乏燃料干式储存

由于乏燃料通常先在反应堆水池内储存一段时间，然后才转移到乏燃料中间储存设施，在初始储存期间，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储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，乏燃料转运和储存操作无需依赖于复杂的能动保护系统。这样乏燃料干式储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储存操作也变的相对简单。

相对于需要水池的湿法储存，采用干法储存乏燃料具有许多优势，例如：干法储存不需要使用储存水池燃料储存容器能够承受较大的冲击和温度变化技术相对简单干法储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非能动冷却式干法储存装置由于设备（泵、压缩机等）需求少，所以它的维修量少而且可靠性高。还有，应该不要忽视干法储存还具有以下一些优点：

可能在很少或没有腐蚀问题的情况下进行长期储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但总体而言，乏燃料干式储存的优点较为突出：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。所以，它已成为二十世纪较为广泛使用的一种成熟技术。

1、干法储存的安全性

乏燃料干法储存必须达到的基本安全目标：

提供足够的辐射防护，保障设施内的员工不受到放射性辐射的影响燃料储存在容器内，防止任何放射性物质从容器内释放到周围环境中这些目标并不难实现。在干法储存容器中，容器破裂导致放射性物质释放到周围环境中的几率很小。在干法储存容器中，固体物质（核燃料组件）被完全置于一种坚固的、较厚的容器中。这种系统发生完全崩溃并释放出放射性物质的可能性很小。然而，当燃料并未完全装在容器内，处于移动过程中，尤其在装料和卸料过程中时，必须谨慎处理。

为了确保干法储存容器系统提供足够的辐射防护和安全壳，设计这样的系统时必须满足以下要求：

在储存过程中，燃料包壳必须保持完整性必须避免高温，因为高温可能导致燃料降解必须防止发生意外的链式反应（“临界”）必须提供有效的辐射防护必须避免放射性物质的释放一旦发生问题，必须确保实现燃料回取

大多数水池和干法储存系统可以完全满足这些要求。

世界各国的经验和许多监管报告增强了干法储存具有安全性的结论。美国核管会（NRC）表示在100年之内干法储存是安全的，而且是环保的。当然这并不是说干法储存系统不会面临安全挑战。有效的监管和安全监测对于确保建造高质量的储存容器和配套设施、确定装载燃料和储存容器密封的工序是至关重要的。燃料装载结束之后，需要对储存容器进行定期监测。在正常运行期间，发生事故也包括地震、龙卷风或者飞机坠毁时，设计的系统都必须保证其安全性。

2、干法储存的灵活性

乏燃料干法储存是一种相当灵活的方法，不但提供了最方便、最具成本效益的乏燃料储存管理方法，而且随着时间的推移，适应了不断变化的环境。对于追求开放式燃料循环的国家，如美国，在研究处置库的过程中，干法储存提供了长期安全储存乏燃料的选择。对于追求闭式燃料循环的国家，如日本，干法储存为控制后处理的时间和速度提供了更灵活的选择，这样可以实现更好的经济和能源目标；如果一个国家推迟后处理并且不希望建立分离钚的贮库（如日本），或者为了采用先进技术实现长期管理，暂时储存乏燃料，都可以使用干法储存。对于结合上述两种策略的国家，干法储存在路线方面提供了额外的灵活性。在每个反应堆场区、中间储存设施（如德国）或者多个场区，包括堆内或堆外设施都可以采用干法储存系统。如果需要的话，任何设施内都可以增加干法储存的容量。简而言之，干法储存可为乏燃料管理提供灵活性，为计划建造永久处置库或后处理设施争取时间。

3、干法储存的经济性

干法储存所采用的系统、干法储存设施所需进行的改造、每个国家的许可证要求以及干法储存设施容量的差异，都会导致干法储存的具体成本不同。

在美国，不管乏燃料的具体贮量多少，在反应堆内建造一个新的干法储存设施所需的前期总成本约为900万美元或800万-1200万美元。购买和装载干法储存容器的成本，包括劳力、消耗品、退役，乏燃料中每千克重金属的成本介于60-80美元。由于一旦将乏燃料装载到储存容器中，就不需要做任何工作，因此运行成本非常低，主要成本是为维持核管会的设施许可证所提供的安全措施和安全监控。对于储存设施与反应堆在同一场区的情况，许多成本可以计入反应堆运行的成本中，这样净运行成本就只需75万美元/年。对于独立储存场区或已停堆的反应堆内储存场区，这些成本应属于储存场区，净运行成本相当高。对于停堆的反应堆，其所有的乏燃料都进行了干法储存，每年的运行成本约为300-400万美元。（相比而言，在反应堆停堆后，如果业主选择将燃料储存在储存池中，与之前的水池储存没有区别的话，年成本约为900万美元）。如果反应堆仍然继续运行，将反应堆整个运行期内产生的约1000吨乏燃料干法储存40年，未贴现总成本约为1.2亿美元或120美元/kgHM；如果反应堆停堆的话，未贴现总成本约为2.5亿美元或250美元/kgHM；这40年的贴现值很少，因为几乎所有的成本主要是前期的费用。按照5%的比例计算，在整个储存期，如果反应堆继续运行的话，净现值将为100美元/kgHM；如果停堆后乏燃料储存40年，净现值为160美元/kgHM。大型中间储存设施每千克乏燃料的储存成本类似于在堆乏燃料的储存成本。

