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2015年11月10日 星期二

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为自主后处理技术发展“补缺”

— 记我国首次实验室规模动力堆后处理热试验

热试验启动仪式

工作人员在热试验中

■创新驱动发展

本报通讯员 王丽丽  鲜 亮  本报记者 陈 瑜

厚重的混凝土墙体外,巨大的机械臂暂时“歇息”,隔着铅玻璃窥视窗,刚刚经历过一个多月紧张工作的机械手在热室内静静地与之遥遥相望。近日,我国科研人员在此成功完成了我国首次实验室规模动力堆乏燃料后处理热试验,标志着我国核科技领域核心技术自主创新取得重大突破。

发展核电,经济性和安全性最受关注。

将反应堆中使用过的核燃料(即乏燃料)进行化学处理,除去其中的裂变产物,并分离和回收易裂变核素及可转换核素的过程被称为乏燃料后处理。它是提高核电经济性、确保核能可持续发展并降低放射性废物长期危害的最佳途径。

这次采用的先进无盐二循环流程是我国历经二十余年自主研发的后处理工艺流程,以“经济、安全、废物最小化”为目标,通过“无盐”技术的应用,简化了工艺流程,减少了废物量,提高了铀钚分离系数,充分体现了保障核能可持续发展的先进理念。

核电大国呼唤自主乏燃料后处理技术

根据2012年国务院《核电中长期发展规划(2011—2020)》:到2020年我国核电运行装机容量达到5800万千瓦、在建装机3000万千瓦。

按照我国目前核电发展规模和速度测算,到2020年我国将累计产生乏燃料0.75万吨—1万吨,2030年将达到2万吨—2.5万吨。但目前我国尚未建成商用大型乏燃料后处理厂,只有一座动力堆乏燃料后处理中间规模试验工厂。

今年9月,中核集团宣布,由其负责建设,法国阿海珐集团承担总体技术责任的中国核循环项目将在2020年开工。除与法国合作,中核集团亦在不断加快其自主技术的乏燃料后处理项目布局。在中核集团“龙腾2020”科技创新计划中,具有自主知识产权的200吨大型商用乏燃料后处理示范工程是首批8个科技创新示范工程之一。

“核燃料后处理技术是一项高、精、尖的复杂技术。”中国原子能科学研究院(以下简称原子能院)放射化学研究所所长郑卫芳说,后处理厂投资巨大、建设周期长,一般需要十年,目前世界上拥有后处理工厂的国家并不多,有限的后处理技术国际合作也无法实现真正核心技术交流。作为世界在建核电规模最大的国家,我国必须拥有自主乏燃料后处理技术。

生逢其时的放化大楼

9月1日,我国首次实验室规模动力堆后处理热试验在我国重要的核燃料后处理研究平台——放化大楼成功启动。

“放化大楼承载着几代放化人的梦想,如今建成投用,恰逢其时,赶上了国家新时期核能建设的重要任务。”国防科工局副局长王毅韧这样评价。

这次热试验,我国科研人员已期盼多年。

“今天这一刀切下去,多年的梦想终于开始成为现实。”放射化学领域专家王方定院士见此情景发出由衷感慨。

在原子能院中心位置有一排南北走向、看起来并不起眼的平房,外观由水泥混凝土建造,在高耸的通风烟囱下显得安静祥和。

这是我国第一座甲级放射性实验室,这个当时为解决紧急任务之需而搭建的临时性放射性工作场所,设计安全使用寿命只有15年。由于种种原因,该实验室服役时间长达半世纪。在这里,科研人员对模拟乏燃料料液开展了多次冷铀试验和温试验。

但随着后处理技术的不断发展,超期服役的实验室已越来越不能满足科研需要(我国后处理中间规模试验工厂需要进行的热验证试验是通过国际合作于1996年在俄罗斯完成的)。

建造一个高水平的、综合性的放化实验大楼成为几代放化人的梦想。2003年放化大楼经国防科工局正式立项;2008年,大楼开工建设;历时6年,2014年大楼建成并通过国防科工局的验收。

“放化大楼虽已建成,但并不意味着马上可以投入应用并开展热试验。从建成到热试投用似乎只有一步之遥,但这一步走过来却非常艰难和艰辛。”郑卫芳说。

放化大楼是从事强放射性试验的设施,装备系统十分复杂,要保证其可靠、安全地运行,短时间内完成各系统的调适、整改工作难度极大。

热室运输机是担负各热室间转运物品任务的重要系统,该系统的运行主要是通过两部电机驱动链条来带动。为保证双盖容器运输车在各站点与热室底板密封盖精准对接,运输车水平定位误差必须小于两毫米。热室线运输机链条总长几十米,要实现每一个站点水平精确定位,必须经过大量反复调试才能摸索出一套精准的控制方法。

