漢福特場區反應堆安全封存分析

王海良

（中核四川環保工程有限責任公司，四川 成都 610006）

漢福特場區反應堆安全封存分析

王海良

（中核四川環保工程有限責任公司，四川 成都 610006）

美國漢福特場區的9座生產堆（B、C、D、DR、F、H、KE、KW和N）屬于天然鈾石墨水冷堆。1993年，美國能源部決定將8座生產堆（B堆除外）進行中間安全貯存（封存），封存期為75年；B反應堆作為歷史博物館永久保存，并向公眾開放。截至2013年，美國已先后成功完成C、F、DR、D、H、N反應堆的安全封存，KE、KW堆的安全封存將在隨后幾年完成。文章以C反應堆的安全封存為例，介紹了反應堆安全封存的實施等內容。

漢福特場區；生產堆；退役；中間安全貯存；安全封存；堆本體

大型石墨生產堆退役技術復雜，工程實施難度大，有些關鍵技術還沒有得到解決，這對反應堆退役策略選擇構成了制約，在沒有可靠的技術和配套的放射性廢物處置能力的前提下，大型石墨堆退役會采取延遲退役策略，從反應堆關閉到最終拆除需要幾十年甚至更長時間，在此過程中需要使反應堆處于安全狀態，可能需要對堆本體進行安全貯存（封存）。對于石墨反應堆，一些國家進行了石墨堆芯拆除（拆下來的石墨處于暫存中），也研究了一些石墨處理技術，但到目前為止，尚沒有工程規模的石墨處理設施及石墨處置設施，所以對于大型石墨生產堆，是否對反應堆進行拆除仍需嚴格論證，對堆本體進行封存，使其處于安全貯存狀態可能是無奈的選擇，美國漢福特就對石墨生產堆采取中間安全貯存的策略，本文以漢福特的C反應堆為例，介紹漢福特場區天然鈾石墨水冷生產堆安全封存的實施以及安全封存期間的監護。

1 漢福特場區生產堆退役概況

1.1 生產堆運行概況

漢福特場區建于第二次世界大戰期間，為美國能源部所有。場區內建有9座天然鈾石墨水冷型生產堆，分別是B、C、D、DR、F、H、KE、KW和N。其中，N反應堆具有雙重功能，除生產钚外，還利用蒸汽發電，其余8座生產堆則主要用來生產軍用的钚。9座生產堆建于1942—1955年，于1943—1987年陸續運行（見表1）。

1.2 生產堆退役情況

8座生產堆（N堆除外）在設計、建造方面十分相似。停堆后，卸出了8座生產堆內的燃料，將所有的放射性材料從反應堆區域移走。同時，在短期安全貯存期間，對運行系統進行了去污和常規輻射調查。1976年，開始對8座生產堆及其相關的輔助設施進行退役。經過分析對比，1993年，美國能源部決定對8座生產堆采取安全封存75年后延期整體移至位于西區的處置設施進行處置的退役策略。首先將8座生產堆中的5個（C、D、DR、F和H）進行安全封存。余下的3座反應堆中，B反應堆作為歷史文物永久保存下來，向公眾開放，KE和KW將作為隨后兩個進行安全封存的反應堆。2010年，美國能源部決定拓寬8座生產堆原有的退役策略，在保留原來安全封存75年后，延期整體移走的退役策略基礎上，增加立即拆除的退役策略[1]。

1996年，C反應堆被選為第一個反應堆進行安全封存。兩年后，即1998年，完成了C反應堆的安全封存。在吸收借鑒C反應堆安全封存技術和經驗的基礎上，DR、F、D、H和N反應堆分別在2002年、2003年、2004年、2005年和2012年完成安全封存。KE、KW反應堆的安全封存將于隨后幾年完成。

表1 漢福特場區9座生產堆運行歷史Table1 Operation history of nine production reactors at Hanford site

