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摘要：随着在运核电机组的增多和日益趋于饱和的乏燃料水池，乏燃料干式贮存日益受到核电行业人士的关注。干式贮存容器的本地化制造也在国内陆续展开。文章就乏燃料干法贮存容器的制造难点及推荐的解决方案进行了阐述。
关键词：乏燃料；后处理；干式贮存；容器制造；关键技术
1、背景及简介
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截止到2020年4月底，我国现在有47个核电机组在运行，15个核电机组在建。总装机容量为48759.16MWe，我国每年产生的乏燃料约1200多吨。随着核电站内的乏燃料水池和后处理厂新建的中间贮存水池相继满容，乏燃料组件的离堆需求也越来越强烈。近几年，核电行业对乏燃料组件的中间贮存问题尤为关注，主要是因为中国核电站发展迅速，而乏燃料后处理板块因技术问题一直限制着发展速度，我国在对比国际常用的几种贮存方式后，最终确定采用国际上较为广泛使用的干式贮存技术。其优点在于：技术可靠、环境安全、二次废物少、总费用低、建造周期短、操作简单、便于管理。
在干式贮存技术被广泛推广的同时，干式贮存装备制造成为国内核设备制造厂的研发重点。本文主要以法国ORANO TN公司设计的NUHOMS-32PTH1干式贮存容器为例，介绍乏燃料干式贮存容器的制造难点及建议。
乏燃料干式贮存容器主要由筒体组件、吊篮组件、顶部盖板（分顶部屏蔽体、顶部内、外盖），虹吸排气装置组成，筒体组件和顶部盖板形成包容边界，筒体组件内的底部屏蔽体和顶部盖板中的顶部屏蔽体实现上下两个方向的γ射线屏蔽功能。虹吸排气装置主要用于干式贮存容器装料后容器内硼水排出以及真空干燥通道。吊篮组件主要用于存放乏燃料组件，利用中子吸收板，保持乏燃料的次临界，通过铝板及导轨将乏燃料组件的余热导出，吊篮组件外侧的铝制导轨不仅起到导热作用还起到对吊篮的支撑及减震保护作用。
2、关键问题
乏燃料干式贮存容器的制造需注意以下几个关键点：
2.1、筒体与吊篮整体装配间隙较小，筒体需要较高的圆柱度。
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图 1 干式贮存容器筒体尺寸简图
根据设计图纸筒体外径φ1771mm，壁厚12.7mm，长度4715mm，筒体整体的壁厚不得小于12.4mm（含焊缝区域），筒体组件与吊篮组件的组装直径间隙要求控制在4.06~6.35mm之间，单侧间隙仅有2.03~3.17mm。因此对筒体的圆柱度要求较高。
传统的卷筒工艺受钢板板幅限制，一般采用两节筒体环缝拼焊工艺。12.7mm单节筒体卷制后，筒体较软，利用合理的支撑工装筒体不圆度约1~4mm，环缝组对时错变量约0.5~2mm。筒体组焊后，环缝处因焊缝收缩造成的“掐腰”直径缩小约2~4mm；由此看来，采用传统卷筒工艺筒体整体不圆度约6~10mm，筒体内径变化量约2~4mm，焊缝边缘的金属厚度很有可能因错边和打磨造成不合格，无法满足贮存容器的装配要求。
2.2.吊篮方管与吊篮支撑板的大焊点熔焊。
吊篮组件是由32个四方管（5mm厚度不锈钢方管）及162根8mm或13mm厚度的不锈钢吊篮支撑板组成，交叉分布在方管的四周。在吊篮支撑板和方管接触的位置进行熔焊，以固定吊篮自身。该吊篮的焊接设计不同于传统的设计，我们需将4.7mm的四方管钢板完全熔透，并将与它接触的不锈钢吊篮支撑板熔合焊接在一起，并且每组熔焊的焊点横向和纵向的最大拉伸力（Fm）≥200KN（对于每组熔焊焊点的定义可解释为四方管一个面单层熔焊焊点数量为一组，一组焊点数量可由厂家自行决定。考虑熔焊拉伸力的保证、四方管内腔空间、焊机机头尺寸、焊接变形量等多方面因素，推荐采用每组两个熔焊焊点）。
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图 2 吊篮内部熔焊详图
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图 3 吊篮组件熔焊后外观
