核电站是这样停堆换料的

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反应堆是核电站的核心，反应堆内的核燃料不断进行链式反应产生热能进而转化为电能。但这些核燃料需要定期更换，由于反应堆内高温和强辐射，当前绝大多数核电站都需暂停反应堆才能进行换料，这被称为“停堆换料”。由于停堆成本巨大，打开一）欠不容易，也会同时进行相应维修工作。那么，核电站是如何进行停堆换料的？我国核电站目前停堆换料的技术水平如何？

据中核集团官方微信公众号“中国核电”发布的消息，该集团旗下海南昌江核电厂2号机组已于1月5日12时23分成功并网发电，这标志着该机组代号为202的换料大修工作结束。2018年11月23日0点01分，昌江核电厂2号机组从海南电网解列，标志着该机组的第二次大修正式开始。

换料大修损失巨额电量

昌江核电2号机组的这次大修历时42天，除了更换部分燃料外，还实施了包括压力容器开关盖、装卸料、2LHQ应急柴油机升级检修、冷源检修、发电机抽转子等的大修，以及主厂变感温电缆换型等重大技改项目。这是昌江核电2号机组第二次换料大修，该机组第一次换料大修是在2017年11月20日，历时75天。除换料外，还有约7500项检修项目，包括堆内的“一回路水压试验”、安全壳强度和密封性试验、压力容器在役检查、主辅变年度检修、汽轮发电机组全面检查等大修项目，以及国家核安全局要求进行的测温探头（ MT）套筒返修、汽辅泵叶片检查等项目。

昌江核电2号机组于2010年11月开工建设，2016年8月并网发电进入商运。2017年11月第一次换料大修，历时75天;2018年11月第二次换料大修，历时42天。这说明由于核电人多方面努力，反应堆停堆换料大修的时间在大幅减少，效率明显提高。就拿昌江2号机组来说，停堆一小时，就要损失65万千瓦时的电量。该机组的第二次大修比第一次少了33天，如果满负荷运行，就相当于多发51480万千瓦时的电。

既然如此耗时又花钱，反应堆为何要进行换料大修？

压水堆核电站换料都需停堆

作为核电站中最关键的设备，反应堆的类型决定了核电站日常运行和维护的诸多差异。目前在役核电站使用的压水堆，源于1953年美国原创开发成功的核潜艇动力堆。由于在设计和使用上具备明显优势，压水堆目前占全球核反应堆总数的六成以上，也是我国核电站所用反应堆的主力军。因此，本文中提到的核反应堆如无特别说明，则均为压水堆（水在堆芯内不沸腾，保持在高压状态）。

从专业技术角度来看，压水堆核电站的先天短板，在于被装入堆芯的核燃料具有后备反应性，即堆芯中全部中子吸收体，如控制棒、可溶毒物、可燃毒物等都被取出后，反应堆还会保持反应性。可随着反应堆运行时间延长，核燃料损耗的增加，后备反应性就逐渐减少，最终会使整个反应堆不能维持运行，也就无法产生核裂变的链式反应。因此，必须定期更换部分核燃料以保持机组正常运行，停堆换料实属不得已而为之。

当然，不是所有的反应堆在换料时都需要停堆，我国秦山核电站三期工程使用的重水堆，在换料时就不需要强制停堆。这是因为重水堆的燃料棒束组件简单又短小，又加上反应堆堆芯是水平管道式的，因此，在更换燃料的时候无须停堆，换句话说，重水堆在工作状态中随时都能换料。不过，重水堆在国内外核电站中属于小众，仅占核反应堆总数的一成左右。

换料间隔周期越长越好

对一个日发电量上百万千瓦时的核电站来说，停堆换料工作所造成的经济损失无疑是惊人的，但这项工作又是必不可少的。因此，延长核燃料的使用周期，停堆换料次数越少越好。这方面的世界纪录是美国伊利诺伊州的拉萨尔核电站创造的，2006年该核电站一次换料后持续运行了739天，超过了两年。

