劉國偉

反應(yīng)堆是核電站的核心，反應(yīng)堆內(nèi)的核燃料不斷進行鏈式反應(yīng)產(chǎn)生熱能進而轉(zhuǎn)化為電能。但這些核燃料需要定期更換，由于反應(yīng)堆內(nèi)高溫和強輻射，當前絕大多數(shù)核電站都需暫停反應(yīng)堆才能進行換料，這被稱為“停堆換料”。由于停堆成本巨大，打開一）欠不容易，也會同時進行相應(yīng)維修工作。那么，核電站是如何進行停堆換料的？我國核電站目前停堆換料的技術(shù)水平如何？

據(jù)中核集團官方微信公眾號“中國核電”發(fā)布的消息，該集團旗下海南昌江核電廠2號機組已于1月5日12時23分成功并網(wǎng)發(fā)電，這標志著該機組代號為202的換料大修工作結(jié)束。2018年11月23日0點01分，昌江核電廠2號機組從海南電網(wǎng)解列，標志著該機組的第二次大修正式開始。

換料大修損失巨額電量

昌江核電2號機組的這次大修歷時42天，除了更換部分燃料外，還實施了包括壓力容器開關(guān)蓋、裝卸料、2LHQ應(yīng)急柴油機升級檢修、冷源檢修、發(fā)電機抽轉(zhuǎn)子等的大修，以及主廠變感溫電纜換型等重大技改項目。這是昌江核電2號機組第二次換料大修，該機組第一次換料大修是在2017年11月20日，歷時75天。除換料外，還有約7500項檢修項目，包括堆內(nèi)的“一回路水壓試驗”、安全殼強度和密封性試驗、壓力容器在役檢查、主輔變年度檢修、汽輪發(fā)電機組全面檢查等大修項目，以及國家核安全局要求進行的測溫探頭（ MT）套筒返修、汽輔泵葉片檢查等項目。

昌江核電2號機組于2010年11月開工建設(shè)，2016年8月并網(wǎng)發(fā)電進入商運。2017年11月第一次換料大修，歷時75天;2018年11月第二次換料大修，歷時42天。這說明由于核電人多方面努力，反應(yīng)堆停堆換料大修的時間在大幅減少，效率明顯提高。就拿昌江2號機組來說，停堆一小時，就要損失65萬千瓦時的電量。該機組的第二次大修比第一次少了33天，如果滿負荷運行，就相當于多發(fā)51480萬千瓦時的電。

既然如此耗時又花錢，反應(yīng)堆為何要進行換料大修？

壓水堆核電站換料都需停堆

作為核電站中最關(guān)鍵的設(shè)備，反應(yīng)堆的類型決定了核電站日常運行和維護的諸多差異。目前在役核電站使用的壓水堆，源于1953年美國原創(chuàng)開發(fā)成功的核潛艇動力堆。由于在設(shè)計和使用上具備明顯優(yōu)勢，壓水堆目前占全球核反應(yīng)堆總數(shù)的六成以上，也是我國核電站所用反應(yīng)堆的主力軍。因此，本文中提到的核反應(yīng)堆如無特別說明，則均為壓水堆（水在堆芯內(nèi)不沸騰，保持在高壓狀態(tài)）。

從專業(yè)技術(shù)角度來看，壓水堆核電站的先天短板，在于被裝入堆芯的核燃料具有后備反應(yīng)性，即堆芯中全部中子吸收體，如控制棒、可溶毒物、可燃毒物等都被取出后，反應(yīng)堆還會保持反應(yīng)性?？呻S著反應(yīng)堆運行時間延長，核燃料損耗的增加，后備反應(yīng)性就逐漸減少，最終會使整個反應(yīng)堆不能維持運行，也就無法產(chǎn)生核裂變的鏈式反應(yīng)。因此，必須定期更換部分核燃料以保持機組正常運行，停堆換料實屬不得已而為之。

當然，不是所有的反應(yīng)堆在換料時都需要停堆，我國秦山核電站三期工程使用的重水堆，在換料時就不需要強制停堆。這是因為重水堆的燃料棒束組件簡單又短小，又加上反應(yīng)堆堆芯是水平管道式的，因此，在更換燃料的時候無須停堆，換句話說，重水堆在工作狀態(tài)中隨時都能換料。不過，重水堆在國內(nèi)外核電站中屬于小眾，僅占核反應(yīng)堆總數(shù)的一成左右。

換料間隔周期越長越好

對一個日發(fā)電量上百萬千瓦時的核電站來說，停堆換料工作所造成的經(jīng)濟損失無疑是驚人的，但這項工作又是必不可少的。因此，延長核燃料的使用周期，停堆換料次數(shù)越少越好。這方面的世界紀錄是美國伊利諾伊州的拉薩爾核電站創(chuàng)造的，2006年該核電站一次換料后持續(xù)運行了739天，超過了兩年。