与后处理或直接处置的成本相比，乏燃料临时储存的成本很低，这是可以预料的，因为临时储存只是暂时的解决方案，在几乎所有的行业，永久的解决方案都是比较昂贵的。从严格的经济角度来看，反应堆运营商应支付临时储存费用，允许为乏燃料后处理或直接处置成本贴现（discount thecost）。问题的关键是不应该由于临时存储成本较低、优化了时间和速度而推迟永久性解决方案，这只是提供了灵活性，最终还是要实现永久的解决方案。

干法储存乏燃料在美国、加拿大、德国、韩国和俄罗斯等国得到越来越普遍的使用，有些国家可能会采用该方法将乏燃料临时储存上百年或更长时间。到2012年，世界上已经有阿根廷、比利时、加拿大、捷克、法国、德国、匈牙利、日本、韩国、立陶宛、乌克兰、英国、美国、俄罗斯、西班牙、中国等十多个国家拥有乏燃料干法储存设施。各国核安全当局和国际原子能机构都已制定了相关的法规和标准，该项技术正在世界范围内逐步推广。

国际原子能机构在2010年11月的《世界乏燃料管理趋势》报告中提到“长期干法储存正在成为一项不断向前发展的事实，储存时间长达100年甚至可能更长”。干法储存乏燃料的费用较低，美国把这些装有乏燃料的容器储存在户外，储存费用仅约100~200美元/kgHM。德国和日本把乏燃料容器储存在具有厚壁的建筑物里，因此费用增加了一倍。

福岛事故发生后，对水池中储存乏燃料的安全问题给予了特别关注，乏燃料管理安全和放射性废物管理安全联合公约的缔约方确认了进一步讨论该问题和可能的乏燃料干法储存的重要性。

干法储存是核燃料循环后段过程中已得到积极发展的一种技术。干法储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，设计储存期一般为40~60年。

干法储存可采用储存室技术、容器储存技术和筒仓技术。对于干法储存的分类，目前尚无一致意见，特别是容器储存，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，如储存单用容器、储存和运输双用容器以及储存、运输和处置三用容器。

典型的干法储存装置（容器、筒仓或混凝土容器、半地面的凹井或干井以及储存室）都基于模块式的概念。这意味着，在建造大容量的储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，储存装置容易适应今后乏燃料管理策略的改变。

干法储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法储存做了试验，设计安全准则都能得到满足。干法储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，干法储存的安全性、可靠性和经济性都不存在严重的问题。

根据对乏燃料储存技术的研究和工程应用现状，可以看出乏燃料干法储存技术已是一种成熟的、且经过工程实践验证的技术。该技术已经广泛地应用于世界各国，并正在不断地得以推广，其中以美国、加拿大、法国、日本等国在乏燃料干法储存的技术研究和工程应用中的经验最为丰富，具有较高的工程技术能力。

在我国，开发建造乏燃料长期干法储存库，有非常现实又十分紧迫的意义。它既可以解决我国乏燃料储存能力不足的现状，又可以为后处理研究开发争取到更多的时间。

1、干法储存室

在储存室内，乏燃料被置于大型的混凝土厂房内，其外层是辐射防护层，内层含有许多适合储存乏燃料部件的凹处。乏燃料储存在可容纳一个或多个燃料组件的密封储存金属管或储存筒。通过强制通风或自然通风，将储存室系统内的热量转移出去。在一些储存室系统中，将乏燃料从燃料转运容器内转移到储存钢管内。而在其它储存室系统内，乏燃料则保留在储存容器内，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储存筒内。这样，储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、干法储存筒仓

在干法储存筒仓系统中，乏燃料储存在混凝土储存筒内，无论是垂直放置还是水平放置，储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。采用筒仓式储存的国家有美国、加拿大、韩国、阿根廷、亚美尼亚共和国等。

