂（I期？）乏燃料水平干式井的概念设计。其主要特征是它的模块化构筑物，每根乏燃料元件被密封在一个金属罐中，并且可以单独装入井仓中（部分装载）。1 介绍为了落实放射性废物管理国家规划，即评估、选择成本低、灵活性好的燃料后端处理策略 1，阿根廷国家原子能委员会（CNEA）和阿根廷核管会（NASA）正在规划一个新的Atucha I核电厂乏燃料的贮存设施。核电站自身通常具备10年乏燃料贮存能力，之后便有待其他后端措施。但许多发电厂已开始在电厂剩余寿期内引入干式贮存。作为一个中间阶段，发燃料组件可以在混凝土中被安全、经济地存储长达几十年。这为开发一套完整燃料后处理系统并且减少最终处置时的余热提供了缓冲时间。此外，它可以协调不同寿期核电厂的时间差，以便减少最终后处理的批次。Atucha I是一种加压重水反应堆（PHWR），每个燃料组将由37根棒聚集成圆形，活性区有效长度为5.3米。Atucha I从1974年开始使用天然铀燃料，1998年改为低浓缩铀燃料（SEU），到2001年已完全装载。如今Atucha I的乏燃料存放在两个水池中， 乏燃料寿命最大达到28年。到2008年，Atucha I要完成冷却池的扩容，而国家原子能委员会和公司必须找到一个地方来存储已冷却乏燃料，为2014年前卸出的乏燃料腾出空间。Embalse是阿根廷另外一个在运的核电厂（坎杜型），拥有垂直干式混凝土贮存井，其从1993年起成功运营至今。之所以不对Embalse和Atucha I核电厂两种形状及富集度截然不同的燃料组件进行集中存储，原因在于为了尽量减少乏燃料运输（有两个核电厂在运行，其他的又正在建设中，每个核电厂都在不同时间停堆）。用中间贮存来调剂时间差，以便统一处理。2 Atucha I中间存储的总体要求在放射性废物管理的国家规划中明确了CNEA在核电站停堆后对乏燃料组件的监管职责，已选定了一种乏燃料中间存储方案。按照规划，中间存储只是最终处置的前一步，最终乏燃料要从存储中取出进行下一步。CNEA对 Atucha I的中间存储提出了总体设计要求：保证燃料元件30年内的完整性；在水池里冷却十年；允许核电站完全退役;模块化建设，以避免过度建设；有额外的隔离屏障；辐射屏蔽成本低（混凝土）；泄漏监测系统（检测边界的完整性）；在边界失效或贮存期结束时取出燃料；燃料密封容器允许重复装载；水池附近的运输系统和热室应利用现有水处理系统；减少辅助系统从而使维护成本最小，应选择被动式系统；有符合国家监管机构（ ARN ）规定的辐射监测系统（Embalse干式井中具有类似仪器）；从水池转移到中间存储的二次污染最小；使土地回收成本最少；使乏燃料运输最少。Atucha I厂的独立乏燃料存储设施（ISFSI）将于2008年开建，拥有总共超过存储10000根燃料组件的容量，也与坎杜堆的干式贮存方案兼容。该ISFSI能存储两种不同的燃料组件（FE），一种是天然铀、一种是低浓缩铀（SEU），单个燃料的燃耗分别为6000和11300 MWD/ TU。该设施要足够灵活，以便存储Atucha和Cara的两型乏燃料，后一种设计燃耗达到14000 MWD/ TU3。3 存储类型的选择乏燃料选择干法还是湿法贮存取决于（与ISFSI策略相关的）资金和运营成本。现有乏燃料池扩容或兴建一座新水池都是一项艰巨工作。其设计、规划需要很大资金投入，而且运营成本很高，高昂的成本是不可接受的。因此下文只对几种中间干式贮存系统（贮存筒式、墓穴式和井式）进行评估。贮存筒式是模块化的，不需要额外辅助系统，但目前的设计只被批准使用20年，达不到30年的寿命要求2。此外，为了满足运输许可要求而伴随的设备是非常昂贵的4，单从长期存储讲其尺寸也偏大。 墓穴式的基础设施成本高（厂内作业），需要主动辅助冷却系统，燃料操作非常复杂，这些特性并不满足总体要求。井式是成本效益最好的方案4，与既定的CANDU燃料方案类型也兼容。其极大的灵活性允许进行模块化建设和被动冷却。近地面存储可以最大限度地减少厂内作业。