乏燃料貯存

乏燃料貯存，是指將反應後的高溫乏燃料貯存一段時間待放射性和餘熱降到一定程度後再進行操作及處理。

基本介紹

• 中文名：乏燃料貯存
• 外文名：spent fuel storage
• 原因：冷卻乏燃料
• 時間：短期、中期、長期
• 方法：乾式貯存、濕法貯存

原因

乏燃料的比活度很高，還釋放大量的衰變熱，必須貯存一段時間待放射性和餘熱降到一定程度後再進行操作及處理。

時間

按貯存時間長短乏燃料貯存有短期貯存——約幾個月至幾年、中間貯存——十幾年至幾十年和長期貯存三種。其中以中間貯存為最重要，它可以使後處理推遲幾十年，或為尋求放射性廢物的最佳最終處置方案爭取時間。

發展歷史

世界上主要工業國正在研究各種類型的中間貯存裝置，有些已經建成。自1942年建造第一座核反應堆起便開始使用水池貯存。40餘年來，貯存水池不僅在結構和設備上有所發展，而且增加了泄漏監測系統、池水清潔設備，設計了抗震的貯存格架，用密集貯存取代了普通貯存。經驗證明，水池貯存是安全可靠的。但水池貯存需要連續運行和維修，並產生二次廢物，所以又發展了乾式貯存。

到20世紀80年代，乾式貯存已發展到了利用空氣自然冷卻的金屬禁止容器，直接貯存在地面的建築物內。

貯存方式

按貯存方式乏燃料貯存有濕式貯存(水池貯存)和乾式貯存之分。

濕式貯存

由於世界上核電廠增加速度很快，而後處理能力很小，有些國家的現政策又不允許建立後處理廠，因此多年來各國對乏燃料濕式貯存採取了一系列的措施以增加貯存能力。例如改進原核電廠的貯存水池，使用密集格架；將乏燃料組件拆成燃料棒再裝入鋼製容器中，貯存到水池中；按密集貯存方式新建和擴建貯存水池等。

1、貯存水池

貯存水池有兩種結構：

（1）在構築物內建造內襯不鏽鋼的混凝土結構貯存水池。水池內分割成若干小水池，每個小水池均裝有貯存格架。水池之間有水閘門隔開。貯存水池設有冷卻、通風、劑量監測、泄漏監測、 補水及裝卸料系統和檢査及修復等裝置。這種水池與後處理廠的相似，是核電廠內水池最普通的形式。

（2）利用地下岩洞建造的貯存水池，瑞典的CLAB裝置即屬此類。該裝置由乏燃料接收、貯存及輔助廠房三部分組成。唯貯存水池建在岩洞中。岩洞長120m，寬21m，高27m，由整塊岩分割的四個水池組成。岩洞有防止外部衝擊的良好性能， 在內部意外事故下也可隔離環境，從而使環境免受污染。

2、貯存格架

貯存格架有不含中子吸收材料和含中子吸收材料的兩種。前者利用乏燃料間的距離來控制臨界；後者將中子吸收材料製成方形孔道並依次焊在一起，底部與厚鋼板底座相連。底痤上開孔，以便水通過孔道冷卻乏燃料。

乾式貯存

乾式貯存是核燃料循環後段過程中已得到積極發展的一種技術。乾式貯存通常把乏燃料組件放置在封裝容器里（一般為碳鋼，也有不鏽鋼如304L），容器周圍包裹著厚厚的鋼筋混凝土外殼，並留孔讓冷卻空氣流向容器壁，設計貯存期一般為40~60年。

乾式貯存可採用貯存室技術、容器貯存技術和筒倉技術。對於乾式貯存的分類，目前尚無一致意見，特別是容器貯存，有按使用材料來分為金屬容器和混凝土容器，有按立式和臥式來分類的，也有按用途來分類的，如貯存單用容器、貯存和運輸雙用容器以及貯存、運輸和處置三用容器。

典型的乾式貯存裝置（容器、筒倉或混凝土容器、半地面的凹井或乾井以及貯存室）都基於模組式的概念。這意味著，在建造大容量的貯存裝置時可以避免大量的一次性投資。模組的大小不受設計要求的限制，貯存裝置容易適應今後乏燃料管理策略的改變。

乾式貯存已經達到了成熟階段，德國、瑞士、俄羅斯和美國都對幾種金屬容器的乾式貯存做了試驗，設計安全準則都能得到滿足。乾式貯存的一些新方案以及現有方案的各種不同的變體還處於開發之中，研究發展計畫的內容包括：燃料損傷機理的研究、破損燃料棒行為的研究、安全有關問題的研究以及驗證試驗。可以說在這一領域進行的大量研究給出了下面的結論：在絕大多數情況下，乾式貯存的安全性、可靠性和經濟性都不存在嚴重的問題。

1、乾式貯存室

在貯存室內，乏燃料被置於大型的混凝土廠房內，其外層是輻射防護層，內層含有許多適合貯存乏燃料部件的凹處。乏燃料貯存在可容納一個或多個燃料組件的密封貯存金屬管或貯存筒。通過強制通風或自然通風，將貯存室系統內的熱量轉移出去。在一些貯存室系統中，將乏燃料從燃料轉運容器內轉移到貯存鋼管內。而在其它貯存室系統內，乏燃料則保留在貯存容器內，之後將燃料置於燃料轉運容器內，然後用起重機將乏燃料運到貯存筒內。這樣，貯存室系統通常也需要起重機或燃料處理設備。國際上一個很好的例子就是加拿大的MACSTOR系統。

