IAEA-CN-102_14 干式贮存技术：金属筒式、混凝土屏蔽(钢罐)模块式和墓穴式选择的关键因素

1、IAEA-CN-102/14干式贮存技术：金属筒式、混凝土屏蔽（钢罐）模块式和墓穴式选择的关键因素摘要当今乏燃料中间干式贮存发展的国际趋势是改进“推荐系统”的性能来适应乏燃料不断增加的燃耗、裂变同位素含量、衰变热和存储量。由于全球的反应堆水池各不相同且存在当地的特定局限性，推荐的方案也必须能应对各种不同的燃料设计。此外，进行临时存储冷却的乏燃料组件可能需要运往后处理设施或在直接处置前运往中间贮存设施，这就是为什么“推荐系统”的可重复、可运输性往往是业界或者有时是法律指定贮存系统的一项设计指标。本文从用户对技术选择导向的角度，介绍了阿海珐集团所开发案例的关键参数和原理。一旦在某个厂址有大量可利到

2、的乏燃料组件，其中一些局限就会被突破。无进一步移动乏燃料的必要，这是可预见的。1 介绍确定后端政策是一个具有挑战性的难题，答案取决于一系列基本因素，比如：我们是谁？是电力生产者还是一个负责制定国家长期后端管理政策的机构？是短期还是长期目标？显然，决策者对于后端乏燃料处理的对策，确切的讲对中间存储的政策，会从许多方面来影响主题，势必将唤起人们的多样化选择或者组合选择。阿海珐集团的先进技术和解决方案全方位涵盖了中间存储的手段：池式存储及后处理、再循环以及长寿命锕系元素的固化;乏燃料干式贮存：-Cascad墓穴式；-两用（运输、储存）的TN24 TM系列金属贮存筒；-混凝土屏蔽焊接罐（NUHOMS）

3、。本文不对众所周知的综合、集成性后处理系统进行论述，而只专注于干式贮存。在简明扼要的介绍完各个系统的特点后，将对存储系统的选择方法以及推理过程进行详细讨论。我们的干式存储系统主要有以下特点：多重屏障；被动式冷却，燃料组件存储在惰性气体以及适宜的温度条件下，从而防止燃料棒包壳的退化；满足ICPR60以及所有适用规定条件下（包括恶劣天气条件和地震）的临界要求；操作安全；通过设计优化来满足未来退役需求；建造及营运都具备经济性。由北约开发和建造的墓穴式系统就是一种很好的解决方案：其结合了非能动的安全性和直接的大容量，允许快速分摊燃料接收设备的费用。此外，其多功能的存储位置可以在一个设施里很容易地接受不

4、同类型燃料或中、高放废物。这就是墓穴式系统通常是多种乏燃料长期干式中间集中式存储的首选方案。当处在某个厂址上的ISFSI专门用于永久地多次存放时，这也是一个备选方案。在大多数情况下，乏燃料的产出方需要大的存储容量来不断装载多年。因此关键在于高度模块化。此外，这种方案的前期资金成本的要求是最小的，所以对于选择要求折现率的投资者具有额外吸引力。而那些规模较小的模块则更容易紧跟后端政策的变化。模块式分为两种：两用的TN24TM金属贮存筒和单、双用途的混凝土屏蔽焊接罐NUHOMS。 这两种方案分别由COGEMA物流、TRANSNUCLEAR和FRAMATOME-ANP公司来运作，优势在于非常灵活并且适

5、于不同燃料的装载。在选择时考虑的因素：倾向于金属贮存筒：- 最少的配套设备；- 准备移动到最终/集中处置库、后处理或其他ISFSI；- 结构紧凑；- 容易重新排列；- 易于操作。倾向于混凝土屏蔽罐系统：- 当初始数量充足时可以分散前期设备投入；- 显着的成本与屏蔽比较优势；- 罐子相对较轻，利于在当地生产。因为不是永久性的，这两种方法牵涉到的运输要能为公众所接受，而运输许可涉及到国际准则、标准及方法。2 CASCAD墓穴式系统其设计由2部分组成：卸载单元和中间存储单元（如图1所示）。采用双道屏障来保证封闭边界：第一道屏障是罐子，在其中装有燃料组件。罐子是惰性、密封的，并进行了完整性检查;第二道

