不锈钢助力百年核安全

文摘   文化   2024-08-19 12:31   北京  


切尔诺贝利建造了一个巨大的密封围墙,其设计能够经受极端温度、地震和龙卷风的考验,并能够防止腐蚀,保护环境免受已被封装但仍然危险的反应堆的影响。该结构采用含钼316L不锈钢包覆,放射性粉尘和碎片将在此安全地存放超过一个世纪。



1986年切尔诺贝利核反应堆4号机组的熔毁是历史上最大的人为灾难之一,将被长久铭记。它产生了严重的放射性污染并广泛扩散。灾难发生后不久,通过在反应堆周围建造大型石棺式围墙("避难所"或称OS)来防止放射性粒子的进一步释放,缓解了放射性污染进一步扩散的威胁。

不幸的是,气候和腐蚀已经使30年前建造的钢筋和混凝土石棺性能退化,存在坍塌的危险。国际社会承担起保护现场安全的任务,建造了一个新的、更安全的永久性封闭结构--新安全围堵体(NSC)。该项目由欧洲复兴开发银行的切尔诺贝利避难所基金资助,截至2015年11月,该基金已筹集了13亿欧元,到2017年完成时,该项目预计花费超过20亿欧元,有超过40个国家和组织捐助了该基金。

这个不同寻常的项目所面临的挑战是显而易见的:需要将 “避难所” 发生故障时可能释放的放射性尘埃和碎片限制在安全范围;需要避免人工来维护该结构(由于放射性带来的危险);确保该结构能够承受-45°C至45°C的温度、3级龙卷风(百万年一遇)和最大强度为6级(MSK64地震强度等级)的地震(万年一遇)而不发生损坏。NSC还必须提供安全拆卸不稳定的反应堆部件的能力,并从封闭的反应堆中清除放射性废物和堆芯熔化物(由熔化的燃料和内部组件形成的凝固的熔融物)。此外,它还必须有持续100年的寿命,以便有时间开发尚未测试的技术来清除放射性废料。


新结构:一个巨大的挑战

NSC看上去神似二战前的齐柏林机库。仅仅是令人惊叹的拱形框架就重达25,000  吨,安装完成后整个结构可重达31,000吨。它高108米,长162米,宽257米。这个巨大的结构包围着大约300万立方米的体积,相当于伦敦O2体育馆的大小。这个巨型结构的内部比自由女神像还要高,其大小可以容纳巴黎圣母院或伦敦圣保罗大教堂。其整体结构的重量相当于四座埃菲尔铁塔!更为复杂的是,整个结构必须在距离反应堆约200米的地方建造,以限制工人的辐射暴露,并且在完工后需要在现有的“避难所”和相关结构上滑动。虽然许多部件的制造可以在工厂完成,但现场的准备、搭建、配置和安装必须在现场完成,人员面临着相关的辐射危险。

安装内部包覆层的工人在巨大的拱形结构面前显得很渺小©ChNPP

主要目标——防止放射性粒子的释放

创新的拱形结构采用12米厚、由结构钢管制成的三维格构框架。由于不锈钢包覆层完全包裹了格架内外的拱形结构,“避难所” 被新安全围堵体(NSC)严格包围限制。格构框架在其内层和外层之间形成了一个12米宽的环形空间。为了确保内部空气不会泄漏到大气中,环形空间将保持轻微的超压,而拱形下方的体积将保持在负压状态。这样,环形空间就提供了额外的保护,防止污染物的泄漏。


包覆的金属墙将拱门两端封闭起来。在东端,4米厚的隔墙,其轮廓被打造成与现有的反应堆建筑的轮廓紧密贴合。当结构安装到位后,将连接到隔墙上的密封板远程操作安放好并密封墙壁。在西端,一堵8米厚的墙封闭了拱形结构下的开放空间。两端的墙体都悬挂在拱形结构上,以免将任何负荷转移到现有结构上。一个封闭可拆除的信息和控制中心位于西墙外并与之相邻。