3、干法储存容器

在干法储存容器系统内，厂房外或厂房内会建造一块混凝土板。根据实际需要，添加大型储存容器以储存乏燃料。储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，但储存容器的总成本却很大；因为每个储存容器的成本与之前的成本基本一样，但是如果储存较多的燃料，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法储存容器内。生产厂家设计出各种各样的储存容器，包括金属和混凝土储存容器（后者通常含有金属内衬）。原来，像储存库和筒仓一样，储存容器只用于储存乏燃料。最近，一些储存容器已经过许可认证，具有“双重功能”，即储存和运输乏燃料。继续改进储存容器旨在实现“三重功能”，即储存、运输和永久处置。

由于储存容器的固有灵活性，该系统受到反应堆运营商的认可。美国和日本大多都计划采用干法储存容器在反应堆内和远离反应堆的地方长期储存乏燃料。

图1乏燃料干式储存技术早在上世纪80年代投入应用,至今已有30多年的应用历史,在技术上取得了很大的进步。纵观目前各国应用的乏燃料干式储存设备,主要可归纳分为金属容器式(包含储存式与储存-运输双功能式)和混凝土容器/模块式两大类，如图1所示。虽然金属容器和混凝土容器的设计、结构配置与特性不大相同,但作为乏燃料的中间储存设备,都需要满足下列要求:

(1)良好的辐射屏蔽,使环境辐射剂量低于规定限值。

(2)足够的结构强度,经受可能的天然及人为意外事件情况下均能确保结构的完整性和安全性并迅速恢复正常运转。

(3)良好的散热冷却,并确保整体机构的温度低于限值。

因此,乏燃料干式储存设备的生产商必须基于上述要求,结合具体的乏燃料参数及核电厂特性,有针对性的开发出不同型式的产品,并且需要通过环境安全、社会舆论与经济等各项评估。

1、金属容器

金属具有良好的导热性,能将乏燃料的衰变热直接由热传导散出。另外由于金属比混凝土的密度大,在相同的屏蔽效果上,金属容器的截面积与重量比混凝土的要低。因此金属容器除作为储存设备使用外,也常设计成多用途的容器,满足储存和远途运输的需要。

国际上金属容器式干式储存设备的供应商主要有GNS、Holtec、NAC、Transnuclear等公司。下面选几个有代表性的产品进行简单介绍:

(1)GNS公司的产品:GNS公司的CASTOR系列金属容器,针对不同的燃料及需求有许多不同的改良类型。CASTOR-440/84在容器的顶部、底部与周围都有一层中子吸收材料,并利用金属的包覆达到辐射屏蔽与结构安全的目的,燃料的热量则直接通过容器最外围的金属散热片导出。BAM曾对CASTOR容器进行一系列的跌落试验与分析,其中包含最严格的19.5m跌落试验,都能满足高标准的安全要求。

(2)Holtec公司的产品:Holtec公司的金属容器主要包括Hi-star100。Hi-star100容器具有储存及运输双功能。储存时垂直放置,运输时搭配减震器水平放置运输。容器结构主要分为三层,最内层为钢内衬,与燃料密封钢筒相邻,中间层为厚层钢板,用于屏蔽Gamma射线,最外层则用钢板薄壳包覆中子吸收材料。由于整体材质都是良好的导热材料,可以直接使用热传导的方式将燃料热量排走。

(3)NAC公司的产品:NAC公司的STC和S/T容器也具有储存及运输功能。STC与S/T两者之间的差别在于有无搭配密封钢筒。STC须搭配密封钢筒,燃料先装载到密封钢筒后,再置入储存容器中。S/T系列则没有密封钢筒,需将容器整体吊入装罐池进行装载。目前大亚湾核电站使用的乏燃料运输容器就是NAC-STC型容量。S/T系列则主要应用于乏燃料的中间储存。

(4)Transnuclear公司的产品:Transnuclear公司的TN系列金属容器,其顶盖使用螺栓式固定,此方式不需焊接,施工较简便,并具有较佳的耐候性。搭配减震器后,可用于运输。其侧面壁体配置有垂直方向的散热片,但此容器的中子屏蔽最外层再加一圈钢板包覆,使其整体外观为较规整,利于燃料装罐后去污工作。

2、混凝土容器

因混凝土是良好的辐射屏蔽材料,因此常被用作核废料储存结构。加上成本低、原料容易取得、制造技术及设备需求较简单等,受到普遍青睐。

目前国际上常见有GNS、Holtec、Transnuclear与NAC等厂家所生产的混凝土和混凝土模块干式储存容器,已广泛地为世界各国核电厂所使用。以下按不同公司生产的产品进行介绍:

(1)GNS公司的产品:CONSTOR系列混凝土容器属于钢板包覆式混凝土容器。是以重混凝土作为屏蔽和中子吸收材料。该容器为密封式的储存容器,因其使用重混凝土,能以较小的厚度达到相同的屏蔽效果,同时获得较佳的导热性,再搭配补强钢筋,可进一步提升容器强度及导热性。此外,由于重混凝土的使用使重量较轻,提高了可运输性也是CONSTOR系列容器的一个特色。但是重混凝土原料较难获得且成本较高,所以多数混凝土容器仍以普通混凝土作为主要材料,所以必须搭配对流散热机制才能达到良好的热量导出。

(2)NAC公司的产品:NAC公司产品有UMS、MPC与MAGNASTOR三种混凝土干式储存容器,都是被动通气式混凝土容器。其中MPC与UMS是同一系列产品,其容器设计大致相同。NAC公司为我国台湾乏燃料干式储存设备的技转厂家,台湾金山核电厂采用的是经改良的INER-HPS干式储存系统,便是自NAC的UMS系统进行局部修改而成。为再增加屏蔽效果及安全性,台湾采用的INER-HPS系统在容器外围又设置了一层厚350mm的混凝土屏蔽层。NAC公司考虑未来乏燃料储存将朝高容量与高燃耗的方向发展,储存设备需有更好的散热效果,于是改良研发出MAGNASTOR系统。除容量增加外,MAGNASTOR在设计上向改善容器外的辐射剂量及提升其散热功能方面着手。其进气口的设计较扁平,可减少进气口处的辐射剂量,容器内壁的钢内衬表面,鳍还设计许多垂直方向的状结构,以提高热对流效率。

(3)Holtec公司的产品:Hi-Storm 100混凝土容器,包含了钢板包覆式混凝土容器与通气式混凝土容器的设计,并结合上述二者的优点。钢板层内包覆普通钢筋混凝土,因采用钢板包覆式的结构设计,能避免内部混凝土遭受外界环境侵蚀,有较好的耐久性;又可提高储存容器的强度及耐震性。此外,外层钢板进行光滑处理及保护涂层,有利于除污工作。Hi-Storm100混凝土容器的进气口设计,利用底部曲折的混凝土间隙结构,作为热对流时的进气口,以避免辐射直接外溢。下方底座屏蔽与内壁体间,有环状间隙能让空气自进气口进入后流经底座屏蔽周围、容器内壁与密封钢筒的间隙,至排气口排出。

自1986年美国核管会颁发第一张乏燃料干式储存容器许可证以来,截止2012年底,国际上已经建立了存量接近4万吨的干式储存设施。

1、美国乏燃料干式储存应用状况

美国目前在运的核电机组有104座,共产生了约7万吨乏燃料,并以每年2千吨的速度递增。美国的乏燃料采用直接处置的政策,由于乏燃料及高放废物处置场建设计划推迟,核电厂必须自行解决乏燃料离堆储存问题。美国的乏燃料离堆储存采用干式储存的方式,目前有超过70%的核电厂建立了乏燃料干式储存设施。有约2万吨的乏燃料储存在或即将转移至干式储存设施中。

2、日本乏燃料干式储存应用状况

日本拥有50台在运核电机组,每年卸出约900吨乏燃料。日本核电厂产生的乏燃料主要存储在核电厂的乏燃料池中。由于乏燃料存储量已接近乏燃料池的容量,一些核电厂被迫增加存储能力,以避免乏燃料池的存储量超出储存能力。1997年东京电力公司的福岛第一核电厂建成了一个由20个金属储存容器组成的干式储存设施。日本原子能公司的东海2核电厂建造了容量为260吨(24个屏蔽容器)干式金属罐储存设施。

3、法国乏燃料干式储存应用状况

法国目前运行的核电机组有58台。法国在执行核能计划初期,由于自产的铀矿数量有限,为了提升法国能源的安全性,强调乏燃料是一种资源而不是废物,即采取乏燃料再循环利用策略。

法国仅建有一座乏燃料干式储存设施,用于储存法国原子能的重水研究堆产生的乏燃料,储存能力为180吨。

4、韩国乏燃料干式储存应用状况

韩国在运的核电机组有23台。到2007年底储存中的压水

堆乏燃料存量为4,327.53吨;重水堆乏燃料为5,092.33吨(其中2,425.68吨为干式储存,2,666.65吨为湿式储存)。除了部分重水堆乏燃料储存于Wolsong核能电厂内的干式储存设施外,其余均采用在核电厂内湿式储存。核能电力公司-韩国水力与核能发电公司所负责营运的压水堆电厂,由于厂区内空间不够,计划建设一个异地集中干式贮置场。

