核電乏燃料水池泄漏維修技術(shù)發(fā)展研究

楊 濤，李青華，簡(jiǎn)海林，孫 湞

（國(guó)核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司，上海 200233）

0 引言

乏燃料水池是核電站用于暫存乏燃料的主要設(shè)施，是以不銹鋼材料為主的大型金屬結(jié)構(gòu)，其制造和安裝過(guò)程大量采用焊接技術(shù)。這些焊縫在核電站整個(gè)運(yùn)行周期中始終處于帶水和高輻射環(huán)境中，容易發(fā)生局部腐蝕、損傷和破壞，是核電站特種維修領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。

由于乏燃料水池處于高放射性區(qū)域，高輻射會(huì)對(duì)人體造成很大傷害，不利于維修人員直接接近待修部位，在這種條件下進(jìn)行維修，需利用水對(duì)中子和γ 射線(xiàn)的吸收來(lái)顯著降低現(xiàn)場(chǎng)輻射強(qiáng)度。早期設(shè)計(jì)的核電站乏燃料水池與堆內(nèi)構(gòu)件檢查井等設(shè)施相通，以便在前者出現(xiàn)泄漏時(shí)，將乏燃料暫存于后者，以減少維修過(guò)程中人員和設(shè)備所承受的輻射劑量。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的維修作業(yè)主要采用移除乏燃料、排空水池，人員直接進(jìn)入水池內(nèi)進(jìn)行修復(fù)。使用該技術(shù)維修準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)，人員輻照風(fēng)險(xiǎn)極大。以秦山一廠(chǎng)為例，秦山一期核電廠(chǎng)乏燃料水池進(jìn)行過(guò)焊接修復(fù)，但因其設(shè)置有兩個(gè)乏燃料水池，在進(jìn)行泄漏維修時(shí)，可以將需要維修的水池騰空后，操作人員直接進(jìn)入乏燃料水池內(nèi)進(jìn)行修復(fù)。然而，包括AP/CAP 和大多數(shù)二代加系列機(jī)組的乏燃料水池并不相通，如果出現(xiàn)泄漏，無(wú)法進(jìn)行上述操作，這給維修工作帶來(lái)極大的危險(xiǎn)性。

1 乏燃料水池簡(jiǎn)介

核電乏燃料水池，是一種以不銹鋼作為鋼覆面的大型水池，其采用不銹鋼材料，耐腐蝕性能和耐疲勞性能都良好，因水池面積巨大，鋼覆板通過(guò)一塊一塊的方板，焊接搭接而成，焊縫搭接如圖1 所示。

圖1 焊縫搭接示意

早期的核電堆型，如M310，VVER 等，采用的是316L 不銹鋼，不銹鋼厚度為5 mm，該種不銹鋼，在運(yùn)行一定周期后，發(fā)現(xiàn)水池焊縫出現(xiàn)不同程度的泄漏情況。因此，在新建的核電堆型，已開(kāi)始使用新的不銹鋼材料，如AP1000 核電機(jī)組采用的則是S32101 雙相不銹鋼，同時(shí)，為了避免水池泄漏，不銹鋼板厚度增加到了12.7 mm。但因剛覆面是焊接而成，受焊縫質(zhì)量、服役環(huán)境、服役周期的影響，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，依然出現(xiàn)了泄漏。

2 國(guó)內(nèi)外泄漏現(xiàn)狀

因乏燃料水池的焊縫，在核電站整個(gè)運(yùn)行周期中，始終處于帶水和高輻射的環(huán)境中，容易發(fā)生局部腐蝕、損壞，腐蝕損壞的焊縫如圖2 所示。

圖2 腐蝕損壞的焊縫

近年來(lái)，越來(lái)越多的乏燃料水池或類(lèi)乏燃料水池的剛結(jié)構(gòu)水池發(fā)生了泄漏，國(guó)內(nèi)外核電機(jī)組泄漏案例見(jiàn)表1。

