海上小型核動力廠設(shè)計(jì)中若干安全問題

2023年12月14日發(fā)(作者：聽西瓜)

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海上小型核動力廠設(shè)計(jì)中若干安全問題

王玨; 陳力生; 蔡琦; 宮大鑫

【期刊名稱】《《科學(xué)技術(shù)與工程》》

【年(卷),期】2019(019)030

【總頁數(shù)】7頁(P9-15)

【關(guān)鍵詞】海上小型核動力廠; 設(shè)計(jì)安全; 海洋環(huán)境條件

【作 者】王玨; 陳力生; 蔡琦; 宮大鑫

【作者單位】海軍工程大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院 武漢 430033; 武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所 武漢430064

【正文語種】中 文

【中圖分類】TL48

建設(shè)海洋強(qiáng)國，是中國特色社會主義事業(yè)的重要組成部分。在建設(shè)海洋的過程中，能源供給是必須解決的問題。為維護(hù)綠色海洋，在消耗能源的同時也要盡可能減少污染物的排放。與傳統(tǒng)化石能源相比，核能供給能力強(qiáng)、燃料體積小、經(jīng)濟(jì)成本穩(wěn)定，且向外界排放的污染物有限，因而對于保障海洋建設(shè)具有重要的戰(zhàn)略意義。

目前，具備工程應(yīng)用基礎(chǔ)的海上小型核動力廠(如無特別說明，文中的核電廠指用于發(fā)電的陸上核設(shè)施；核動力廠指用于發(fā)電或其他供熱應(yīng)用的陸上核設(shè)施；核動力裝置指用于推進(jìn)的海上核設(shè)施，討論范圍僅限于壓水堆技術(shù))主要有兩大技術(shù)路線[1—3]：一是基于成熟的陸上核電技術(shù)，將核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)按比例縮小后移植于船舶或海洋工程平臺[4—6]，結(jié)合船用蒸汽電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)海上核能發(fā)電，其特點(diǎn)表現(xiàn)為“大”變“小”、“陸”轉(zhuǎn)“海”；二是基于成熟的艦船核動力裝置技術(shù)，通過設(shè)計(jì)改進(jìn)與優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)以生產(chǎn)電力或淡水等為主要任務(wù)的功能延伸[10，11]，其特點(diǎn)表現(xiàn)為“推進(jìn)”變“生產(chǎn)”。

對海上小型核動力廠而言，采用上述任何一種技術(shù)路線都將面臨一些共性的安全問題。為此，呂松澤等[12]從核安全監(jiān)督的視角出發(fā)，探討了在系泊試驗(yàn)、拖動和航行試驗(yàn)下針對海洋核動力平臺的監(jiān)督要求。程萍等[13]提出了一套適用于海洋核動力平臺的安全許可證申請方法。張延昌等[14]結(jié)合海上核電的優(yōu)勢及技術(shù)難度，提出了載體平臺的設(shè)計(jì)要求及要點(diǎn)。但前人對設(shè)計(jì)過程中涉及的核安全問題的研究較少且內(nèi)容多局限于單個議題。鑒于此，參考核電廠(包括小型核動力廠)的成熟設(shè)計(jì)與審評體系[15—20]，結(jié)合核動力裝置的安全要求[21—23]，以安全目標(biāo)與安全評價、海洋環(huán)境條件的影響、設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范、最終安全屏障的設(shè)計(jì)，以及事故下的放射性釋放等制約總體設(shè)計(jì)且受監(jiān)管部門重點(diǎn)關(guān)注的若干議題為出發(fā)點(diǎn)，探討海上小型核動力廠的設(shè)計(jì)安全。

