核電站是這樣停堆換料的

劉國(guó)偉

反應(yīng)堆是核電站的核心，反應(yīng)堆內(nèi)的核燃料不斷進(jìn)行鏈?zhǔn)椒磻?yīng)產(chǎn)生熱能進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電能。但這些核燃料需要定期更換，由于反應(yīng)堆內(nèi)高溫和強(qiáng)輻射，當(dāng)前絕大多數(shù)核電站都需暫停反應(yīng)堆才能進(jìn)行換料，這被稱為“停堆換料”。由于停堆成本巨大，打開(kāi)一）欠不容易，也會(huì)同時(shí)進(jìn)行相應(yīng)維修工作。那么，核電站是如何進(jìn)行停堆換料的？我國(guó)核電站目前停堆換料的技術(shù)水平如何？

據(jù)中核集團(tuán)官方微信公眾號(hào)“中國(guó)核電”發(fā)布的消息，該集團(tuán)旗下海南昌江核電廠2號(hào)機(jī)組已于1月5日12時(shí)23分成功并網(wǎng)發(fā)電，這標(biāo)志著該機(jī)組代號(hào)為202的換料大修工作結(jié)束。2018年11月23日0點(diǎn)01分，昌江核電廠2號(hào)機(jī)組從海南電網(wǎng)解列，標(biāo)志著該機(jī)組的第二次大修正式開(kāi)始。

換料大修損失巨額電量

昌江核電2號(hào)機(jī)組的這次大修歷時(shí)42天，除了更換部分燃料外，還實(shí)施了包括壓力容器開(kāi)關(guān)蓋、裝卸料、2LHQ應(yīng)急柴油機(jī)升級(jí)檢修、冷源檢修、發(fā)電機(jī)抽轉(zhuǎn)子等的大修，以及主廠變感溫電纜換型等重大技改項(xiàng)目。這是昌江核電2號(hào)機(jī)組第二次換料大修，該機(jī)組第一次換料大修是在2017年11月20日，歷時(shí)75天。除換料外，還有約7500項(xiàng)檢修項(xiàng)目，包括堆內(nèi)的“一回路水壓試驗(yàn)”、安全殼強(qiáng)度和密封性試驗(yàn)、壓力容器在役檢查、主輔變年度檢修、汽輪發(fā)電機(jī)組全面檢查等大修項(xiàng)目，以及國(guó)家核安全局要求進(jìn)行的測(cè)溫探頭（ MT）套筒返修、汽輔泵葉片檢查等項(xiàng)目。

昌江核電2號(hào)機(jī)組于2010年11月開(kāi)工建設(shè)，2016年8月并網(wǎng)發(fā)電進(jìn)入商運(yùn)。2017年11月第一次換料大修，歷時(shí)75天;2018年11月第二次換料大修，歷時(shí)42天。這說(shuō)明由于核電人多方面努力，反應(yīng)堆停堆換料大修的時(shí)間在大幅減少，效率明顯提高。就拿昌江2號(hào)機(jī)組來(lái)說(shuō)，停堆一小時(shí)，就要損失65萬(wàn)千瓦時(shí)的電量。該機(jī)組的第二次大修比第一次少了33天，如果滿負(fù)荷運(yùn)行，就相當(dāng)于多發(fā)51480萬(wàn)千瓦時(shí)的電。

既然如此耗時(shí)又花錢，反應(yīng)堆為何要進(jìn)行換料大修？

壓水堆核電站換料都需停堆

作為核電站中最關(guān)鍵的設(shè)備，反應(yīng)堆的類型決定了核電站日常運(yùn)行和維護(hù)的諸多差異。目前在役核電站使用的壓水堆，源于1953年美國(guó)原創(chuàng)開(kāi)發(fā)成功的核潛艇動(dòng)力堆。由于在設(shè)計(jì)和使用上具備明顯優(yōu)勢(shì)，壓水堆目前占全球核反應(yīng)堆總數(shù)的六成以上，也是我國(guó)核電站所用反應(yīng)堆的主力軍。因此，本文中提到的核反應(yīng)堆如無(wú)特別說(shuō)明，則均為壓水堆（水在堆芯內(nèi)不沸騰，保持在高壓狀態(tài)）。

