乏燃料储存、运输

核物理科普系列十八

一、乏燃料的特性

1.乏燃料:在核反应堆内使用(辐照)达到计划的卸料比燃耗后,自反应堆内卸出且不再该堆中使用的核燃料。

2.乏燃料组成:原有的组成、裂变产物和锕系产物。

裂变产物:分为初级和次级;种类十分繁多共有36种化学元素;其核素则多至两三百种;还有对安全性也较为重要的氚。这些裂变产物核素除少部分是稳定的以外,大多具有极强的β、γ放射性;裂变产额较大而半衰期又适中(或更长)且对乏燃料随后的工艺过程具有重要意义的这类核素有:挥发性气态(3H、85Kr、129I、131I、133Xe)和(90Sr、95Zr、95Nb、99Tc、106Ru、137Cs、144Ce、147Pm、151Sm等)。

锕系产物

由铀同位素中子俘获反应(有时伴随衰变)而生成;

其中最重要的是钚的各种同位素(以239Pu为主);其它锕系产物有镎、镅、锔等(又称为次锕系元素);

各核素的产额随其电荷数和质量数的增加而减少;

锕系产物大多具有半衰期较长的αγ放射性,而且伴有一定折中子发射率;

乏燃料本身会发出各种极强的射线和中子,并由此伴随放出热量,同时不少元素还具有相当强的生物毒性;

以典型的轻水堆为例:当使用低富集度的UO2燃料,燃耗为33GW·d/t (U)并冷却150d后,其乏燃料的放射性比活度仍高达1.67E17Bq/t(U),发热量为20kW/t(U),其中钚含量接近1%,裂变产物总量约为3.5%,而铀235富集度0.8%~0.9%;铀238约有95.5%。

二、乏燃料储存

1.冷却

辐照过的燃料从反应堆里卸出后必须存放一段时间,以使短半衰期的放射性核素绝大部分衰变掉的过程;其含义指乏燃料的放射性衰减,并带走其衰变热。

冷却的目的:显著降低其放射性水平(经5年冷却后其放射性衰减在为变慢);确保转换成易裂变物质(某些可转换的核素吸收中子后生成的中间产物需要有足够的衰变时间才能完全转化为易裂变物质);让某些放射性很向靠近人铀同位素衰变如铀237;一般冷却160至180天;乏燃料储存时间的选择除考虑上述因素外还要兼顾储存装置的容量、乏燃料积存对燃料循环经济性的影响以及适宜后处理的时机;目前轻水堆乏燃料现场至少储存1年才被运出。

2.储存方式

储存方式分为——干法和湿法,目前绝大多数是湿法;即将乏燃料存放在水池内的格架上,池水既可起放射性屏蔽隔离作用,又可带走乏燃料的热量;水池需配备池水处理系统和热交换系统;储存时间可达20~30年;干法储存是近20年发展起来的,包括干井、金属中混凝土容器、土圆仓、地窖等,贮存时间可更长(50至100年)。

按储存设施的所在地可分为——在堆储存(反应堆附设的燃料水池)和离堆储存(后处理厂的厂址)两种。

3.储存过程的安全考虑

(1)水池结构的完整性;

(2)确保乏燃料处于亚临界状态;往池水中加入可溶性中子毒物或/和采用含有中子毒物的材料制成的储存格架;

(3)储存乏燃料组件的格架地震时可能发生的位移和倾倒。

日本将乏燃料中的贮存到金属屏蔽罐中

三、乏燃料运输

由于乏燃料的固有特征,给其运输带来了了密闭、屏蔽、散热、防核临界等复杂问题,因而在运输过程中一定要确保其安全。

1.运输容器

运输容器是确保运输安全的关键装备,必须具有足够的机械强度,以抵御各种外力的作用;

常用的圆柱形容器由带底的开口圆筒、内腔篮筐、顶盖及O形密封圈等组成,保持严格的密闭性;

运输过程中,容器的两端装有防冲撞的减震器,并被安放在托架上;

圆筒和顶盖内设有能阻挡各种射线(特别是γ放射性)的屏蔽层(铅、锻钢、球墨铸铁等);

装动燃耗大于20GWd/t(U)燃料容器还须设置中子吸收层(水或有机材料);

各层材料之间要有良好的导热性能;某些容器的外壳上可焊有金属翅片,以肋散热;

乏燃料组件在篮筐内的排列既要尽可能紧密又要确保临界安全。对于高燃耗燃料此篮筐由含有中子毒物的材料制成;

容器的设计同、制造和检验均有非常严格的规范和标准,且实行许可证制度。在研制过程中容器要经受一系列极其苛刻的度通,以模拟各种可信事故下容器的性能;

为减少运输次数以节省费用,运输容器的容量应尽可能大;容器的重量一般为数吨至数十吨;目前最大的容器重量已达120t级,一次可装运20多个PWR燃料组件。

2.运输方式

运输方式分为公路运输、铁路运输和水路运输;

公路运输:具有门到门的优点,适于运距不太长和抵离铁路车站或水路接驳时采用,但对沿途的干扰大而且效率低、成本高;

铁路运输:适于中长距离,对沿途的影响较小,费用适中,但货包的起运点和终点无铁路通达时还须用汽车接驳;

水路运输:适于中长运距,安全性极好的专用船一次可装运多个容器,成本低而效率高;

乏燃料运输涉及重大安全和保卫问题,须由培训过的专业人员实施;

运输过程要保证有最大的安全性,并有事故应急预案;不了减少对沿途公众和一半的影响运输路径应尽可能避开人口稠密的城市或区域。

国产大型乏燃料运输容器“龙舟-CNSC”