在我國，近年來核電站壓水堆核燃料的使用周期有了顯著增加，在燃料組件設(shè)計上下功夫是重要的突破口。在這方面，位于江蘇省連云港的田灣核電站走在了前面。2014年以前，田灣核電站使用的UTVS型燃料組件的換料周期只有300天。2014年開始，田灣核電1號機組啟動了“長周期項目”，即通過每年裝入部分TVS-2M型燃料組件的方式，逐步向長周期燃料循環(huán)階段過渡。國產(chǎn)化的TVS-2M燃料組件具有更好的穩(wěn)定性和更多的鈾裝量，可把換料周期延長到480天，還能讓反應(yīng)堆更安全、高效地運行，在技術(shù)性能與經(jīng)濟性方面都得到了改善。2016年初，田灣核電站1號機組結(jié)束了混合堆芯的狀態(tài)，進入全堆長周期型高性能燃料組件運行階段，從而實現(xiàn)了長周期燃料組件的全堆應(yīng)用。

《中國核工業(yè)報》披露的消息顯示，田灣核電站的兩臺機組完全實現(xiàn)長周期燃料循環(huán)后，預(yù)計每臺機組平均每年可增加運行時間約20天，兩臺機組年發(fā)電量增加9.6億千瓦時。折算到同等發(fā)電量的燃煤電站，兩臺機組每年將少消耗38.4萬噸煤炭。

停堆換料時間越短越好

同樣出于經(jīng)濟上的考慮，停堆換料工作完成得越快越好也是核電行業(yè)的共識。以美國華盛頓州里奇蘭德的哥倫比亞核電站為例，30天的停堆要使核電站少發(fā)7000多萬千瓦時的電。不過拜技術(shù)進步和管理規(guī)劃水平提高所賜，20多年來核電站停堆換料造成的核電站“停擺”時間大體上越來越短。美國國家核能研究所（NEI）的資料顯示，在上世紀90年代初，全美核電站停堆換料平均時長超過了100天;而到了2014年，這個用時縮至37天左右，這種變化對于提高核電站運行的經(jīng)濟效益是十分有利的。

對于核電占國家能源供應(yīng)比例較大的國家來說，停堆換料的時機選擇很重要。據(jù)美國媒體介紹，美國的核電站通常是在春秋兩季進行停堆換料。這是因為這兩個季節(jié)電力需求較小，核電站停擺造成的電力缺口更容易被其他電力來源填補。相比之下，空調(diào)使用大增的夏季和取暖用電增加的冬季，并不是停堆換料的好時機。

由于反應(yīng)堆停擺打開一次不容易，停堆換料通常與核電站設(shè)備大修工作合并進行，這期間核電站最為緊張忙碌，數(shù)千項乃至上萬項工作必須有條不紊地同步開展。就拿海南昌江核電廠2號機組停堆換料這一個多月里，大修工作共計實施了7679項，其中包括預(yù)防性維修4242項，技術(shù)改造44項，定期試驗684項，糾正性維修及其他2709項。如此大的工程量在爭分奪秒的停堆換料期間完成，顯示出了我國核電人過硬的專業(yè)素質(zhì)。

換料多在水下進行

在我國，核電站停堆換料工作必須嚴格遵守國家核安全局頒發(fā)的《核電廠運行安全規(guī)定》及其附件《核電廠換料、修改和事故停堆管理》等規(guī)章制度。由于涉及核燃料元件，為確保核燃料的安全可靠，杜絕放射性物質(zhì)外泄，裝卸核燃料過程中絕不允許出現(xiàn)任何紕漏。筆者綜合各方面材料，簡要描述一下反應(yīng)堆更換核燃料過程。

首先，核電站方面要先花上幾天時間減緩和終止反應(yīng)堆的鏈式反應(yīng)，這個過程絕不是按下一個按鈕就能解決的。因為停堆后余溫尚存，冷卻系統(tǒng)還要持續(xù)對反應(yīng)堆進行冷卻。接下來的換料工作可以稱之為“水下作業(yè)”，因為大部分工作都要在核電站的水池里進行。

裝在密閉容器里的核燃料在嚴密保護下一路運到核電站，核電站工作人員接料后將其運到燃料廠房。核燃料容器在燃料廠房開箱，燃料棒取出后被放到乏燃料池里，接著運到同廠房的燃料運輸池里，水池充滿高濃度的含硼水提供次臨界度以及中子屏蔽。在燃料運輸池的底部有一個通道直通反應(yīng)堆廠房的構(gòu)件池，傳輸小車把燃料棒從燃料運輸池轉(zhuǎn)移到反應(yīng)堆廠房的構(gòu)件池，由裝料機的機械臂將燃料棒從構(gòu)件池取出裝入換料腔下面的反應(yīng)堆里。

這里需要強調(diào)的是，通常我們講的換料工作，并不是將反應(yīng)堆堆芯里所有的燃料棒一次性地全部更換，而是一般只更換1/3左右。以位于美國華盛頓州里奇蘭德的哥倫比亞核電站為例，764根燃料棒通常一次換料248根，堆芯燃料組件實現(xiàn)全部更換需要6年之久。