2.3.吊篮组件的整体组装。
吊篮组件是由13层吊篮板、中子吸收板、吊篮支撑板在32根四方管外侧纵横交叉，上下插接。四方管与吊篮支撑板通过熔焊方式将整体吊篮固定在一起，吊篮组件的组装采用立式组装工艺，关键在于根据四方管外形尺寸，调整吊篮板和中子吸收板上下插口的中心距及插口大小，使吊篮组件组装便利，更重要的是通过多层插接结构完迫使吊篮支撑板与四方管外侧面尽可能紧密贴合，最终以保证熔焊质量。
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图 4 吊篮局部拆解图（不含方管） 图 5 吊篮插接结构图 图 6 吊篮组件简图
3、方案建议
3.1、针对筒体圆柱度问题：综合考虑产品结构形式及使用受力情况，筒体可采用2条纵缝，垂直板材轧制方向进行卷制，由此保证筒体较高的圆柱度。采用优化后的新式工艺，筒体整体不圆度可达到1~4mm，内径变化量约0~1mm，消除了环缝组对的错变量和焊接收缩的“掐腰”，从根本上保证了零件圆柱度和壁厚要求。但需制造厂拥有一台可卷制超宽板幅的不锈钢专用卷板机。
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图7：超宽板幅不锈钢万能专用卷板机
新式工艺，对吊篮组件与筒体组件的冷装提供了基础，避免了国外部分厂家采取的热装对筒体材料性能和外观的影响。在核电行业得到了首次应用，并获得设计单位的认可。
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图 8 熔焊位置结构 图 9 熔焊表面 图 10 试板拉脱力测试
3.2、针对吊篮熔焊问题：这种熔焊熔池将达到φ40mm左右，而且国内外焊接标准中均没有这种接头形式，根据所要达到的焊接性能要求，需对间隙、电流、电压、氩气流量等焊接变素进行单一变素调整测试，最终找到每个变素的合格区间。在测试过程中常出现的问题主要有熔穿、拉脱力不达标、熔核中心出现氩气孔、熔池表面凹陷等。通过调整电流、电压、氩气流量等关键参数，最终确定适用的焊接参数范围。因各厂家所采用的焊机型号及性能不同，熔焊的合格参数范围也大相径庭。
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图 11 吊篮板
而在吊篮组件熔焊过程中，应避免熔焊过程中吊篮组件整体变形的不可控性，建议采用整体夹紧工装，对吊篮的整体外形加以束缚，同时也能一定程度上减小吊篮支撑板与四方管的间隙，更有利于保证产品熔焊质量。但需要注意的是，在利用夹紧工装夹紧时，应控制好夹紧力，避免在夹紧过程中将吊篮方管造成变形。
3.3、针对吊篮组装问题：四方管熔焊后宽度尺寸收缩量约0.6~1.2mm，吊篮板和中子吸收板插口中心距应在理论基础上扣除熔焊收缩量。而插口宽度尺寸则根据四方管的实际尺寸及计算出的熔焊前后所需空间，插口宽度可根据装配情况调整±0~1mm为宜。从两方面最终保证四方管与吊篮支撑板的间隙，在熔焊允许范围内。
4、总结
对于乏燃料干式贮存容器的制造，上海阿波罗机械股份有限公司是目前国内唯一一家贮存容器的制造商，且拥有丰富的制造经验。2019年度先后完成了“世界首台NUHOMS VVER1000和国内首台本地化制造NUHOMS 32PTH1乏燃料干式贮存容器”的交货并得到国内核电业主和ORANO公司的高度评价。
目前，田湾核电站已开始建设60套乏燃料干式贮存，大亚湾核电站也已开始建设37套乏燃料干式贮存，秦山二期核电站预期建设25套乏燃料干式贮存。按目前核电发展速度，“十四五”期间预计乏燃料新产生累积量将有8000吨左右。随着800吨和1200吨临时贮存水池陆续投运使用，仍有大量乏燃料急需干式贮存。预计“十四五”期间乏燃料干式贮存的需求量将达到200台以上，乏燃料干式贮存的市场前景十分广阔。
参考文献：
[1]马庆俊 浅谈我国乏燃料干式贮存的未来发展前景[期刊论文]-中国科技纵横 2013（17）
[2]中国核能行业协会，2020年1-3月全国核电运行情况 20200429