乏燃料后處理維修技術特點分析

周琦

（中核龍安有限公司，浙江 臺州 318000）

0 引言

乏燃料后處理是在高放射、高腐蝕、高毒和高溫的嚴苛環境中進行的，對工藝水平、材料特性、密封包容、設備可靠性、人工干預程度及工廠運維能力要求極高。我國在后處理工藝研究、生產運行及分析檢測等方面探索建立了一系列方法并初步形成了技術體系[1]，但相應維修技術與行業發展和國際先進水平之間仍存在較大的差距。隨著技術能力積累和管理觀念轉變，國內后處理運營單位在注重生產效率和安全目標的同時，也在不斷提升對維修技術突破的關注。

1 后處理維修技術

后處理維修是指在后處理設備狀態劣化或發生故障后為恢復其要求的性能和功能而開展的技術活動，通常可分為預防性維修和糾正性維修。在使設備保持安全性和可用性工作狀態的同時，應盡可能地減小運行的中斷時間、減少維修人員受到的輻射劑量并避免放射性物質的擴散。基于乏燃料后處理工況環境具有放射性強、化學毒性高、潛在臨界風險等基本特性，按照設備分區和工作劑量，后處理維修技術在操作上大致可分為直接維修、遠距離維修、間接維修等3種基本形式。

1.1 直接維修

直接維修是指當設備被接觸部位和周圍環境的輻照水平在低位可接受范圍時，工作人員進入設備區域與被維修部件通過直接接觸方式進行的維修活動。直接維修前必須撤除或屏蔽放射源，實施必要的清洗去污和放射性控制，將輻射劑量和污染水平降低到可接受限值。在維修過程中嚴格限制人員進入時間，就地設置臨時過渡措施形成屏蔽和包容屏障，保證人員在污染區和非污染區之間的出入安全。熱室內進行的此類維修通常屬于計劃外維修, 人員可能會遭受限值內不可避免的職業性照射。

1.2 遠距離維修

遠距離維修是指工作人員在工作站通過窺視窗或攝像機，利用遙控吊車、機械手、機器人和專用工具等遠距離操縱手段，對安置在輻照或污染水平過高，不允許直接進入的高放熱室內模塊化機械設備的失效部件進行拆除和更換的非接觸性維修操作。

對于低放熱室內維修預期不高、壽命低于工廠壽期的化工設備、管道、閥門和儀表等，在開展異常維修時，經初步清洗去污后，利用自動切割機、焊接機和其他遠距離操縱手段，遙控拆下被維修部件，再由人員進入設備區域安裝新部件，這種維修方式稱為半遠距離維修。

1.3 間接維修

間接維修是指在可達區采用具有包容和屏蔽能力的維修容器，在僅臨時改變而不破壞封閉屏障的情況下，對位于強放射性區域內模塊化設備的易損內芯體進行抽取-更換的非直接接觸維修操作。維修容器作為間接維修的主要技術載體與物質基礎，實現了連續包容和完整屏蔽狀態下對標準化設備放射性沾污內芯體的快速拆除、跨區轉運和安全更換。

2 法國后處理維修策略

工業規模的乏燃料后處理已有80多年的發展，全球有17個國家從事后處理并建設了包括中間裝置和試驗裝置在內的32個后處理設施。法國采取核燃料閉式循環技術路線，是世界上輕水堆乏燃料后處理規模大、工藝成熟、技術先進的國家之一[2]。本節以法國后處理維修技術為研究對象，梳理分析其后處理維修的深度經驗和技術特點。

2.1 法國后處理維修技術發展

法國的后處理技術發展可分為3個階段：第一階段以UP1為代表，主要目的是提取武器級钚；第二階段以UP2和UP2-400為代表，奠定了該國工業規模后處理的基礎；第三階段以UP3和UP2-800為代表，后處理技術進一步改進提升，鈾钚分離系數達到99.88%，廢物產生量大幅減少，實現了大規模商業化運行[3]。法國3個階段后處理維修技術的發展情況如表1所示。

