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乏燃料干式贮存的氦气吹扫原理分析与探讨

发表时间：2021/3/16 来源：《中国科技信息》2021年2月作者：孙洪岩

[导读] 描述了大亚湾乏燃料干式贮存项目的氦气吹扫工艺，介绍了压涨式吹扫的基本操作及要点。通过借鉴乏燃料干式贮存研究领域的相关方法及结论，得到了在氦气吹扫操作中乏燃料的衰变热会使常温氦气受热的结论。再结合乏燃料贮存格架的多孔介质模型理论，可知道填充氦气过程中气体会均匀受热，并将附着在乏燃料组件及贮存格架表面的水膜、水滴逐渐吹离表面并汇集到干式屏蔽罐底部，从而验证了选择常温氦气进行压涨式吹扫的合理性。

中广核工程有限公司调试中心孙洪岩 518100

摘要：描述了大亚湾乏燃料干式贮存项目的氦气吹扫工艺，介绍了压涨式吹扫的基本操作及要点。通过借鉴乏燃料干式贮存研究领域的相关方法及结论，得到了在氦气吹扫操作中乏燃料的衰变热会使常温氦气受热的结论。再结合乏燃料贮存格架的多孔介质模型理论，可知道填充氦气过程中气体会均匀受热，并将附着在乏燃料组件及贮存格架表面的水膜、水滴逐渐吹离表面并汇集到干式屏蔽罐底部，从而验证了选择常温氦气进行压涨式吹扫的合理性。
关键词：乏燃料干式贮存；压涨式吹扫；衰变热；多孔介质模型
The analysis and discussion of helium blowdown mechanism for spent fuel dry storage
( Sun Hong-yan )
( China Nuclear Power Engineering CO.LTD )
Abstract: Described the helium blowdown technics of Daya bay spent fuel dry storage project, and introduced the basic operations and key points of pressure expansion purge. By using the methods and conclusions of spent fuel dry storage research field as for reference, we got the conclusions that the helium at normal temperature could be heated by decay heat during the process of helium blowdown operations. Combined the porous medium model theory of spent fuel storage grid, we could know that helium gas would be heated uniformly, and then blew the water film, droplet from storage grid surface down to dry storage canister bottom, which verified the rationality of finishing pressure expansion pure with normal temperature helium.
Key words: Spent fuel dry storage; pressure expansion purge; decay heat; porous medium model
        0引言
        随着中国最早一批开始建设的电站运营时间增加，以秦山、大亚湾和田湾为代表，其产生的乏燃料总量已经基本达到各个电站配套的水池贮存上限，所以势必要寻求其他途径处理日益增加的乏燃料。但受限于后处理技术限制及昂贵的厂外运输费用，从场内贮存转移到后处理厂并不是目前的最理想和最经济的处理方案。当前国外的乏燃料干式贮存工艺日趋成熟，该处理路线在国内也逐渐被重视，开始在一些电站进行应用。比如自主化建成的秦山核电站的干式贮存设施，引进ORANO公司技术的大亚湾核电站和田湾核电站的干式贮存设施。
        目前仅有为数不多的干式贮存方面相关文献公开发表，提及贮存容器气体吹扫干燥方法的基本流程也是介绍性的，并未针对性的开展深入的探讨。在已发表的容器干燥方法的文献[1]中已经阐明气体吹扫干燥的好处和优点，是抽真空干燥之前一步非常重要的操作，提到的方法是使用加热后的氦气进行循环吹扫。本文讨论的就是大亚湾核电站干式贮存项目的乏燃料干式屏蔽筒（Dry Shielded Canister，缩写为DSC）的气体吹扫干燥环节基本操作流程，并对其中的原理加以分析。
        1.气体吹扫干燥
        工业领域使用气体除去水分的研究[2]已经比较成熟，结论显示越是干燥、温度较高的载气，其吸湿能力、加速水分蒸发的能力越强，这也是使用热气吹扫的原因。同时考虑循环经济的效益，有条件的情况下优先选择循环式吹扫设备。在非循环式的吹扫方法中，分为直接吹扫和压涨式吹扫两种类型。直接吹扫是通过控制进气和出气流量的平衡，从而保持被吹扫容器的压力稳定在目标范围内，也叫连续吹扫干燥。压涨式吹扫则是先向容器内通入一定的气体，保持恒定的气
体压力一段时间，再开启排气达到干燥目的。大亚湾核电站干式贮存项目的DSC气体吹扫干燥工艺，选择的是非加热压涨式氦气吹扫方法，即直接利用常温条件下的氦气进行开放式吹扫。
        1.1吹扫装置情况介绍
        吹扫装置是集进气、排气和排水一体的设备（缩写为VDS），过程中以监视DSC内部气相压力变化来掌控进气和排气的程度。因DSC是在转运容器（Transfer Cask，缩写为TC）内部放置，相对于TC其类似于内胆容器，干燥吹扫过程中两个容器是竖直装配放置在清洗池内，DSC仅能通过特定的两个端口与吹扫装置连接。吹扫装置相对于DSC的位置较高，需要通过透明管建立连，见图1。
        1.2 填充氦气
        考虑燃料棒包壳内填充有氦气，同时氦气也是DSC的最终填充保护气，所以DSC吹扫气体也是氦气，纯度为99.99%及以上。依据设计要求，正常工况下的DSC内压力控制在14psi范围以内。为保证在VDS与DSC存在相对高度差的情况下，氦气能将液态水吹扫出来，需设定DSC内最终氦气压力在约10psi。
        1.3排气吹扫
初始阶段的填充氦气，可以观察到液态水被气压排挤出来，上升并积存在DSC与VDS连接的管中。此时，缓慢开启排气阀门并保持在较小的开度，可观察到积存水被直接吹扫出来，然后通过VDS排放到废液收集系统。当DSC泄压至约4psi时关闭排气阀门，打开氦气重新充气加压。随后的充气操作，被气体排挤出来的液态水越来越少。经过反复气体吹扫，当连接管中观察不到明显的凝结水珠，则可以结束氦气吹扫操作。