与CANDU的垂直方式不同，由于Atucha I的燃料长度长，其燃料将被水平放置在井仓中，这样可以简化装载系统。4 干式存储设计基准Atucha I乏燃料贮存设施设计考虑以下几方面：14000 d / tU的燃料组件在水池内衰变5年；有很大灵活性，燃料组件可以单独移动，可以局部装载；辐射屏蔽和密封分别由不同系统（标准材料制造）完成，即外部考虑采用带钢闸门的混凝土屏蔽块，内部用金属薄壁罐将燃料组件密封；罐体材料必须是耐腐蚀的，其厚度应能满足机械运输要求，能保持30年存储期间的完整性，密封边界可以进行氦气检漏；存储块外形正方形阵列，使得井仓体积最小； 衰变热是通过与周围环境的自然对流排出的。散热设计使用的中心棒温度为200，进气口温度为40 5 ；采用统一水平式存储井，就能通过共享侧壁和运输以减少混凝土成本及其表面积。模块的数量是视经济状况而定，即根据投资时间表来决定运行需要；按照相关国际标准，屏蔽层厚度合理可行，以确保人员和公众受到的辐射剂量在允许的范围内；由于不是永久性储存设施，因此需要一个专用操作装置将罐以水平姿态插入或移出到恰当位置。该系统与专用运输系统配套使用，能将来自热室的燃料组件加以装载。罐子运回后，则又可以重新装载；干式存储点应靠近核电站，以减少乏燃料运输；能动系统仅用来保证泄漏监测可用；罐内燃料组件的状态以及QA测试应在水池旁边的小型热室内完成；转移门的设计应采用迷宫形，避免辐射光束直接外漏。5 Atucha I干式贮存概念设计按照总体要求和设计标准，接下来将对Atucha I乏燃料干式贮存概念设计的主要特点进行阐述。燃料罐的一端上有一个特殊的钩子，用于其进出井仓。椭圆导轨用来放置和引导罐就位于井仓内。通过自然对流冷却系统（非能动）来从井仓内带走衰变热。空气从靠近地板上的入口进入燃料室，通过井仓上部的两个空气出口流出。两个内部孔板作为导流器的同时又增加了换热面积。井仓允许定期检查，以监测罐的完整性以及检查防护措施。井仓入口有一个钢闸门，采用迷宫形状与容器进行衔接，以便燃料罐的转移。井仓都是通用的，后面、侧面壁厚都较薄，因为两相邻单元之间可以共互为辐射屏蔽。两个水平排列井仓的剖视图如图1所示，燃料罐以55排列为例，其正视图如图2所示。孔板椭圆柱销闸门空气进口空气出口混凝土屏蔽层燃料罐乏燃料组件图1图2如图3所示，通用井仓模块使土地和混凝土路面的占用最小。乏燃料转运系统就是一种特殊钢制屏蔽容器，具有将乏燃料推入到井仓或热室中的机械活塞。该系统也可把乏燃料从混凝土井仓中取出并送回热室，进行重新封装或最终处理。图3机械活塞系统能从两端单独移动某个罐子并确保活塞的位置。罐体长度和排列紧凑度是主要的限制因素。机械活塞系统由齿轮、齿条和电动马达组成，并与每个罐的位置相对应。齿轮、齿条的设计可避免直接向外漏束。这种转运工作由一辆载重110吨的卡车或14轴拖车就可以完成。Atucha I乏燃料转运的细节如图4所示。活塞系统预留孔椭圆柱销钢屏蔽层燃料罐乏燃料组件闸门A-A视图图4在热室内对乏燃料组件逐个处理，然后将其装入一个不锈钢罐，进行干燥、用惰性气体回填及焊接密封盖。为了减少燃料运输，热室布置在水池附近。把乏燃料组件从水池运到热室需要一个专用容器。水池与热室之间的短距离运输应确保辅助系统可用（空气净化、水处理）。在进入热室前容器进行排水。热室中配有滚动切割机（不含小金属）来拆除Atucha I的燃料组件的上部结构。罐中剩余的水用真空干燥机抽干。在焊接盖前，用氦气对罐子加压。在将其发往井仓前进行泄漏测试。将燃料组件移到热室内是由一套过远程操作系统和一套二维燃料定位系统完成，这一个是用来将封装好的燃料组件放到专用运输容器中的系统。热室和运输容器允许重复使用。最后的设计将达到经济最优化。最终的热工和屏蔽设计也仍在进行中。成本初步估计为8到10美元/公斤。6 结论在水池衰变后，水平自然对流干式储存是成本效益最好的存储Atucha I乏燃料的方案，能与CANDU燃料选择的方案相兼容。