6、屏障是用于放置罐子的封闭井。玻璃罐：第一道屏障井：第二道屏障冷空气自然对流空气入口玻璃罐贮存井烟囱容器接收井：第二道屏障存储罐：第一道屏障暂存架卸载间乏燃料贮存井图12.1 卸载单元该单元具有很大灵活性，能适应各种类型的钢筒、燃料组件以及高放废物。该单元是基于COGEMA期下阿格核电厂一期乏燃料干式装卸设施而设计的。自1986年运营以来，一期已经卸出了13000吨压水、沸水堆的铀燃料。在处理单元中，将待储存之燃料插入到合适的罐中，而不论其尺寸或特性（残余热功率、富集度等）如何。中期贮存期过后，该单元也可以将燃料罐运出到最终目的地。该操作不再需要其他辅助装置。2.2 中间存储模块这些模块可以根据

7、需要增加建造。用屏蔽转运设备或起重机将燃料罐子从卸载单元传输过来。燃料罐存储在混凝土结构中，这样就能防止人员或公众免受辐射，同时也使燃料免于外部事件（如地震、飞机坠毁爆炸等）的影响。3 全球Cascad技术应用3.1 参考设施：位于法国卡达拉舍的Cascad自1990年起，位于法国卡达拉舍厂的Cascad一直处于运营中，其存储期限为50年。其存储的乏燃料来自法国原子能委员会的研究堆（尤其是Brennilis EL 4型重水反应堆）和法国海军。冷空气从井的底部进入，沿井流动并被带走热量，最后通过烟囱排放到大气中。3.2 其他设施：EVSE、R7、T7、AVM、TOR在COGEMA-阿格厂，后处理

8、的裂变产物的玻璃固化和相关玻璃罐存储在UP2厂R7设施和UP3厂T7设施进行，这些设施分别于1989年和1992年建成投产。为了增加整体存储容量，EVSE设施（T7玻璃存储的扩建）于1995年建成并投产（见图2）。在EVSE设施中，乏燃料产生的热量通过自然对流排出。每个井四周的衬套形成了一个双层夹套，为冷却空气循环提供了环腔。装有罐的封闭式井提供了第二道屏蔽边界。图2与R7和T7一样，AVM是具备中间存储罐的玻璃固化设施，位于马尔库勒（法国），其于1978年投产。TOR设施也在马尔库勒，在1986年被委托处理Phenix 的快中子增殖反应堆燃料，这种燃料组件以干式形态卸载并转移到储存井中，以强

9、制通风进行冷却。3.3 荷兰的Habog设施荷兰Borssele和Dodewaard后处理产生的最终废物，HEU反应堆燃料（佩滕和代尔夫特的）和研究中心（佩滕）产生的废物将在Habog被存储100年，其由SGN承建并基于Cascad理念，该设施目前正在调试中，如图3所示。其设计符合美国ANSI-ANS标准57-9规则，并考虑到了特定事件如水灾、地震、飞机坠毁（F16-A猎鹰战斗机）、外部爆炸产生的气压以及龙卷风（速度125米/秒）的影响。图34 两用TNTM24钢筒系列TNTM24正好适于各型PWR和BWR燃料的运输和储存需要。4.1 设计依据TNTM24系列所属钢筒的构造如图4所示。其基本结

10、构是一个厚圆筒形锻件，焊接在其上的锻造底板和一至两个螺栓连接的锻造顶盖（配有金属垫圈），这三个主要部分形成密封边界，厚的锻造钢板主要提供屏蔽；将树脂层填充在周围环腔中，用作中子屏蔽；在内部的圆筒形腔体中，用硼铝制格架支撑乏燃料组件并保证其次临界，硼化铝板将内部进行机械分区，每个分区单元里存放一根燃料组件；其上固定有耳轴，用以吊装和倾翻；将一对减震器安装到筒体两端以便进行运输，其同时起到侧向缓冲作用；铝制格架的硼含量的可以调节，以便考虑增加U-235的初始富集（见表1）；如图5所示，TNTM24系列涵盖了广泛的尺寸范围，以便应对各型燃料和核设施。排水、充氮口树脂层锻造钢壳28个压水堆燃料格架双道

11、金属密封圈双道橡胶密封圈第一道盖第二道盖运输筒结构 TN24 DH 尾部减震器侧向减震器传热层外壳吊耳树脂层头部减震器 图4表1图54.2 全球的TNTM24钢筒TNTM24 P于15年前交付，是TNTM24钢筒家族中的“老大”，已被美国弗吉尼亚电力公司和美国能源部爱达荷瀑布国家实验室所使用。从那时起，就有超过100多个TNTM24在欧洲获得运输和贮存许可，在美国和亚洲的情况如表2所示。表25 NUHOMS罐式系统5.1 设计基准NUHOMS系统是一个存储和运输乏燃料的全面技术。标准化的设计、制造和操作使其达到了最优化。NUHOMS系统的设计基于存储罐，用不锈钢罐来做乏燃料废物包，用水平的混凝