表1 國(guó)內(nèi)外核電機(jī)組泄漏案例

尤其巴基斯坦核電，因乏燃料水池泄漏嚴(yán)重，且無(wú)有效的技術(shù)方案解決，給運(yùn)行帶來(lái)相當(dāng)?shù)陌踩[患。

3 國(guó)內(nèi)外公司研究現(xiàn)狀

針對(duì)乏燃料水池底板的維修，國(guó)內(nèi)外公司都展開(kāi)大量的技術(shù)研究，主要研究工作都圍繞焊接穩(wěn)定性較高的氬弧焊和激光焊接所展開(kāi)[5]。其中，日本日立和石川化成重工業(yè)公司，開(kāi)發(fā)乏燃料水池水下遠(yuǎn)程控制維修專(zhuān)機(jī)，其核心技術(shù)是在乏燃料水池池邊安裝大型橫梁，以搭載維修專(zhuān)機(jī)系統(tǒng)，但存在體積過(guò)大，可實(shí)施性較差等問(wèn)題。西屋電氣公司旗下的PCI 公司，則對(duì)激光焊接技術(shù)展開(kāi)深入的研究，采用小型專(zhuān)機(jī)局部排空水域的方法，對(duì)乏燃料水池底板進(jìn)行激光焊接修復(fù)，但焊接效果不甚理想。歐洲的相關(guān)研究機(jī)構(gòu)則采用不同思路，他們采用熱塑性聚合物對(duì)漏點(diǎn)進(jìn)行水下加熱封堵，該方案容易給乏燃料水池帶來(lái)異物，同時(shí)熱塑性聚合物在輻射的水環(huán)境下，使用壽命也存在考驗(yàn)。

國(guó)內(nèi)方面，在乏燃料水池泄漏方面也展開(kāi)研究。其中，國(guó)核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)的水下固定氣罩覆板氬弧焊接維修系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水池底板的水下補(bǔ)板焊接修復(fù)；上海核工程研究設(shè)計(jì)院則研發(fā)水下激光焊接技術(shù)，采用移動(dòng)氣罩排水的方式，排空水域進(jìn)行水下焊接。

4 未來(lái)維修技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

因燃料水池高輻射環(huán)境的特殊性，其內(nèi)部還安裝有存放乏燃料組件的格架，當(dāng)出現(xiàn)缺陷需要修復(fù)時(shí)，一方面會(huì)面臨高輻射人員難以達(dá)到的情況，另一方面水難以排空，且隨著服役周期的增加，燃料棒組件[6]的挪移也越來(lái)越困難。因此，國(guó)內(nèi)外對(duì)乏燃料水池維修的研究，尤其是焊接修復(fù)專(zhuān)機(jī)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，越來(lái)越向小型化、遠(yuǎn)程化、自動(dòng)化方向發(fā)展。

其未來(lái)的技術(shù)研究主要會(huì)集中在以下4 個(gè)方面：

（1）缺陷的精確定位及測(cè)量。

（2）缺陷施焊區(qū)域的表面處理及碎屑收集。

（3）水下干式環(huán)境建立的設(shè)備開(kāi)發(fā)。

（4）小型遠(yuǎn)程控制焊接維修專(zhuān)機(jī)的開(kāi)發(fā)。

其作業(yè)流程如圖3 所示。

圖3 乏燃料水池焊接修復(fù)流程

5 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)核電產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，不斷有新機(jī)組投入建設(shè)和運(yùn)行，乏燃料水池的安全運(yùn)行是電站安全運(yùn)行的保障。越來(lái)越多的乏燃料水池，面臨著缺陷修復(fù)的需求，因此，乏燃料水池水下焊接維修技術(shù)的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用，一方面能促進(jìn)國(guó)內(nèi)核電維修技術(shù)的發(fā)展，另一方面可以提高核電的安全運(yùn)行。