在我国，近年来核电站压水堆核燃料的使用周期有了显著增加，在燃料组件设计上下功夫是重要的突破口。在这方面，位于江苏省连云港的田湾核电站走在了前面。2014年以前，田湾核电站使用的UTVS型燃料组件的换料周期只有300天。2014年开始，田湾核电1号机组启动了“长周期项目”，即通过每年装入部分TVS-2M型燃料组件的方式，逐步向长周期燃料循环阶段过渡。国产化的TVS-2M燃料组件具有更好的稳定性和更多的铀装量，可把换料周期延长到480天，还能让反应堆更安全、高效地运行，在技术性能与经济性方面都得到了改善。2016年初，田湾核电站1号机组结束了混合堆芯的状态，进入全堆长周期型高性能燃料组件运行阶段，从而实现了长周期燃料组件的全堆应用。

《中国核工业报》披露的消息显示，田湾核电站的两台机组完全实现长周期燃料循环后，预计每台机组平均每年可增加运行时间约20天，两台机组年发电量增加9.6亿千瓦时。折算到同等发电量的燃煤电站，两台机组每年将少消耗38.4万吨煤炭。

停堆换料时间越短越好

同样出于经济上的考虑，停堆换料工作完成得越快越好也是核电行业的共识。以美国华盛顿州里奇兰德的哥伦比亚核电站为例，30天的停堆要使核电站少发7000多万千瓦时的电。不过拜技术进步和管理规划水平提高所赐，20多年来核电站停堆换料造成的核电站“停摆”时间大体上越来越短。美国国家核能研究所（NEI）的资料显示，在上世纪90年代初，全美核电站停堆换料平均时长超过了100天;而到了2014年，这个用時缩至37天左右，这种变化对于提高核电站运行的经济效益是十分有利的。

对于核电占国家能源供应比例较大的国家来说，停堆换料的时机选择很重要。据美国媒体介绍，美国的核电站通常是在春秋两季进行停堆换料。这是因为这两个季节电力需求较小，核电站停摆造成的电力缺口更容易被其他电力来源填补。相比之下，空调使用大增的夏季和取暖用电增加的冬季，并不是停堆换料的好时机。

由于反应堆停摆打开一次不容易，停堆换料通常与核电站设备大修工作合并进行，这期间核电站最为紧张忙碌，数千项乃至上万项工作必须有条不紊地同步开展。就拿海南昌江核电厂2号机组停堆换料这一个多月里，大修工作共计实施了7679项，其中包括预防性维修4242项，技术改造44项，定期试验684项，纠正性维修及其他2709项。如此大的工程量在争分夺秒的停堆换料期间完成，显示出了我国核电人过硬的专业素质。

换料多在水下进行

在我国，核电站停堆换料工作必须严格遵守国家核安全局颁发的《核电厂运行安全规定》及其附件《核电厂换料、修改和事故停堆管理》等规章制度。由于涉及核燃料元件，为确保核燃料的安全可靠，杜绝放射性物质外泄，装卸核燃料过程中绝不允许出现任何纰漏。笔者综合各方面材料，简要描述一下反应堆更换核燃料过程。

首先，核电站方面要先花上几天时间减缓和终止反应堆的链式反应，这个过程绝不是按下一个按钮就能解决的。因为停堆后余温尚存，冷却系统还要持续对反应堆进行冷却。接下来的换料工作可以称之为“水下作业”，因为大部分工作都要在核电站的水池里进行。

装在密闭容器里的核燃料在严密保护下一路运到核电站，核电站工作人员接料后将其运到燃料厂房。核燃料容器在燃料厂房开箱，燃料棒取出后被放到乏燃料池里，接着运到同厂房的燃料运输池里，水池充满高浓度的含硼水提供次临界度以及中子屏蔽。在燃料运输池的底部有一个通道直通反应堆厂房的构件池，传输小车把燃料棒从燃料运输池转移到反应堆厂房的构件池，由装料机的机械臂将燃料棒从构件池取出装入换料腔下面的反应堆里。

这里需要强调的是，通常我们讲的换料工作，并不是将反应堆堆芯里所有的燃料棒一次性地全部更换，而是一般只更换1/3左右。以位于美国华盛顿州里奇兰德的哥伦比亚核电站为例，764根燃料棒通常一次换料248根，堆芯燃料组件实现全部更换需要6年之久。

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