        Fig.1 Relative position for VDS and TC/DSC
        2吹扫原理分析
        通过上述介绍可知，DSC的氦气吹扫采取的是非加热循环氦气压涨式吹扫方法，具体的应用原理分析如下。
        2.1使用常温氦气
        在DSC内装满32组燃料组件后，因乏燃料具有持续释放衰变热的特点，同时考虑燃料组件燃耗深度不均的问题，其内部存在温度场和梯度。根据相关文献[3]结论，温度梯度呈垂直方向即沿燃料组件轴向分布，上端温度高，下端温度稍低，见图2。

Fig.2 Temperature contrast for different parts of Spent Fuel Assembly
按照燃料组件及燃料篮结构特点，装载乏燃料后的贮罐内部空间会形成相对均匀的物理间隔区域。根据安全分析报告[4]结论，鉴于燃料组件结构的复杂性，在整个容器模型中难以对其精确建模，采用网格模型来模拟燃料组件及贮存格架的实际结构，见图3。氦气填充点在贮罐顶端，按照氦气在贮罐内部的流动方式，既有垂直方向也有水平向。氦气具有良好导热系数，经过燃料组件上端高温区域的加热后，会逐步向贮罐底端扩散。所以，常温氦气在进入DSC后会经过衰变热的作用，逐步具有一定的温度。