2、乾式貯存筒倉
在乾式貯存筒倉系統中，乏燃料貯存在混凝土貯存筒內，無論是垂直放置還是水平放置，貯存筒內都配有金屬內襯或獨立的金屬罐。混凝土起到輻射防護的作用，密封的金屬內襯或金屬罐是安全殼。運輸罐通常用於裝載乏燃料並將其運往筒倉。空氣對流排出熱量。採用筒倉式貯存的國家有美國、加拿大、韓國、阿根廷、亞美尼亞共和國等。

3、乾式貯存容器

在乾式貯存容器系統內，廠房外或廠房內會建造一塊混凝土板。根據實際需要，添加大型貯存容器以貯存乏燃料。貯存容器起到輻射防護和安全殼的作用。最初建造設施的成本很小，裝載乏燃料之後，其運行成本也很小，但貯存容器的總成本卻很大；因為每個貯存容器的成本與之前的成本基本一樣，但是如果貯存較多的燃料，其經濟規模較小。對在堆設施而言，通常使用在堆燃料處理設備將乏燃料從水池中轉移到乾式貯存容器內。生產廠家設計出各種各樣的貯存容器，包括金屬和混凝土貯存容器（後者通常含有金屬內襯）。原來，像貯存庫和筒倉一樣，貯存容器只用於貯存乏燃料。最近，一些貯存容器已經過許可認證，具有“雙重功能”，即貯存和運輸乏燃料。繼續改進貯存容器旨在實現“三重功能”，即貯存、運輸和永久處置。

乏燃料貯存池

1、用於貯存乏燃料、破損燃料以及對燃料逬行檢査、修復、運輸等水下操作的場地。乏燃料貯存池一般設定在 燃料廠房內，有的核電廠乏燃料貯存池和換料水池均設定在安全殼內。

2、從堆芯卸出的乏燃料，存放在具有冷卻裝置的乏燃料池內，排出乏燃料釋放的熱量，為了降低水的放射性強度和保持其透明度以便於各種水下操作，乏燃料池和換料水池的說必須淨化，並保持規定的水質指標。

為滿足單一故障準則，乏燃料池水的冷卻和淨化系統通常設定兩個冷卻系列和一個淨化迴路。每個冷卻系列個設有一台冷卻泵和一台冷卻器，淨化迴路則設有兩台淨化泵和一套過濾和樹脂床裝置。乏燃料池水由冷卻泵吸出井冷卻器冷卻後，其大部分直接返回池內，小部分被淨化泵吸出經過濾器及樹脂床進行淨化。淨化泵的流量應使全部池水在一天內至少淨化一次。乏燃料須嚴防泄漏，並有大於自然蒸發損失的補水能力，以保持池中水位高於燃料組件3米以上，水池的各種接管均須高出正常水位並設有防虹吸的斷流設施。

貯存技術的特點

由於乏燃料通常先在反應堆水池內貯存一段時間，然後才轉移到乏燃料中間貯存設施，在初始貯存期間，放射性核素的數量、輻射場的強度和衰變熱的產生量都將大大地降低，這就使得在乏燃料中間貯存設施內導致事故的各種條件的形成過程相對變慢，在它們達到極限條件之前可以有足夠的時間採取糾正行動。

因而，乏燃料轉運和貯存操作無需依賴於複雜的能動保護系統。這樣乏燃料乾式貯存設施可由非能動的系統組成，能在幾十年內提供充分的安全特性，有關乏燃料的運轉和貯存操作也變的相對簡單。相對於需要水池的濕法貯存，採用乾式貯存乏燃料具有許多優勢。

1、乾式貯存不需要使用貯存水池燃料貯存容器能夠承受較大的衝擊和溫度變化技術相對簡單幹式貯存設施建造成本低非能動性質，運行、維修費用低模組化建造，容易擴容結構比較方便與運輸的接口操作。

2、非能動冷卻式乾式貯存裝置由於設備（泵、壓縮機等）需求少，所以它的維修量少而且可靠性高。

3、可能在很少或沒有腐蝕問題的情況下進行長期貯存以及對操作人員和環境相對小的輻射劑量退役時，問題要少得多產生的二次廢物最少有可能把它作為乏燃料最終處置的一種方法。

4、技術可靠、環境安全、二次廢物少、總費用低、建造周期短、操作簡單、便於管理。

與長期貯存相關的問題

與長期貯存相關的問題如下：

1、貯存後運輸

貯存乏燃料的雙重用途金屬桶將在臨時貯存後運輸。金屬桶的運輸許可證應根據國家的情況5年重新申請一次。許可證重申可能需要求乏燃料和桶元件完整性檢查。金屬桶貯存期間不會打開檢查，因而應提供可選擇的檢查措施。

在制度上，運輸許可證應滿足運輸時的運輸規定。有些國家在貯存後金屬桶運輸許可證重申方面存在問題。國際原子能機構(IAEA)在2009年版的放射性材料安全運輸規定(TS-R-1)中，規定了允許使用1973年和1985年版規定認可的桶的過渡性措施。確實不允許使用依照舊版本規章所設計製造的桶。在未來也可能不會使用依照現行規章設計和製造的乏燃料運輸/貯存桶，除非桶能夠滿足未來的規章。

2、大容量貯存

在乏燃料貯存之初，臨時貯存可能在反應堆應急疏散中起了一定作用。雙用途桶(運輸/貯存)是一項滿足初始貯存需求的好措施。大多數國家已經選擇金屬桶貯存和混凝土桶貯存法。但是，不久之後，可能需要更經濟的貯存法。現在正在探索大容量貯存設施，將來可能會更有用處。

大容量桶或金屬罐是這些需求的早期解決方案。這使得設計使用加壓氦氣和鋁吊籃以增強乏燃料有效除熱的金屬罐成為可能。