2 安全封存的實施

2.1 C反應堆物理描述

反應堆廠房為鋼筋混凝土和混凝土塊構筑，大小為105.5 m×47.5 m×36.6 m。反應堆本體周圍的下層為鋼筋混凝土墻壁，厚度為0.9～1.5 m，而堆本體上層則為輕混凝土或波紋石棉，屋頂則主要為預制混凝土板。除堆本體外，反應堆廠房混凝土總體積約為330 m3。反應堆廠房內包括堆本體、反應堆控制室、乏燃料卸料區、燃料貯存池、通排風系統、惰性氣體系統、冷卻水系統、輔助辦公室、車間和實驗室。

堆本體是反應堆廠房的主要部分。在石墨慢化砌體中，石墨塊呈十字交叉形放置，中間插入工藝管、控制棒和其他設備，石墨砌體安裝在鑄鋼聯鎖塊構筑而成的厚度為8～10 in的熱屏蔽中。反應堆每個熱屏蔽都含有重量約為91 t的鉛。熱屏蔽外包圍著鋼和纖維制的厚度約為40～83 in的生物屏蔽。生物屏蔽為堆本體總重量的50%。堆本體頂部和四周包圍拱形的鋼制外殼，外殼對堆本體的貫穿件有氣封。堆本體放置在一個大型的混凝土地基上，堆本體重達8 100～11 000 t。堆本體和地基之間有一個厚度為0.635 cm的鋼制隔膜板，將二者隔離開來。控制棒水平穿過堆本體，安全棒則垂直從本體頂部穿過。一旦發生緊急情況，應急關閉系統中的鋼棒和硼棒就會掉入安全棒管，使反應過程中斷。工藝管則水平從前面穿到后面。

2.2 C堆安全封存的工作內容

C堆安全封存工程包括拆除燃料貯存槽、燃料檢驗設施、輔助廠房以及反應堆屏蔽墻外包圍反應堆的所有構筑物部分。在廠房外頂部安裝鋼墻板，余下的構筑物上安裝一個新的鋼屋頂，利用現有的屏蔽墻（0.9～1.5 m厚度的鋼筋混凝土）作為廠房新的外圍墻，將反應堆包圍起來，防止其受天氣影響。封堵屏蔽墻的貫穿孔，防止動物、昆蟲入侵或水滲入，最終安全封存結構。屏蔽墻內的松動沾污部件需拆除或者盡可能固定。為支持監測和監護活動安裝一個帶有永久照明和通風換氣的遠程監測系統。反應堆保留一個入口，門被焊接關閉，便于對設施進行定期檢查（每5年一次）。

2.3 C反應堆安全封存的實施[2]

（1）安全封存的準備工作

為了開展反應堆安全封存前的退役去污工作，需進行前期準備工作，包括建立控制區，出口/入口通道，項目辦公室和人員工作輔助設施，應急站，電源照明系統、通信、消防、HEPA過濾和廠房報警系統。

（2）退役和拆除

為提高退役和拆除效率，C反應堆廠房被劃分為兩個單元：單元I和單元Ⅱ。單元I包括屏蔽墻外的部分設施，大部分都需要退役、拆除。單元Ⅱ包括屏蔽墻內的所有部分，部分要清除的不必要設備以及由屏蔽墻和屋頂形成的用以保護堆本體的安全封存設施。單元Ⅱ內的設備設施將處于安全封存狀態約75年。單元再劃分為區，區再劃分為室。最初的退役去污，首先需要減少一切危險物質，然后對部件或構件進行去污，直到能夠進行拆除。

（3）安全封存結構的構建

1）屋頂結構

C反應堆安全封存前，廠房主要是鋼筋混凝土、結構鋼和石棉水泥板結構。經過研究和對比，C反應堆安全封存屋頂采用鋼梁托架的不銹鋼板。利用現成的屏蔽墻作為支撐結構的主要部分，屋頂形狀設計為傾斜形，該結構不但適合屏蔽墻結構，而且可避免雨雪對屋頂的影響。