12、土存储模块来充当外围屏障。罐子装载后通过转运或运输容器传送到最终处置库或中间贮存设施中（见图6）。过度段/板托架及定位系统地基板厂内转运容器贮存罐贮存模块运输拖车液压缸抓斗组件屏蔽塞进风门屏蔽门出风口 图65.2 罐子NUHOMS干式屏蔽罐（DSC）由不锈钢外壳、端盖及用做乏燃料结构支撑和临界控制的燃料格架组成。如表3所示，燃料格架组件的设计可以适宜装载不同类型的乏燃料。此外，还有一些燃料格架为单存储和两用系统专门设计。虽然格架组件有多种多样，但每个格架的设计是与标准燃料罐配套的。表35.3 转运设备当燃料的装载及排水、干燥和密封等所有工作完成后，将转运容器以水平方式放置在托架上。当容器与废物

13、罐移至反应堆厂房外后，无须任何重型起重机对燃料罐进行提升操作。用液压缸将罐子从容器推送到存储模块中（通过推、拉将罐子送入、送出）。这种方式不但操作简便，而且不使用重型起重机，提供了额外安全性。5.4 存储模块NUHOMS的混凝土卧式存储模块（HSM）为燃料罐的存储提供了外部屏障。存储模块专门用来配合标准直径的罐子，并且具有很大的灵活性，能适应不同长度的罐子。HSM是由两个预制件组成一个独立模块，包括一个本体（地板和墙壁）和一个屋顶模块。这些HSM被运到贮存场并放置到位。它们可以以不同的方式排列，以便减少厂址处的辐射剂量（见图7）。 5.5 运输筒NUHOMS储存、运输两用筒须要与燃料罐进行配合

14、使用。该钢筒与所有NUHOMS系统存储模块相兼容。该钢筒可用于燃料装载和转运操作，然后将燃料罐放置到存储模块中。由于该钢筒与存储模块相匹配，因此允许将燃料罐取出并运送到另一个地点（处置库或其他中间贮存设施）。5.6 标准化和灵活性NUHOMS系统使用标准化尺寸的产品，各型乏燃料罐废物包都可以使用相同的转运、运输筒，辅助设备以及存储模块。5.7 NUHOMS技术在全球应用在全球大约有500套NUHOMS系统被订购，见表4。表46 参数或因素的选择我们首先罗列重要参数，之后再进行详细论述。第一组参数是关于立法和监管背景的，其可以预测发展和决策者的角色。6.1 关键问题立法和监管背景1 准备怎么做？

15、是后处理、厂内贮存还是集中式中间贮存设施？2 怎样可以获得授权？3 从决策到调试的时间如何安排？决策者的身份4 任务是什么？核心竞争力是什么？5 有那些选择？6 从哪里来获得资源？7 选择是如何影响长期成本的？8 是否要利用当地生产要素？第二组参数更多涉及厂址特性9 中期改变有益吗？10 数量多少？特性如何？11 有多大厂址空间？12 处理能力是什么？13 什么时候用？14 与邻邦的关系怎么样？6.2 做选择的相关参数的含义立法和监管环境1 准备怎么做？是后处理、厂内贮存还是集中式中间贮存设施？在某些国家，比如德国，其最近的立法就使得应优先避免乏燃料运输和堆内临时存储。这意味着备选系统应适于厂

16、内贮存，并且要考虑未来核电厂退役以及贮存筒被重新打开的需要，这使得两用的TN24E被E.ON的Kernkraft和EnBW公司所选择的。2 怎样可以获得授权？根据规定，是否有飞机撞击、是否有可接受的次临界强制验证会影响技术路线的选择：比如美国采用硼信任制来证明次临界，再加上慢化剂排除，就会对希望获得运输系统许可造成困难。通常情况下，目前在美国使用的一些单存储系统如果要移出现场，可能需要一定额外的努力。这就是为什么最新采购的NUHOMS系统会选择可运输型。3 从决策到调试的时间如何安排？选择已经由主管机构授权的系统（可能有不同的审查内容）意味着在取证能力上有额外的保证并且能及时完成取证工作。这绝