1 安全目標(biāo)與安全評價

安全是核能的立身之本。在解決安全問題之初，首先應(yīng)設(shè)計(jì)一個預(yù)期的目標(biāo)。我國核安全法規(guī)提出了“在核動力廠中建立并保持對放射性危害的有效防御，以保護(hù)人與環(huán)境免受放射性危害”的基本安全目標(biāo)[24]，即通過控制風(fēng)險來確保核動力廠的安全。對于具體指標(biāo)，美國核管理委員會提出了定量的安全目標(biāo)，即“兩個千分之一”[25]：①對緊鄰核電廠的正常個體成員來說，由于反應(yīng)堆事故所導(dǎo)致立即死亡的風(fēng)險不應(yīng)該超過美國社會成員所面對的其他事故所導(dǎo)致的立即死亡風(fēng)險總和的千分之一；②對核電廠鄰近區(qū)域的人口來說，由于核電廠運(yùn)行所導(dǎo)致的癌癥死亡風(fēng)險不應(yīng)該超過其他原因所導(dǎo)致癌癥死亡風(fēng)險總和的千分之一。在此基礎(chǔ)上，業(yè)內(nèi)針對新建核動力廠提出了更具操作性的概率安全目標(biāo)[25]，即：①每運(yùn)行堆年嚴(yán)重堆芯損壞頻率小于10-5；②每運(yùn)行堆年大規(guī)模放射性釋放頻率小于10-6。該目標(biāo)實(shí)則是評價核動力廠設(shè)計(jì)安全的技術(shù)指標(biāo)，而非監(jiān)管部門的法定要求。

對于海上小型核動力廠，遠(yuǎn)離公眾、安全性高等特征使其與上述定量安全目標(biāo)的分析對象并不相符。但考慮監(jiān)管風(fēng)險、公眾接受度和首次工程應(yīng)用的潛在不確定性，上述概率安全目標(biāo)對于評價設(shè)計(jì)安全仍具有指導(dǎo)意義。在設(shè)計(jì)過程中，通過開展概率安全評價工作，一方面能夠發(fā)掘薄弱環(huán)節(jié)、改進(jìn)設(shè)計(jì)，從而平衡核動力廠的總體設(shè)計(jì)。另一方面，也能為針對性調(diào)整現(xiàn)有安全要求提供技術(shù)基礎(chǔ)。

除概率安全評價外，整個設(shè)計(jì)過程中還應(yīng)開展全面的確定論安全評價，包括對各類異常事件、假想事故(包括堆芯熔化等嚴(yán)重事故)開展論證分析。根據(jù)“切爾諾貝利”、“三哩島”和“福島”核事故的經(jīng)驗(yàn)反饋，雖然反應(yīng)堆堆芯發(fā)生解體或熔化的概率非常低，但由于后果異常嚴(yán)重，設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮控制其風(fēng)險。在嚴(yán)重事故的應(yīng)對策略中，維持堆芯熔融物的可冷卻性成為新建核動力廠的關(guān)鍵設(shè)計(jì)之一。對于海上小型核動力廠，考慮反應(yīng)堆外部多為鋼結(jié)構(gòu)，承擔(dān)熔融物消融的能力較差，故維持熔融物滯留于堆內(nèi)的策略總體更優(yōu)。設(shè)計(jì)中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注滯留策略的可靠性，如配置不依賴供電的非能動系統(tǒng)，以應(yīng)對全失電的事故情景。

2 海洋環(huán)境條件的影響

面臨復(fù)雜多變的海洋環(huán)境，是海上小型核動力廠區(qū)別于陸上同類核設(shè)施的典型標(biāo)志。對于各類核設(shè)施而言，廠址評價是建設(shè)項(xiàng)目可行性研究的重要工作，而廠址的可接受性又與擬建項(xiàng)目的設(shè)計(jì)息息相關(guān)[26]。在海上小型動力廠的設(shè)計(jì)中，應(yīng)關(guān)注作業(yè)海域或規(guī)定航線的外部事件，包括風(fēng)浪流、海冰、海生物等自然事件，以及船舶碰撞、直升機(jī)墜毀等人為事件[27，28]。綜合考慮核電、船舶及海洋工程領(lǐng)域的分析方法[28]，盡早確立環(huán)境要素和重現(xiàn)期等設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，以作為廠址安全評價、環(huán)境影響評價和船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等工作的基本輸入。