新的屋頂由預制鋼托梁和帶一個不銹鋼板金屬屋頂板的剛托梁支架組成，不銹鋼金屬屋頂板使用壽命長且不需太多維護。屋脊沿著內部屏蔽墻呈北南方向，屋脊東面屋頂的坡度為3∶12，西面為12∶6。屋頂與屏蔽墻頂部間的開口區使用與屋頂相同的材料封閉。屋頂固定在屏蔽墻頂部。為了防止污染擴大、動物入侵以及便于將來一次性移走堆本體，堆本體采用類似熱收縮膜的材料密封起來。密封堆本體前，使用螺栓將安全棒擰緊固定。

2） 屏蔽墻結構

屏蔽墻為鋼筋混凝土結構，位于連續底座上，厚度為1～1.25 m不等，地基在廠房地面下約5.2 m。反應堆頂部的現有房間由屏蔽墻支撐，屏蔽墻周圍和上方不必要的結構需拆除，從而減輕屏蔽墻負擔。同時，屏蔽墻需進行部分改動，包括封閉開口、密封貫穿孔、在穿過內部屏蔽墻的第一層設立一個工作人員入口。此外，在屏蔽墻外圍包覆一層保護涂層。

3）開口和貫穿孔的密封

作為反應堆去污退役工作必不可少的重要組成部分，屏蔽墻外部的所有結構需拆除。由于管道、排風管、門、工藝管等的拆除，屏蔽墻上產生了許多開口和貫穿孔。屏蔽墻上的所有開口可分為兩類：一類是小開口，如管道和線路貫穿孔；另一類是大開口，如HVAC管道、門、人行道、燃料運輸區開口等。為了反應堆安全封存，這些開口需進行封閉，貫穿孔需密封。

對于小開口，可采用消防塞、焊帽、泡沫法密封。消防塞密封最適合直徑為100 mm以下的開口。焊帽方法是密封直徑超過50 cm的較大管道的最佳選擇。泡沫密封方法適用于大小不一的開口密封且成本低、質量高。已有應用技術中，硅泡沫密封是最佳的，因為該技術具有易安裝、零泄漏、抗紫外線和輻射、無毒等優點。

對于屏蔽墻上的大開口，如HVAC管、門、人行道、管道、燃料運輸墻洞等，最佳選擇方法是使用混凝土塊密封。

漢福特場區供水管線與安全封存設施是相互分離的，所有的下水道管、管溝、潛水箱都已被堵塞住。

C反應堆已經停堆多年，作為停堆和去污的一部分，液體已經盡可能排除干凈。檢查管道系統的低端，確保無任何液體流出。作為安全封存的一部分，廠房內已污染的管道系統，如氣體管和工藝流管，已經進行密封，因此，在安全封存監護期間，不會出現液體。地面排水溝已進行密封，在安全封存設施內沒有下水道。

4）安全封存監測維護系統

① 電源照明系統

電源照明系統主要是為安全封存準備工作和安全封存后的監測維護檢查提供電源，負載包括室內和室外照明，廠房參數控制和監測系統（CMS），插座，安全封存設施通風（送風和排風機）、安全封存設施公用室的采暖和通風。電源照明系統相關的所有設備都放置在安全封存設施外部，從而允許工作人員無需進入安全封存設施便可進行維護工作。

② 控制和監測系統（CMS）

完成相應去污和退役后，整個設施將置于安全封存狀態。只有當進行監護檢查和維護活動時，才進入安全封存設施。為了持續監測和控制安全封存設施，采用一個整合本地傳感器、信號傳輸以及遠程控制和監測功能的控制和監測系統（CMS），CMS主要負責提供安全封存設施的監測和控制參數，控制和監測系統的功能主要是通過監測主要的廠房參數來確認安全封存狀況；同時，為工作人員進入密封設施進行監護檢查弄清楚密封情況。

探測裝置包括傳感器和攝像機。傳感器由壓力計、熱量探測器和流量裝置組成。攝像機帶有遙攝和移動功能，可以拍攝到工作區前方、后方；儀器實驗室；內部控制棒室、安全棒室和管道，從而在兩次監視（護）檢查之間監測到安全封存設施內部的情況。一旦安全封存設施內產生溫度升高警報，提示可能有火災發生時，該探測裝置能夠立即做出診斷。此外，安全封存設施內部一些重要部位的墻上安裝有固定的攝像機，用以監測安全封存的狀況。