從專業(yè)技術(shù)角度來(lái)看，壓水堆核電站的先天短板，在于被裝入堆芯的核燃料具有后備反應(yīng)性，即堆芯中全部中子吸收體，如控制棒、可溶毒物、可燃毒物等都被取出后，反應(yīng)堆還會(huì)保持反應(yīng)性。可隨著反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)，核燃料損耗的增加，后備反應(yīng)性就逐漸減少，最終會(huì)使整個(gè)反應(yīng)堆不能維持運(yùn)行，也就無(wú)法產(chǎn)生核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。因此，必須定期更換部分核燃料以保持機(jī)組正常運(yùn)行，停堆換料實(shí)屬不得已而為之。

當(dāng)然，不是所有的反應(yīng)堆在換料時(shí)都需要停堆，我國(guó)秦山核電站三期工程使用的重水堆，在換料時(shí)就不需要強(qiáng)制停堆。這是因?yàn)橹厮训娜剂习羰M件簡(jiǎn)單又短小，又加上反應(yīng)堆堆芯是水平管道式的，因此，在更換燃料的時(shí)候無(wú)須停堆，換句話說(shuō)，重水堆在工作狀態(tài)中隨時(shí)都能換料。不過(guò)，重水堆在國(guó)內(nèi)外核電站中屬于小眾，僅占核反應(yīng)堆總數(shù)的一成左右。

換料間隔周期越長(zhǎng)越好

對(duì)一個(gè)日發(fā)電量上百萬(wàn)千瓦時(shí)的核電站來(lái)說(shuō)，停堆換料工作所造成的經(jīng)濟(jì)損失無(wú)疑是驚人的，但這項(xiàng)工作又是必不可少的。因此，延長(zhǎng)核燃料的使用周期，停堆換料次數(shù)越少越好。這方面的世界紀(jì)錄是美國(guó)伊利諾伊州的拉薩爾核電站創(chuàng)造的，2006年該核電站一次換料后持續(xù)運(yùn)行了739天，超過(guò)了兩年。

在我國(guó)，近年來(lái)核電站壓水堆核燃料的使用周期有了顯著增加，在燃料組件設(shè)計(jì)上下功夫是重要的突破口。在這方面，位于江蘇省連云港的田灣核電站走在了前面。2014年以前，田灣核電站使用的UTVS型燃料組件的換料周期只有300天。2014年開(kāi)始，田灣核電1號(hào)機(jī)組啟動(dòng)了“長(zhǎng)周期項(xiàng)目”，即通過(guò)每年裝入部分TVS-2M型燃料組件的方式，逐步向長(zhǎng)周期燃料循環(huán)階段過(guò)渡。國(guó)產(chǎn)化的TVS-2M燃料組件具有更好的穩(wěn)定性和更多的鈾裝量，可把換料周期延長(zhǎng)到480天，還能讓反應(yīng)堆更安全、高效地運(yùn)行，在技術(shù)性能與經(jīng)濟(jì)性方面都得到了改善。2016年初，田灣核電站1號(hào)機(jī)組結(jié)束了混合堆芯的狀態(tài)，進(jìn)入全堆長(zhǎng)周期型高性能燃料組件運(yùn)行階段，從而實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)周期燃料組件的全堆應(yīng)用。

《中國(guó)核工業(yè)報(bào)》披露的消息顯示，田灣核電站的兩臺(tái)機(jī)組完全實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期燃料循環(huán)后，預(yù)計(jì)每臺(tái)機(jī)組平均每年可增加運(yùn)行時(shí)間約20天，兩臺(tái)機(jī)組年發(fā)電量增加9.6億千瓦時(shí)。折算到同等發(fā)電量的燃煤電站，兩臺(tái)機(jī)組每年將少消耗38.4萬(wàn)噸煤炭。

停堆換料時(shí)間越短越好

同樣出于經(jīng)濟(jì)上的考慮，停堆換料工作完成得越快越好也是核電行業(yè)的共識(shí)。以美國(guó)華盛頓州里奇蘭德的哥倫比亞核電站為例，30天的停堆要使核電站少發(fā)7000多萬(wàn)千瓦時(shí)的電。不過(guò)拜技術(shù)進(jìn)步和管理規(guī)劃水平提高所賜，20多年來(lái)核電站停堆換料造成的核電站“停擺”時(shí)間大體上越來(lái)越短。美國(guó)國(guó)家核能研究所（NEI）的資料顯示，在上世紀(jì)90年代初，全美核電站停堆換料平均時(shí)長(zhǎng)超過(guò)了100天;而到了2014年，這個(gè)用時(shí)縮至37天左右，這種變化對(duì)于提高核電站運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益是十分有利的。

