乏燃料干式储存技术早在上世纪80年代投入应用,至今已有30多年的应用历史,在技术上取得了很大的进步。纵观目前各国应用的乏燃料干式储存设备,主要可归纳分为金属容器式(包含储存式与储存-运输双功能式)和混凝土容器/模块式两大类，如图1所示。虽然金属容器和混凝土容器的设计、结构配置与特性不大相同,但作为乏燃料的中间储存设备,都需要满足下列要求:
(1)良好的辐射屏蔽,使环境辐射剂量低于规定限值。
(2)足够的结构强度,经受可能的天然及人为意外事件情况下均能确保结构的完整性和安全性并迅速恢复正常运转。
(3)良好的散热冷却,并确保整体机构的温度低于限值。
因此,乏燃料干式储存设备的生产商必须基于上述要求,结合具体的乏燃料参数及核电厂特性,有针对性的开发出不同型式的产品,并且需要通过环境安全、社会舆论与经济等各项评估。
1、金属容器
金属具有良好的导热性,能将乏燃料的衰变热直接由热传导散出。另外由于金属比混凝土的密度大,在相同的屏蔽效果上,金属容器的截面积与重量比混凝土的要低。因此金属容器除作为储存设备使用外,也常设计成多用途的容器,满足储存和远途运输的需要。
国际上金属容器式干式储存设备的供应商主要有GNS、Holtec、NAC、Transnuclear等公司。下面选几个有代表性的产品进行简单介绍:
(1)GNS公司的产品:GNS公司的CASTOR系列金属容器,针对不同的燃料及需求有许多不同的改良类型。CASTOR-440/84在容器的顶部、底部与周围都有一层中子吸收材料,并利用金属的包覆达到辐射屏蔽与结构安全的目的,燃料的热量则直接通过容器最外围的金属散热片导出。BAM曾对CASTOR容器进行一系列的跌落试验与分析,其中包含最严格的19.5m跌落试验,都能满足高标准的安全要求。
(2)Holtec公司的产品:Holtec公司的金属容器主要包括Hi-star100。Hi-star100容器具有储存及运输双功能。储存时垂直放置,运输时搭配减震器水平放置运输。容器结构主要分为三层,最内层为钢内衬,与燃料密封钢筒相邻,中间层为厚层钢板,用于屏蔽Gamma射线,最外层则用钢板薄壳包覆中子吸收材料。由于整体材质都是良好的导热材料,可以直接使用热传导的方式将燃料热量排走。
(3)NAC公司的产品:NAC公司的STC和S/T容器也具有储存及运输功能。STC与S/T两者之间的差别在于有无搭配密封钢筒。STC须搭配密封钢筒,燃料先装载到密封钢筒后,再置入储存容器中。S/T系列则没有密封钢筒,需将容器整体吊入装罐池进行装载。目前大亚湾核电站使用的乏燃料运输容器就是NAC-STC型容量。S/T系列则主要应用于乏燃料的中间储存。
(4)Transnuclear公司的产品:Transnuclear公司的TN系列金属容器,其顶盖使用螺栓式固定,此方式不需焊接,施工较简便,并具有较佳的耐候性。搭配减震器后,可用于运输。其侧面壁体配置有垂直方向的散热片,但此容器的中子屏蔽最外层再加一圈钢板包覆,使其整体外观为较规整,利于燃料装罐后去污工作。
2、混凝土容器
因混凝土是良好的辐射屏蔽材料,因此常被用作核废料储存结构。加上成本低、原料容易取得、制造技术及设备需求较简单等,受到普遍青睐。
目前国际上常见有GNS、Holtec、Transnuclear与NAC等厂家所生产的混凝土和混凝土模块干式储存容器,已广泛地为世界各国核电厂所使用。以下按不同公司生产的产品进行介绍:
(1)GNS公司的产品:CONSTOR系列混凝土容器属于钢板包覆式混凝土容器。是以重混凝土作为屏蔽和中子吸收材料。该容器为密封式的储存容器,因其使用重混凝土,能以较小的厚度达到相同的屏蔽效果,同时获得较佳的导热性,再搭配补强钢筋,可进一步提升容器强度及导热性。此外,由于重混凝土的使用使重量较轻,提高了可运输性也是CONSTOR系列容器的一个特色。但是重混凝土原料较难获得且成本较高,所以多数混凝土容器仍以普通混凝土作为主要材料,所以必须搭配对流散热机制才能达到良好的热量导出。
(2)NAC公司的产品:NAC公司产品有UMS、MPC与MAGNASTOR三种混凝土干式储存容器,都是被动通气式混凝土容器。其中MPC与UMS是同一系列产品,其容器设计大致相同。NAC公司为我国台湾乏燃料干式储存设备的技转厂家,台湾金山核电厂采用的是经改良的INER-HPS干式储存系统,便是自NAC的UMS系统进行局部修改而成。为再增加屏蔽效果及安全性,台湾采用的INER-HPS系统在容器外围又设置了一层厚350mm的混凝土屏蔽层。NAC公司考虑未来乏燃料储存将朝高容量与高燃耗的方向发展,储存设备需有更好的散热效果,于是改良研发出MAGNASTOR系统。除容量增加外,MAGNASTOR在设计上向改善容器外的辐射剂量及提升其散热功能方面着手。其进气口的设计较扁平,可减少进气口处的辐射剂量,容器内壁的钢内衬表面,鳍还设计许多垂直方向的状结构,以提高热对流效率。
(3)Holtec公司的产品:Hi-Storm 100混凝土容器,包含了钢板包覆式混凝土容器与通气式混凝土容器的设计,并结合上述二者的优点。钢板层内包覆普通钢筋混凝土,因采用钢板包覆式的结构设计,能避免内部混凝土遭受外界环境侵蚀,有较好的耐久性;又可提高储存容器的强度及耐震性。此外,外层钢板进行光滑处理及保护涂层,有利于除污工作。Hi-Storm100混凝土容器的进气口设计,利用底部曲折的混凝土间隙结构,作为热对流时的进气口,以避免辐射直接外溢。下方底座屏蔽与内壁体间,有环状间隙能让空气自进气口进入后流经底座屏蔽周围、容器内壁与密封钢筒的间隙,至排气口排出。