所有傳感器和攝像機都與安全封存控制間的CMS儀器盤連接。CMS儀器盤與遠程監測站之間通過適合中程數據傳輸的微波傳輸進行通信。遠程控制監測站的遠程監測系統采用可編程序邏輯控制器（PLC）監測技術。

3 反應堆安全封存期間的監護活動[3]

C反應堆安全封存期間的主要活動便是對安全封存設施進行定期監測，從而確保結構完整，限制危險物質向環境泄漏，保護環境和公眾。C反應堆安全封存屬于所需維護最少的設施。每隔5年定期對可進入的內部區域進行監測，檢查設施的狀況。監測的頻率可根據后續的檢查歷史做出相應的調整。非常規監測活動包括監測設備和廠房必要的檢修。C反應堆廠房屋頂和建筑結構的外部檢查每年一次，屋頂入口無需檢查，除非需要維修。需從廠房地面對屋頂進行外觀檢查，防止出現任何潛在的功能退化，如防雨板松動等。

C反應堆安全封存屬于去活化設施，需保持監護直到最終退役完成。有計劃性的監護活動包括：保持結構完整、屏障和設置標桿、放射性調查、限制系統和結構部件的檢修、危險物質的移除。

4 結束語

2003年，工作人員進入漢福特場區C反應堆安全封存設施進行第一次5年常規檢查。檢查發現，反應堆仍保持著安全封存時的狀態，沒發生任何變化。美國漢福特場區反應堆安全封存的成功實施表明：反應堆安全封存創建了一種安全環保的安全結構，同時還大大減少了監測維護成本。我國生產堆退役是否要采取與漢福特8座生產堆退役相同或相似的策略，如果要對堆本體進行封存，封存年限為多長，如何進行安全封存（例如封存前廠址的準備，封存結構的構建，封存期間的監護等），對這些課題宜盡早進行系統研究，制定計劃并實施解決所涉及的技術和管理問題。

[1] Federal Register/Vol. 75，No. 141/Friday，July 23，2010/Notices.

[2] Engineering and Planning for Reactor 105-C Interim Safe Storage Project Subcontract No.0100C-SC-G0001 Conceptual Design Report[R]. BHI-00537，Volume 1，Rev. 0，Bechtel Hanford，Inc.，Richland，Washington，1996 .

[3] Surveillance and Maintenance Plan for the 105-C Reactor Safe Storage Enclosure[R]. DOE/RL-98-44，Rev. 0，United States Department of Energy，Washington，1998.

Analysis of the Interim Safe Storage of Reactors at the Hanford Site

WANG Hai-liang
(Sichuan Environmental Protection Engineering Co.，Ltd.，CNNC，Chengdu of Sichuan Prov. 610006，China)

The nine production reactors, i.e. B, C, D, DR, F, H, KE, KW and N, at the Hanford site are all water-cooled and graphite-moderated reactors with natural uranium fuel. In 1993, the U.S. Department of Energy (DOE) decided to put eight production reactors (except for B) into Interim Safe Storage (ISS) for 75 years followed by deferred one-piece removal. Reactor B will remain as a national historical landmark. By the end of 2013, six reactors C, F, D, DR, H and N had been successfully put into the ISS. Reactors KE and KW will be put into the ISS in the coming years. Taking reactor C as an example, this paper mainly talks about how to put the production reactors in the Interim Safe Storage, e.g. how to make site preparation, how to construct the safe storage enclosure (SSE) and how to perform surveillance and maintenance during the ISS period, etc.

Hanford site；production reactor；decommissioning；interim safe storage (ISS)；safe storage enclosure；reactor block

TM623 Article character：A Article ID：1674-1617(2014)03-0275-05

TM623

A

1674-1617(2014)03-0275-05

2014-05-07

王海良（1964—），男，河北文安人，高級工程師，從事退役治理管理研究。