對(duì)于核電占國(guó)家能源供應(yīng)比例較大的國(guó)家來(lái)說(shuō)，停堆換料的時(shí)機(jī)選擇很重要。據(jù)美國(guó)媒體介紹，美國(guó)的核電站通常是在春秋兩季進(jìn)行停堆換料。這是因?yàn)檫@兩個(gè)季節(jié)電力需求較小，核電站停擺造成的電力缺口更容易被其他電力來(lái)源填補(bǔ)。相比之下，空調(diào)使用大增的夏季和取暖用電增加的冬季，并不是停堆換料的好時(shí)機(jī)。

由于反應(yīng)堆停擺打開(kāi)一次不容易，停堆換料通常與核電站設(shè)備大修工作合并進(jìn)行，這期間核電站最為緊張忙碌，數(shù)千項(xiàng)乃至上萬(wàn)項(xiàng)工作必須有條不紊地同步開(kāi)展。就拿海南昌江核電廠2號(hào)機(jī)組停堆換料這一個(gè)多月里，大修工作共計(jì)實(shí)施了7679項(xiàng)，其中包括預(yù)防性維修4242項(xiàng)，技術(shù)改造44項(xiàng)，定期試驗(yàn)684項(xiàng)，糾正性維修及其他2709項(xiàng)。如此大的工程量在爭(zhēng)分奪秒的停堆換料期間完成，顯示出了我國(guó)核電人過(guò)硬的專業(yè)素質(zhì)。

換料多在水下進(jìn)行

在我國(guó)，核電站停堆換料工作必須嚴(yán)格遵守國(guó)家核安全局頒發(fā)的《核電廠運(yùn)行安全規(guī)定》及其附件《核電廠換料、修改和事故停堆管理》等規(guī)章制度。由于涉及核燃料元件，為確保核燃料的安全可靠，杜絕放射性物質(zhì)外泄，裝卸核燃料過(guò)程中絕不允許出現(xiàn)任何紕漏。筆者綜合各方面材料，簡(jiǎn)要描述一下反應(yīng)堆更換核燃料過(guò)程。

首先，核電站方面要先花上幾天時(shí)間減緩和終止反應(yīng)堆的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，這個(gè)過(guò)程絕不是按下一個(gè)按鈕就能解決的。因?yàn)橥６押笥鄿厣写妫鋮s系統(tǒng)還要持續(xù)對(duì)反應(yīng)堆進(jìn)行冷卻。接下來(lái)的換料工作可以稱之為“水下作業(yè)”，因?yàn)榇蟛糠止ぷ鞫家诤穗娬镜乃乩镞M(jìn)行。

裝在密閉容器里的核燃料在嚴(yán)密保護(hù)下一路運(yùn)到核電站，核電站工作人員接料后將其運(yùn)到燃料廠房。核燃料容器在燃料廠房開(kāi)箱，燃料棒取出后被放到乏燃料池里，接著運(yùn)到同廠房的燃料運(yùn)輸池里，水池充滿高濃度的含硼水提供次臨界度以及中子屏蔽。在燃料運(yùn)輸池的底部有一個(gè)通道直通反應(yīng)堆廠房的構(gòu)件池，傳輸小車把燃料棒從燃料運(yùn)輸池轉(zhuǎn)移到反應(yīng)堆廠房的構(gòu)件池，由裝料機(jī)的機(jī)械臂將燃料棒從構(gòu)件池取出裝入換料腔下面的反應(yīng)堆里。

這里需要強(qiáng)調(diào)的是，通常我們講的換料工作，并不是將反應(yīng)堆堆芯里所有的燃料棒一次性地全部更換，而是一般只更換1/3左右。以位于美國(guó)華盛頓州里奇蘭德的哥倫比亞核電站為例，764根燃料棒通常一次換料248根，堆芯燃料組件實(shí)現(xiàn)全部更換需要6年之久。