表1 法國各階段后處理維修技術概況

由表1可知，隨著工廠創新和經驗積累，法國后處理維修技術不斷迭代發展，工作人員所受職業照射劑量也隨之大幅降低。UP1除機械首端和化學分析之外的其它放射性操作均集中在主工藝廠房，工藝設備分散布置在各個小設備室，著重于選擇適當的機械或化學去污手段清潔熱室及相關設備后直接接觸維修。UP2不同車間選用維修方式不同，中放車間采用直接維修、高放車間采用遠距離維修和操作，導致中放車間人員受照劑量顯著高于高放車間。UP3大部分機械設備采用遠距離維修，化工設備直接或免維修，內芯可拆換標準設備利用維修容器間接維修。

2.2 法國后處理維修技術特點分析

UP3作為法國第三代后處理技術的代表，在設計、建造、調試、運行的各個環節進行了大量的開發與驗證工作，數十年穩定運行記錄充分證明了相關技術的可靠性與安全性。在維修技術方面，該廠在總結以往運行經驗的基礎上采取全新維修理念，在設計上進行了重大改進，主要有以下特點：

1）采用“最小維修”策略，即在設備壽期內維修需求和維修作業最小，僅開展使用保障及最少化的計劃內維修，無需進行非計劃維修活動。這需要對相關工藝設備和流程進行改造與簡化，以高置信度保證設備能夠在一個完整的生產周期內穩定可靠使用，例如盡量少用動力泵而改用空氣提升和蒸汽噴射等方式輸送料液、取消與放射性介質直接接觸的桿式儀表、一次儀表改用吹氣液位計和密度計等，避免了設施在生產期間發生故障。

2）在正常生產周期內可能需要維修的機械設備，如機械首端的剪切機、化學首端的溶解器、玻璃固化工藝的煅燒爐等，布置在適用遠距離操作的工藝熱室，設置專門的維修吊車和主從機械手等遠距離維修措施，相關動力部件安裝在與熱室毗鄰的工作間內。

3）間接維修技術是對直接維修與遠距離維修兩大后處理維修技術的補充和發展，創造性的開發與運用對于保障設備的可用率和安全性、提高工廠的維修效率和綜合效益起到了決定性的關鍵作用。間接維修容器提供完整的生物屏蔽和有效措施防止污染擴散，充分保證了人員和環境免于過量電離輻射的損害。

3 中國后處理維修概況

過去一個時期內，我國后處理工業發展速度較慢，后處理技術水平不強，基礎研究和技術儲備不足。近年來，國內研究機構和運營單位不斷投入力量加大科研攻關力度，在后處理工藝、設備和維修等能力建設方面取得了顯著進步，持續推動我國乏燃料后處理技術的創新和應用。

3.1 中國后處理維修技術現狀

國內自20世紀50年代開始相關基礎研究，在20世紀70年代開展了動力堆乏燃料后處理技術探索，并于1986年著手進行后處理中試廠的立項工作[4]。本世紀以來，啟動了乏燃料后處理科研專項和商業大廠推進工作，中試廠和首座玻璃固化工程相繼成功完成熱調試，標志著我國實現了乏燃料后處理工藝技術和能力的突破[5]。

中試廠是國內重要的集后處理工藝技術研究與工程應用驗證于一體的綜合性示范設施，采用Purex流程，處理對象為燃耗33 GW·d/tU的動力堆乏燃料，設計年處理能力為50 t級。圍繞該廠的工藝特點和維修需求，國內后處理科研機構深入開展了技術理論和工程應用研究，攻克了立式送料剪切機、間歇式溶解器、倒杯式沉降離心機、折流板脈沖萃取柱等一批關鍵主工藝設備的設計制造和維修技術。依托核燃料后處理放化實驗設施（CRARL）研制了新的系列裝備，填補國內空白、形成行業標準，在國際上首次采用臺架式熱室系統實現對強放設備的及時檢維修，解決了熱室內設備直接檢維修和人員進出熱室易造成大面積污染等難題[6]。