在海洋條件的作用下，海上小型核動力廠的載體平臺將呈現(xiàn)多自由度的運(yùn)動形態(tài)，如表1所示。設(shè)計(jì)中，應(yīng)確立不同工況下傾斜和搖擺的限定值(包括角度、周期等)，并針對不同類型的系統(tǒng)及設(shè)備開展適應(yīng)性分析。對于與汽、液長期接觸的設(shè)備，除關(guān)注鹽霧、霉菌等艙室環(huán)境影響外，還要格外關(guān)注電加熱元件裸露、閥門接管水淹和水位測量失真等安全問題。在正常及事故工況下，海洋條件引入的作用力會影響反應(yīng)堆冷卻劑的流動與換熱行為，破壞基于自然循環(huán)等機(jī)理的非能動安全系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，進(jìn)而威脅反應(yīng)堆的安全策略。

表1 船舶六自由度運(yùn)動Table 1 Six-degree-of-freedom motion of ships方向線性振蕩(延軸移動)搖擺(繞軸旋轉(zhuǎn))縱向(船艏-船艉)縱蕩縱搖橫向(左舷-右舷)橫蕩橫搖垂向(艙底-甲板)垂蕩艏搖

根據(jù)核安全相關(guān)要求[29]，核動力廠設(shè)計(jì)和安全評價使用的軟件應(yīng)通過監(jiān)管部門的鑒定并得到認(rèn)可。當(dāng)前國內(nèi)普遍使用的工程級安全評價軟件主要引自國外，其程序功能設(shè)定并未考慮海洋條件的影響。而在科研領(lǐng)域，國內(nèi)多家單位針對海洋條件下的安全評價開展了大量研究，并研發(fā)了特定的機(jī)理模型，但其普適性和保守型有待進(jìn)一步論證及優(yōu)化。考慮到配套軟件的研發(fā)及鑒定尚不充分，對于海上小型核動力廠的設(shè)計(jì)和安全評價，現(xiàn)階段以在常規(guī)計(jì)算結(jié)果上疊加保守度或在驗(yàn)收準(zhǔn)則上疊加保守懲罰的方法來考慮海洋條件的影響，將更具工程可操作性。例如，借鑒原日本原子能研究所、原船舶技術(shù)研究所等單位針對海洋條件影響的研究成果[30—35]，并結(jié)合專家判斷的方式，初步確定合理的保守裕量。與此同時，應(yīng)盡早開展試驗(yàn)驗(yàn)證、不同程序?qū)Ρ闰?yàn)算等工作，為適用性程序的開發(fā)積累驗(yàn)證數(shù)據(jù)。

此外，海洋環(huán)境也為核動力廠的日常運(yùn)行支持和事故下應(yīng)急增加了困難。缺乏外界補(bǔ)給的“孤島運(yùn)行”，成為設(shè)計(jì)中必須考慮的基本情景。以廠用電系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，由于無廠外電力供應(yīng)(核電廠要求有兩路獨(dú)立的外電網(wǎng)供電)，設(shè)計(jì)中就要通過設(shè)置綜合手段(如柴油機(jī)、蓄電池和燃?xì)廨啓C(jī)等)來維持供電的冗余性，提高事故下整廠的自持能力。 3 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范

標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的采用原則及具體清單是指導(dǎo)設(shè)計(jì)工作的頂層文件，應(yīng)在前期階段予以明確。對于新型核動力廠，通常缺乏完善且配套的標(biāo)準(zhǔn)體系，因此有必要對已有體系開展適用性分析。中國在發(fā)展核電的過程中曾引進(jìn)、消化了國外的成熟技術(shù)及配套標(biāo)準(zhǔn)體系，以M310機(jī)型為代表的第二代核電技術(shù)以法國核電廠設(shè)計(jì)和建造規(guī)則為依據(jù)，而以AP1000機(jī)型為代表的第三代非能動技術(shù)，設(shè)計(jì)中則以美國機(jī)械工程師學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)、核學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)等為依據(jù)。在吸納國外標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)核電項(xiàng)目實(shí)踐，中國也逐步建立了自主化的標(biāo)準(zhǔn)體系[36，37]。