5、加拿大乏燃料干式储存应用状况

加拿大目前共有19台核电机组在运,堆型以重水堆为主。乏燃料目前暂贮在核电厂及中间储存设施中,目前统计有来

自22个核电机组及2个研究用反应堆所产生的42,000吨乏燃料。乏燃料从反应堆卸出后,先在水池中储存7年到10年,以降低其辐射热与放射性,之后再移转到干式中间储存设施中。

6、英国乏燃料干式储存应用状况

英国目前运行中的核电机组有16台。反应堆类型大多是先进的气冷堆,其产生的乏燃料在核电厂内短暂储存至少100天后,以铁路方式运到燃料处理厂进行储存与再处理。干式储存部分则仅有Wylfa电厂建设干式储存设施。英国乏燃料管理策略以往是采取再处理方案,然而在2009年公布的国家核能发电政策初稿中,新建造的核电机组将采取开放式燃料循环,乏燃料将长期储存100年后移至最终处置场存放。

7、我国乏燃料干式储存应用状况

我国目前在运核电机组17台。秦山三期核电厂(重水堆)为解决乏燃料的出路问题,参考其他CANDU堆的通用做法,在秦山三期核电厂区内选用加拿大AECL公司的MACSTOR-400型混凝土模块技术建造乏燃料临时储存设施。该设施计划建设18个QM-400乏燃料干式储存模块,已于2009建成了2个储存模块,并每隔5年建造2个模块。除此以外,国内其它机组还没有干式储存设施。

尽管上述各种乏燃料干式储存设备各有特点,但无外乎都是在确保乏燃料的安全操作、临界安全、余热导出、防止放射性物质外逸以及避免操作人员接受超过规定的剂量的前提下实现乏燃料从核电站内储存水池转运到中间储存设施中。

经过前面各厂商的各种乏燃料干式储存设备技术的简单介绍,我们不难发现其发展趋势可以归纳为以下几方面:

(1)向着更经济的方向发展,由金属容器演变为混凝土容器。比如干井式储存法,就是在地下构建混凝土存储容器,利用大地进行屏蔽和提供热阱,在经济性、辐射屏蔽和散热能力上有较大的优势。

(2)由单一用途容器演变为双用途容器。

(3)向更大容量方向发展。

(4)向装载更高燃耗,以及铀钚混合燃料的方向发展。

截至2012年底,国内已运行的核电机组有17台,总装机容量为1,36万千瓦,每年将产生300多吨的乏燃料,目前已累计产生4,489组乏燃料,至今已外运的有858组乏燃料。随着在建核电站的陆续投运,后续核电站乏燃料外运需求将更多。“十二五”期间,预计新产生乏燃料4,249组,需离堆储存的乏燃料将有576组;“十三五”期间预计将新增9,500组,需离堆储存的乏燃料将有3,200组左右;按照如今建设速度和规模,到2020年,累积产生的乏燃料将会达到14,000组以上。

根据我国在运核电站2011～2025年需要离堆储存的乏燃料统计共有约8,276组。我国现有的500吨离堆储存水池已经饱和无法继续接收乏燃料。正在西北扩建的800吨乏燃料水池,计划2013年底投入运行,可接收约1,600组乏燃料。“十二五”期间计划开工建设1,600吨储存水池,含400吨和1,200吨各一个,计划分别于2015年和2018年投运,可接收约3,200组乏燃料。“十三五”期间计划再建设一个1,200吨乏燃料储存水池,预计2020年投入运行,可以储存约2,400组乏燃料。如果进展顺利的话,我国离堆乏燃料储存水池2011～2025年预计总共可以储存6,956组乏燃料,尚有1,320组乏燃料的缺口,这部分乏燃料需要另想办法。如果后续离堆储存设施的建设进度跟不上,后期乏燃料外运与离堆储存的压力将会越来越大,这将影响到核电站的安全运行。

乏燃料干式储存是被国际经验证明更安全、灵活性更好的乏燃料储存方式,也更符合我国乏燃料离堆储存的现实需求。可以为我国后处理大厂引进和技术研发提供充足的时间缓冲。是乏燃料后处理未来发展的必然选择。同时乏燃料干式储存设施也将成为一个新兴的产业,市场潜力巨大。因此根据我国核燃料循环后端发展现状,有必要尽快开展我国乏燃料干式储存设施的研发和建设工作。