綜合來看，國內后處理廠維修策略采用的是以直接維修為主、半遠距離維修為輔的初級混合維修。對于未經放射性沾污的清潔設備，采用與一般化工廠相同的常規方法和工具進行維修；放射化工設備和放射性流體輸送裝置盡可能采用免維修設計，壓力、液位和密度等測量選用結構簡單的一次儀表，避免在生產周期內開展維修活動；輻射環境下有維修需求的設備、管道、閥門和儀表等，在經清洗去污后半遠距離或人員直接進入設備間和維修大廳接觸維修；對于可拆換的濾芯、閥芯、泵芯等標準模塊部件，利用袋封、雙蓋容器或人工直接抽取到與設備間相鄰的維修間，設置臨時塑料帳篷或裸防護直接接觸維修和更換。

3.2 中國后處理維修技術分析

國內后處理維修在基礎研究、設計思想、技術體系和關注程度等方面與國際先進水平之間仍有一定差距，特別是在能有效提高維修效率、降低人員受照劑量的遠距離維修和間接維修技術方面較為薄弱。直接維修技術在某些方面存在短板，主要表現為工程設計缺乏系統性和全局性考慮，維修前需進行長時間清洗去污，導致停工時間過長，增加了放射性廢物的產生量。

后處理維修活動高度復雜、專業且具有潛在危險性，受工藝和核因素的影響與限制，開展該項工作需嚴格遵守安全規定、限制作業時間并采取必要的防護措施，保證人員受到的職業照射符合強制規定且合理可行、盡量低（ALARA）。受限于早期設計與建造時的技術水平和基礎能力，國內老的運營單位主要采用直接維修和半遠距離維修兩種后處理維修技術，使得工廠的安全性和經濟性無法達到理想水平。在安全方面，工作人員所受集體劑量較高，工藝和設備的本質安全性無法得到有效保證；在經濟方面，維修工作效率和工廠開工率不高，增加了物力和人力資源投入，難以達到工廠的經濟運行要求。

4 中法后處理維修技術對比

中法乏燃料后處理工廠的運行經驗表明，放射性沾污設備的檢修是工廠歇產時間長短與工作人員受照劑量大小的主要原因，也是影響項目投資、工程進度和技術可靠性的重要因素。

法國在設備設計制造、工藝廠房布置、維修策略及工器具開發等方面形成了系統化的成熟方案，可用性、可靠性和安全性得以充分驗證，適應深燃耗、強活度、高復雜裂變產物的動力堆乏燃料商業后處理大廠需要，對外照射以及α和γ污染的控制要明顯優于國內，后處理維修技術先進。

隨著中間示范項目的建設和調試，我國在后處理維修技術上取得了很大進步，但相比于國際先進水平還存在一定的差距和滯后，這主要體現在間接維修技術及維修容器的選擇和應用上。中間示范廠總結吸收中試廠的運行和維修經驗，采取了與UP3相仿的維修設計思路和理念，但該維修設計能否保證新工廠的安全高效運行還待進一步檢驗。

5 結論

在國內商用后處理大廠穩定推進的大背景下，本文通過對后處理維修技術的梳理總結，對比分析中法后處理工廠維修策略和技術差距，辨識出國內后處理維修領域存在的不足和薄弱環節。從保證維修效率、提升開工率、促進經濟性并降低工作人員所受劑量的角度出發，得出以下結論和建議，供商用大廠維修設計和相關設備研制參考。

1）采用單一維修手段無法滿足工業規模后處理工廠的運維需要，應充分結合直接或免維修、遠距離維修、間接維修各自技術特點，采用多種維修方式結合并用的深度混合維修策略。

2）對于不同類型工藝設備采用針對性的維修方式，機械動設備遠距離維修、焊接靜設備直接或免維修、可拆換內芯設備采用具有γ屏蔽和α密封能力的專門維修容器間接維修。

3）根據工藝功能和放射性水平布置設備和管道，少量在生產周期內必須維修的設備安裝在具有獨立隔離的小熱室內，并設置移動噴洗去污裝置、檢修臺架和機械手等利于快速維修的措施。

4）維修設計既要考慮操作的適宜性，又要滿足輻射防護的基本安全要求，設備結構和廠房布置需具備與維修技術相適的設計，運用系統思維，在設計制造階段就必須為后期維修做好規劃。

5）以維修容器應用為代表的間接維修技術是國內后處理維修運維領域的最大弱項，開展先進間接維修容器研制以及工程應用研究十分必要和迫切。