         从另一个角度分析，装载乏燃料组件后的DSC内自由空间体积约3.68m3，保守估计最大存水体积也是这些。氦气吹扫前水泵将大部分的硼水从DSC内腔排出，用额定流量2m3/h水泵，理论计算从起初排水到完成排水大约需要1.84h，而现场实际排水过程时间要比理论还要长。此期间内DSC从满水到几乎排空，液位下降高度约4.17m，计算得到液位下降的最大平均速率0.63mm/s。这意味着乏燃料组件从浸没的硼水中非常缓慢地裸露出来，其表面的附着的水膜会在衰变热作用下蒸发，而且是非常快是速度。开始氦气吹扫时，裸露的乏燃料组件表面已经处于干燥状态，氦气经过时受热效应会比较明显。
        2.2压涨式吹扫
        DSC氦气吹扫要先升压，再保压一定时间开启泄压阀，最后维持一定的剩余气体压力。按照多孔介质模型理论及乏燃料的衰变热特点，氦气进入贮罐后存在扩散现象和受热作用，如果采取直排式吹扫，进气和出气流道会相对固定，而且受热时间不充分无法将氦气温度提高，也就不能更好利用乏燃料的放热特点。
在考虑DSC内部残余水时，除乏燃料组件表面水膜在衰变热的作用下会迅速蒸发，其余位置会有残余水，主要包括：DSC底部无法利用水泵排出来的水，中子屏蔽围板、贮存格架的表面会附着水膜。贮存格架孔隙的水滴受表面张力、毛细现象的作用，会形成重力与作用力平衡的现象[5]，见图4。当开启排放氦气阀门时，受气流的冲击作用，平衡被打破后水滴沿轴向汇聚到DSC底部，中子屏蔽围板和贮存格架表面的水膜也会汇聚到DSC底部。DSC底部的液态水在气压作用下，克服重力沿着虹吸管被吹出来。

        2.3非循环模式
        循环模式特点是节约氦气消耗量，降低用气成本。大亚湾干式贮存项目选择的是非循环模式，排出的气体经过气溶胶过滤器最终排放到电厂的通风系统。如果使用循环模式，需要额外增加干燥设备、气体增压设备。考虑电站控制区内的工作场地和环境，简化设备会减少必要的人员投入和辐射防护投入，有利于现场管理和减少固体废物产生量，虽然增加了氦气的总成本，但综合衡量还是利大于弊。
        3结论
        （1）使用非加热的氦气进行吹扫，是利用乏燃料组件的衰变热效应，在气体填充和扩散过程中进行热传递，从而使氦气温度升高。这相当于利用了加热后的氦气进行吹扫，有利于吹扫出更多的水蒸气。
        （2）乏燃料贮罐内部的贮存格架和乏燃料组件结构复杂，在过程分析中将这些结构作为多孔介质模型。再结合分别在贮罐的上部和下部的进气和出气位置情况，经分析可知道气体扩散过程是由上至下，过程中会充分与乏燃料组件进行传热。经过一定的充气时间后，排放时充气压力逐渐衰减，这符合压涨式吹扫基本特点。如果选择直排式吹扫，会存在形成固定的气体流道的可能，贮罐内的部分空间会无气体流动，达不到良好的吹扫效果。
        （3）氦气吹扫过程起初阶段是液态水被直接排出来，然后再是水蒸气。这是因为乏燃料组件和贮存格架的多孔介质模型特点，表面附着水膜和毛细现象作用水滴逐渐在气流作用下汇聚到贮罐底部的集水点，并直接被吹扫出来。随着液态水被排空，最后以水蒸气形式被吹扫出来。
        （4）结合控制区内的场地空间和辐射防护成本，不使用气体加热循环、干燥装置仅会增加氦气使用量，从而对气体使用成本有所影响，但这对整体的经济效益影响可以忽略不计。但却降低了设备复杂性及维护成本，提高了吹扫装置的可靠性。综合考虑使用非热循环的压涨式吹扫进行乏燃料贮罐的吹扫是一项安全、经济和可靠的吹扫方式。
参考文献：
[1]卢可可张白茹, 乏燃料运输容器排水及干燥方法浅析[J], 科技视界, 2017, 78-79.
[2]孙一坚，工业通风[M].3版北京：中国建筑工业出版社 1994: 13-16.
[3]朱亚男，乏燃料干式屏蔽筒衰变热导出模拟研究[D]，山东大学，2016，29-35.
[4]周有新等，乏燃料干式屏蔽筒衰变热导出分析[R]，中核核反应堆热工水力技术重点实验室2015年度学术年会，.
[5]程树，吴睿，带有气体吹扫边界多孔介质内干燥过程可视化实验[J]，工程热物理学报，2016, 37(1), 180-184.