對于海上小型核動力廠，其載體平臺的安全與核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)的安全互有影響、關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，兩者共同構(gòu)成總體安全，這是與核電廠的一大顯著區(qū)別。因此，設(shè)計(jì)中有必要考慮船舶領(lǐng)域的相關(guān)要求，如國際海上人命安全公約、鋼質(zhì)海船及海上浮式裝置的入級規(guī)范[38—41]。伴隨核商船和核動力破冰船的發(fā)展，國際海事組織、俄羅斯船級社等機(jī)構(gòu)陸續(xù)發(fā)布了配套的安全規(guī)范，中國也針對核動力裝置制定了成熟的艦船標(biāo)準(zhǔn)[42]，均具有重要的參考價值。

綜上，對于海上小型核動力廠的設(shè)計(jì)，雖無配套的完善標(biāo)準(zhǔn)體系可供采用，但有多個成熟的體系可供參考，包括中國自主化的核電標(biāo)準(zhǔn)和成熟的軍用標(biāo)準(zhǔn)，國外成熟的核電標(biāo)準(zhǔn)，以及國際和國內(nèi)外的船舶標(biāo)準(zhǔn)。與此同時，設(shè)計(jì)中應(yīng)關(guān)注標(biāo)準(zhǔn)與法規(guī)的自洽性。

為避免出現(xiàn)法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)層次錯位、不同體系混亂引用等現(xiàn)象，并充分借鑒參考堆型的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，針對海上小型核動力廠設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)問題提出建議如下。

(1)梳理適用的核安全法規(guī)(包含核電、船舶領(lǐng)域的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn))，必要時針對部分專題自行編制設(shè)計(jì)總則，作為標(biāo)準(zhǔn)體系的頂層要求。此類設(shè)計(jì)要求應(yīng)及時提交監(jiān)管部門審查、認(rèn)可。

(2)根據(jù)參考堆型的技術(shù)路線，明確基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)體系。例如，第三代非能動技術(shù)以“美系”標(biāo)準(zhǔn)為主，核動力裝置以艦船標(biāo)準(zhǔn)為主等。

(3)對于革新性設(shè)計(jì)，結(jié)合具體設(shè)計(jì)編制配套的設(shè)計(jì)要求，以“設(shè)計(jì)準(zhǔn)則”的形式與監(jiān)管部門開展溝通。

(4)設(shè)計(jì)工作開展至一定深度后，啟動自主化體系建設(shè)工作，以完善國內(nèi)核電和船舶的標(biāo)準(zhǔn)體系。

4 最終安全屏障的設(shè)計(jì)

為預(yù)防事故的發(fā)生和減輕事故的后果，核動力廠采用縱深防御的安全理念，在設(shè)計(jì)中通過設(shè)置多道實(shí)體屏障，實(shí)現(xiàn)對放射性物質(zhì)的有效包容。其中，最后一道屏障——安全殼(又稱反應(yīng)堆廠房)用于包容反應(yīng)堆及其輔助系統(tǒng)等重要物項(xiàng)，通常配備安全殼噴淋等多個輔助系統(tǒng)，協(xié)同實(shí)現(xiàn)熱量導(dǎo)出、放射性消除和輻射源屏蔽等功能。安全殼的設(shè)計(jì)壓力、自由容積及相關(guān)系統(tǒng)的容量等關(guān)鍵參數(shù)，由針對設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故的確定論安全評價確定[43—46]。此外，陸上核電廠還要求安全殼在結(jié)構(gòu)上能應(yīng)對商用飛機(jī)的惡意撞擊等外部事件。

對于海上小型核動力廠，其安全殼面臨新的內(nèi)、外部環(huán)境條件。由于船舶的空間和載重有限，故設(shè)計(jì)中希望盡可能縮小其幾何尺寸并維持方形結(jié)構(gòu)，這就對殼體的壓力、熱載荷和機(jī)械載荷承受能力提出了更高要求。在船舶平臺上，安全殼將被船體結(jié)構(gòu)(如反應(yīng)堆艙室)包容，不再直接暴露于大氣環(huán)境中。此時，堆艙作為船體結(jié)構(gòu)的組成部分，應(yīng)滿足船舶設(shè)計(jì)規(guī)范的安全要求，如船舶碰撞防護(hù)、水密性和穩(wěn)性等。簡言之，海上小型核動力廠安全殼和堆艙及其系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)極具“船”“核”結(jié)合屬性。提出以下設(shè)計(jì)建議：