热室是密封包裹强放射性的特殊设施,如同关放“老虎”的笼子,安装在热室内的所有设备不仅要求耐辐照、耐腐蚀,而且还必须有高可靠性(不能轻易出问题),设备一旦出现问题(包括设备维修、更换),只能隔着热室墙,通过机械手来远距离完成。因此热室安装的东西必须越简单越好,最大程度减少使用易损部件,尽量不使用电子元器件、转动部件。即便是一个小小的阀门,为了方便机械手操作,其把手结构的设计也先后试验了五六种才最终定型。

考验意志的热试验

热试验是对真实反应堆乏燃料进行处理,处理对象成分极为复杂并具强放射性,这是后处理技术研发中最重要和最具挑战性的环节。

按照流程,在成功完成元件剪切、溶解后,试验进入关键的第三阶段,即化学分离部分的首个环节——铀钚共去污分离循环。

该循环主要由数个透明材料制成的萃取槽组成,其中铀钚共萃取槽(1A萃取槽)是整个化学分离流程中第一个萃取设备,将从乏燃料溶解液中提取出铀钚,同时产生高放废液。这是最强放射性操作单元,是化学分离流程中最关键、也最容易出问题的单元,它的正常运行与工艺效果将直接影响整个热试验成败。

该单元的试验是在10月1日晚上启动的。虽然正值国庆假期,但放化大楼内灯火通明,全体试验人员都在现场忙碌着,紧张等待强放料液进入1A萃取槽的那一刻。

21点50分,经过调料的乏燃料溶解液顺利进入1A萃取槽,萃取槽进料级颜色略显加深,但未见异常。大家紧张的心稍稍放松下来,然而仅仅运行不到30分钟,萃取槽进料级附近出现大团黑色絮状物。

这是郑卫芳最不愿意看到的境况。很快,试验人员向他反映,萃取槽中液面在上涨,说明萃取槽液流通道已不畅,大团絮状物造成的影响已经显现。

凭着专业知识,郑卫芳清楚,槽中絮状物会越积越多,那样试验将难以继续。虽然试验前已有准备,让他始料未及的是,界面污物来得这么快、这么猛。

试验原计划持续100小时,如今运行不到30分钟就出现突发情况,郑卫芳脑海里闪过一个词“死定了”,在强放热室里,萃取设备发生堵塞是一件极难处理的事。

大家都变得束手无策。参加热试验的这支队伍平均年龄不到35岁,郑卫芳是唯一亲历过热试验的人。看着萃取槽中上涨的液面,他很快冷静下来,根据絮状物的形态和性状,立即组织现场试验人员讨论,很快提出了应急措施。

“下来了,液面下来了”,现场人员无比激动,应急措施奏效了。

然而,絮状物并没有彻底清除,萃取槽堵塞的情况随时可能再出现。

“不管怎样,只要能运行,能坚持多久是多久。”这是郑卫芳和所有试验人员一致的想法。

他吩咐大家,务必要时刻盯着萃取槽中的液面和出口物流情况,及时发现异常并采取措施。熬到2日凌晨一点多,设备还在运行,郑卫芳惴惴不安地回家休息。

一夜竟然没有电话。

“是试验停了,他们没告诉我,还是试验一直坚持到现在?”郑卫芳不敢打电话,直接跑去了放化大楼。到了现场,得知试验还在进行,他没有想象中兴奋,只有一种感受,置之死地而后生。

接下来是煎熬的漫长等待。

“试验只要能进行10小时就会开始有样品。”团队成员互相鼓励, 10小时, 20小时……50小时,在线监测系统表明铀、钚萃取正常,萃取槽液面不再上涨,出口液体流出通畅。同时出口料液的分析数据表明,铀钚回收率与裂片元素等的净化率均满足工艺的要求。最终,这个环节的试验持续了近90小时,达到了既定目标。

试验结束后,大家检查发现,槽内多半是黑色糊状的东西。

“这是后处理过程中比较常见的东西。”郑卫芳说,乏燃料组成成分复杂,包括四五十种元素,每种元素形态不一。虽然经过了溶解、过滤,但看起来清亮的滤液里面有固体微粒,进入化学分离阶段后,在强辐照场下,固体微粒发生团聚。在整个试验过程中,还发生了好几次有惊无险的事件,研究人员都一一化解了。

“这是我国第一次开展实验室规模的动力堆乏燃料后处理热试验,积累实战经验非常重要。”郑卫芳说,在放射化学领域,至少需要十年,才能让一个人对整个热试验流程融会贯通。他告诉记者,近期将再开展一次热试验,对流程进一步检验,也可以进一步锻炼这支年轻的队伍。让他自豪的是,试验是模拟工厂真实情况下所做的试验,对工厂设计、工艺运行能起直接指导作用。

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