17、不是说排除其他选择，但当确定取证路线以后就必须采取防范措施，以便符合整体时间安排。决策者的身份4 任务是什么？核心竞争力是什么？在美国，乏燃料管理职责在美国能源部，每千瓦时发电收取0.001美元以承担这项责任。换句话说，美国的乏燃料产出者都在发电或做研究，并希望采用干式贮存来保持核电厂运行，直至能源部确切接管乏燃料。相反，瑞士的四家核电运营商就合作建设了集中式临时贮存设施ZWILAG，因为地质处置（或其他解决方案）不可行，他们就不得不做这项工作。他们把贮存与后处理相结合，比如在COGEMA LA海牙厂接收装有玻璃固化高放废物的两用容器。因此，他们选择将从事干式贮存作为核心竞争力。由于充当荷兰核

18、废物或乏燃料处理的使重任，COVRA承担着HABOG设施的运营方的角色，接受各种各样的放射性材料（以极为紧凑的形式）。这使得他们选择了更加灵活的墓穴式系统同一个设施能够接受来自动力堆和研究堆的乏燃料。5 有那些选择？多个NPP可以通过在其衰变水池之间转运乏燃料来调配占有率从而获得灵活性：在此种情况下，两用容器就是一个不错的选择，既可用于运输又可临时存储。其他情况，则可以选择后处理加厂内中间存储的方式。若时间是首要因素，则应该交付时间较短的NUHOMS。6 从那里为这项工作寻找资源？以美国公司为例，与西班牙的一样，其考虑后端解决方案时并不关心乏燃料量，因为有一个国家实体来负责接管乏燃料，并且基于

19、电力生产收取相应的费用。在这种情况下，应将贮存资源维持在最低限度，以便保持水池的完整核心储备。因此，业主普遍选择最简单的设备（如NUHOMS）。相反，如果按照乏燃料数量支付费用，那么业主更加倾向于高燃耗、高密度的中间存储方案，这就如贮存筒式很好的解决高燃耗问题。如果即将有大量乏燃料需要存储，则墓穴式系统会是首选。7 选择是如何影响长期成本的？长远来来看，由谁负责、由谁承担长期成本会影响到选择：只要核电站在运行，额外的ISFSI运营成本和顾虑都比较少。一旦无水池可用，那么转移成为一个突出问题，要解决此问题就必须引入运输系统。此外，在退役前按时将乏燃料移出到厂外贮存需要一大笔费用。8 是否要利用当

20、地生产要素？在当地生产干式中间存储单元，有诸多优点。更长期的供应商资格;公众易接受，能为当地带来经济利益;便于当地主管部门跟踪。与笨重的贮存筒式相比，Cascad墓穴式系统和NUHOMS系统中有很大一部分能够轻易转移到当地产业链中。切尔诺贝利就是一个很好的例子，所有的生产都在当地完成，是目前世界上最大的ISFSI项目（图8）。图8长远而言，厂内贮存还牵扯到核电厂退役的问题，也就是运营成本及备用解决方案的问题。Vault系统和移动式系统是独立的，能解决上述问题（核电厂退役），存储筒式或罐式系统则会更麻烦些。厂址特性9 中期改变有益吗？系统的模块化和前期投资对回答这个问题是一个关键因素：随着两用金

21、属容器的使用，运营方可以决定是否购买下一个容器，也可以用现有的容器将乏燃料运到别处去。这种短期改变对罐式系统的影响很大，因为已经投入了大量前期设备，除非可以出售给其他用户。墓穴式则需要一段较长的时间才能完成贮存方式的顺利改变。从这个因素可以看一开始就选择具备运输能力的系统在策略上向的优势。这使得随时都可以开始后处理，而一边又在贮存。TN52 L型两用容器被加以开发和使用，执行将BWR燃料运输到后处理厂的常规任务，又可以在Zwilag设施进行贮存。10 数量多少？特性如何？待存储的乏燃料数量是决定系统的另一主要因素。大的存储量使得墓穴系统的前期投资还是值得的：系统的初始单元在总体成本中所占比重较

22、大，特别是对于大批量，初始单元的实际存储空间贡献并不高。材料或介质的多样性能体现墓穴式系统的优点，即同一库内可以防止不同的核废料。距离和库存的组合也应加以考虑：如果有几个核电厂，为了供应vault而去购买运输容器既昂贵又涉及到公众接受的问题。小库存或库存逐步增加（即每年一批或对应于反应堆卸料）就可能要求额外的模块化设计，如两用容器或混凝土屏蔽罐（如NUHOMS），可分散投资，有利于从其他投资中获利。11 有多大厂址空间？占地、可用空间也会影响系统的选择：金属容器可以达到最大密度，不规则形状的厂址最适于贮存筒式和罐式系统，墓穴式更适用于矩形地块。南加州的爱迪生公司的ISFSI就选用NUHOMS这样的罐式系统，因其具备很强的抗震性并且占地面积小，