防止腐蚀

除湿后的空气不断地被吹入环形空间,以保持相对湿度低于40%。受控制的通风和加压的相结合可防止钢结构格架腐蚀的发生,两面隔墙采用与环形拱形空间相同的内部大气控制措施。


拱形框架由400根直径813毫米、厚度12-40毫米的S355碳锰钢圆钢管制成,这些钢管的质量与海上石油钻井平台使用的钢管质量相同。管道被焊接到加固支撑板上,形成节点板,由大约56万个张力控制螺栓连接。格构构件既有初始防腐涂层,也有额外的环氧涂层防腐蚀。


不锈钢围护结构
这个格构结构十分壮观,由于其内外都被不锈钢包覆层覆盖,其结构细节将被完全隐藏长达一个多世纪。鉴于不锈钢良好的耐久性、高耐腐蚀性能和机械强度,采用不锈钢是一个必然的选择。

拱形结构的内表皮采用无磁性的304不锈钢来最大限度地减少放射性尘埃的聚积,放射性尘埃会对拆除反应堆部件的工人造成威胁。内表面需要80000平方米、0.5毫米厚的不锈钢板,不锈钢包覆板紧密地安装在镀锌板上,板上没有肋条,以进一步减少灰尘的积聚。密封胶带和防火防辐射硅酮胶黏剂确保内墙密闭不透气。内部包覆板采用高反射性的光亮退火表面,以提高建筑内部的亮度。内部包覆板不需要隔热,但外表面采用了复杂的四层隔热包以满足严格的规范要求。

内部包覆层的安装 ©ChNPP

设计团队选用了含钼不锈钢作为外部包覆层,表面覆盖了88000平方米、489毫米宽、0.6毫米厚的316L不锈钢板型材。选择含钼2%的316L不锈钢是为了增强耐腐蚀性,确保100年预期寿命所需的耐久性。

不锈钢经过退火和酸洗,形成均匀的哑光外观,最大限度地减少了反射,以免妨碍飞行员的视线。

材料由Aperam公司提供,由Kalzip公司以1000米的钢卷交付到工地。316L不锈钢在现场被辊压成型制成100米长的屋面型材和50-70米长的东墙和西墙包覆型材。每天可加工成形多达200平方米的型材。将型材安装就位并卡入之前安装的304不锈钢紧固件(称为限位器)后,将下一个型材放置就位,使较大的接缝与较小的接缝重叠。紧固件采用316L自攻螺钉穿过防水膜安装。最后,一台特殊的接缝机将所有型材在整个长度上相互卷曲压接。

安装316L不锈钢外部包覆层需要具备登山技能© Novarka


施工和装配

由于持续的放射性物质排放,必须在距离受损反应堆建筑约200米的安全距离处建造新的封闭隔离结构。半拱在现场地面上制造和预装配,并同时安装外部隔热部件和包覆层,完成后,把每一半连接起来。这一过程需要一些精心规划的步骤,如下图所示:

1、组装第一个半拱的上段。  2、组装下段并与上段连接。  3、将第一个半拱提升到105米的最终高度,安装东墙。完成的第一个半拱被移动到等候区,为第二个半拱的组装腾出空间。4、组装第二个半拱。5、将两半连接起来,形成完整的拱形。6、组装桥式起重机并在85米高处吊装到位。它们用来拆除旧石棺,并清除受损反应堆的碎片©Novarka

如何移动围堵体

在现场准备过程中,精心排列的混凝土梁被建造成“轨道”,以便在特别设计和同步的“滑鞋”上移动结构。2014年3月,采用该方式将新完工的东半拱成功转移了300米,为西半拱的组装留出了空间。2015年7月,西拱包覆层完工,8月,两部分用近1000个螺栓连接并密封。在这些轨道上将完工后的新围堵体移动到旧石棺和第四单元建筑上方的最终位置。该项目2017年底完工,取得傲人的成功。在这个巨大的结构中,316L不锈钢帮助确保了百年的安全和封闭环境。

两个半拱连接在一起,建造完成,然后将其移至受损的反应堆上©ChNPP
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