核電廠壓力容器退役方法研究

卞向南， 黃祥明， 張潁， 于瀟

（上海核工程研究設計院有限公司，上海200233）

0 引言

20世紀發現核裂變后，核能技術飛速發展。特別是核能發電技術得到了廣泛應用。一些發達國家的核能發電量占總發電量的50%以上。隨著部分核電廠運行壽命到期，陸續退役，國外已有核設施的退役經驗。我國核能發電起步較晚，所有商業性核電廠尚處于快速建設或平穩運行期，但是需要對其進行退役工作的前瞻性研究，做好退役技術儲備，以盡可能提高核電廠退役活動的安全性、經濟性。作為反應堆的主設備，壓力容器的退役是退役活動的研究重點和關鍵點。本文以三代非能動核電堆型“國和一號”的反應堆壓力容器為例，對其退役方案進行研究和探討。

1 壓力容器概況

反應堆壓力容器是包裹燃料組件和一回路的封閉容器，用于安放反應堆堆芯、堆內構件等，以及密封高溫、高壓的一回路冷卻劑。由于長期接觸燃料組件等放射性物質，長時間在強輻射環境下運行，其內部易活化元素經過活化，具有強烈的放射性，對工具設備的選擇、操作人員的屏蔽防護提出了較高的要求。

“國和一號”反應堆壓力容器（以下簡稱“壓力容器”）外形如圖1所示。其外徑約為4.9 m，總高度約為12.6 m?？傎|量接近440 t，體型巨大。

2 退役策略

現有的拆除、分割技術眾多，核設施退役拆解的退役方案的選擇應遵循以下因素：1）安全性；2）經濟性；3）可實現性[1]。可在保證安全的前提下，選用較為經濟且高效的技術進行高輻射劑量設備的拆解工作，盡可能減少放射性的二次交叉污染，降低放射性廢物的量。

壓力容器體型大，質量重，普通的樓板無法承受其自重荷載，難以通過核島廠房內的運輸路徑進行運輸。核電廠修建之時，壓力容器等大型主設備利用反應堆廠房未封頂的時機，從外部經廠房上部空間直接吊入并固定安裝。退役時因須密封環境以防止污染物擴散，不考慮在廠房內所有設備退役完成前拆解廠房頂蓋，故排除壓力容器整體吊裝外移進行貯存的方案，利用廠房內部空間對壓力容器進行解體，將小型的切割碎塊進行屏蔽處理并轉運為較優方式。

對壓力容器進行切割解體時，無論采取冷切割或熱切割均會產生含有放射性物質的顆?；驓馊苣z。利用反應堆廠房內的換料水池對壓力容器進行水下切割，既縮短了壓力容器的轉運路程，又可以利用水的屏蔽特性以屏蔽放射性物質對工作人員的高劑量輻射，同時避免了放射性氣溶膠的外逸等，為較佳的可行切割方案。

圖1 “國和一號”壓力容器示意圖

3 解體技術

可用于金屬材料水下切割的冷切割技術有動力沖剪、機械鋸切割、研磨切割等；熱切割技術有等離子弧切割、電弧鋸切割、電火花切割、激光切割等。國外退役的核電廠常用的切割技術有機械切割、等離子切割、高壓射流切割等。例如Shoreham電站采用機械切割與等離子切割混合切割技術進行壓力容器退役[2]；Maine yankee電站則采用的是高壓射流切割解體方案。圖2為國外核電廠對壓力容器自外而內進行退役切割的工作場景。

如圖3所示，法國的PROTEM公司針對某一快中子堆開發了一款深入容器內部自內而外的切割裝置，為退役切割提供了另一種切割途徑思路。

圖2 機械切割與高壓射流切割的應用

圖3 PROTEM公司切割產品方案

不同的切割方式有迥異的優缺點（例如切割速度、二次廢物產生量、人員劑量水平等），應根據具體的應用需求進行合理的選擇，以達到各方面的平衡。與廢物處理和人員防護成本相比，工具的投資成本微乎其微，成本不應成為選擇工具的主要考慮因素。工具保養、維護和去污的難易程度才是選擇切割工具與方法的重要因素。

4 工藝方案

“國和一號” 反應堆壓力容器布置在反應堆廠房中心，整個壓力容器位于換料水池中。退役作業開始前，先對廠房內的區域進行清理、整備。如圖4所示，將操作區域劃分為干式操作區、濕式操作區和控制區。以換料水池為濕式操作區，用于壓力容器水下切割解體；切割低放和放置設備、工具更換、維護為主的區域為干式操作區。控制區為整個放射性環境中嚴格監控和進行人員進出管控的區域。工作人員對切割過程的監控和切割設備的遠程控制均在控制區進行?？刂茀^邊界處設置屏蔽擋板以屏蔽和降低輻射對人體和電子設備的影響。退役現場的通風流向應從控制區流至操作區，防止空氣的交叉污染。

壓力容器頂蓋體積相對較小，且為低放廢物，可將頂蓋移至干式操作區進行切割。干式切割為工作站形式，工作站由屏蔽墻分為前切割和后切割兩個區域，可通過輸送裝置相連，配置低壓控制系統。前切割進行環向切割，然后運輸至后切割區域進行垂直向切割，最終分解為小塊零件。分解過程可采用鋸切等機械切割形式以減少氣溶膠（另配置相關的空濾系統）的產生，切割完畢后直接包裝放進貯存箱。

壓力容器位于反應堆堆腔內，下部懸空，由4個進口管嘴下的分別獨立的箱體結構對其進行支承。4個支承沿著屏蔽墻按90°均布。移除壓力容器時，利用廠房頂部的環形吊車通過繩具承載設備質量，方可切割各個連接管嘴。如圖5所示，待管嘴切割后將壓力容器從堆腔吊至布置在換料水池內的壓力容器支座上。

壓力容器就位并安裝切割設備后，提升換料水池內的水面高度，將壓力容器淹沒，對其進行水下切割，如圖6所示。

圖4 反應堆廠房操作區域劃分

圖5 壓力容器吊運位置示意

圖6 壓力容器就位及切割示意

如圖7所示，壓力容器的切割路徑遵循分層分段的原則，將壓力容器本體分為13層，每層均勻分段，從上往下逐步切割。壓力容器支座亦采用分段設計，當壓力容器切割至一定高度時，利用遠程工具對支座相應的分段進行拆卸，直至壓力容器的低封頭切割完畢。

壓力容器支座側方放置有方便排水的網式吊籃，切割后產生的切割塊放置在吊籃中，依靠水池對其進行屏蔽暫存，如圖8所示。待壓力容器切割完畢后，將水底的吊籃移出水面，放入屏蔽貯存箱中，最終轉運至放射性廢物處置場。

圖7 壓力容器切割路徑

圖8 切割塊裝載模型

5 結語

核電廠的退役是一個系統性工程[3]，高放射性的反應堆主設備的退役工作是整個過程中的重中之重。且退役工程的工作量大、技術要求高、時間跨度長，國外部分核電廠的退役過程可持續10 a以上。我國尚無退役經驗，應對各個不同堆型退役進行未雨綢繆的針對性規劃，積極儲備退役相關技術，提前開建放射性廢物貯存場，為后續的核電廠退役工作打下堅實的基礎。同時對退役技術的研究亦可反哺新堆型的設計工作，為其提供一定的參考。

本文就“國和一號”系列堆型的壓力容器的退役工作進行了探討，對拆解技術和工藝流程進行了初步的梳理和設定。同時通過對國外壓力容器等主設備的退役過程研究，可為我國核電廠日后的退役技術研發提供較有價值的借鑒。相關技術也可以推廣到其他的堆型。