(1)同時設(shè)置安全殼及堆艙。其中，安全殼及其系統(tǒng)承擔(dān)余熱導(dǎo)出及放射性包容的核安全功能。堆艙及其結(jié)構(gòu)承擔(dān)碰撞保護(hù)等船舶安全功能，并作為放射性包容的一道輔助屏障。

(2)針對安全殼及堆艙的選材、試驗(yàn)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，盡早編制配套的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，包括泄漏率許可指標(biāo)、飛機(jī)機(jī)型及撞擊方式等內(nèi)容。結(jié)合專家判斷等方式，形成符合監(jiān)管要求的指導(dǎo)性文件。

(3)通過新型設(shè)計(jì)，如一體化布置取消主管道等方式，使設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故降級或從實(shí)際上消除，從而減小安全殼的設(shè)計(jì)壓力及自由容積等，增加船舶設(shè)計(jì)的靈活性。

(4)借鑒國外核動力船舶的成熟經(jīng)驗(yàn)[47]，設(shè)置安全殼抑壓系統(tǒng)等緩解措施，更有效地實(shí)現(xiàn)安全殼的設(shè)計(jì)功能。

5 事故下的放射性釋放

為實(shí)現(xiàn)基本安全目標(biāo)，設(shè)計(jì)過程中必須對特定事故序列導(dǎo)致的放射性釋放(即“事故源項(xiàng)”)開展分析論證，計(jì)算事故源項(xiàng)在廠址周邊氣象條件下造成的放射性后果，并確保邊界處假想人員的吸收劑量滿足法定要求。綜合安全和管理的考慮，中國對相關(guān)“邊界”作出了規(guī)定，即核動力廠周圍必須設(shè)計(jì)非居住區(qū)和規(guī)劃限制區(qū)[48—50]。另外，為便于應(yīng)急準(zhǔn)備與響應(yīng)的實(shí)施，還應(yīng)設(shè)置應(yīng)急計(jì)劃區(qū)[51，52]。在測算以上“三區(qū)”的范圍時，事故源項(xiàng)是關(guān)鍵的設(shè)計(jì)輸入，因而成為監(jiān)管部門的重點(diǎn)關(guān)注項(xiàng)。

對于大型商用核電廠，事故源項(xiàng)的分析方法和監(jiān)管要求均較為成熟[53]，設(shè)計(jì)中可直接采用相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范[54—58]。與此不同的是，小型核動力廠的用途已由單一的電力生產(chǎn)擴(kuò)展至了發(fā)電、供熱和供汽等多任務(wù)。出于經(jīng)濟(jì)性等因素的考慮，縮短各類“邊界”的范圍、盡可能地靠近用戶將成為其頂層設(shè)計(jì)目標(biāo)，包括將應(yīng)急計(jì)劃區(qū)限制在廠址邊界[59]，實(shí)現(xiàn)非居住區(qū)、規(guī)劃限制區(qū)和應(yīng)急計(jì)劃區(qū)的“三區(qū)合一”。而現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的計(jì)算模型偏保守，難以滿足監(jiān)管部門“保證實(shí)際消除有大量放射性物質(zhì)釋放的可能性”的針對性要求。為考慮小型核動力廠的安全特征，匹配前述設(shè)計(jì)目標(biāo)及安全要求，有必要針對具體設(shè)計(jì)開發(fā)專門的事故分析模型，并對概率安全評價確定的一系列事故序列開展分析，獲得合適的事故源項(xiàng)，即“機(jī)理源項(xiàng)法”[60，61]。 上述技術(shù)見解同樣適用于海上小型核動力廠，值得注意的是，后者實(shí)際包含多個廠址，包括建造廠址、運(yùn)行廠址和維修廠址等。由于“機(jī)理源項(xiàng)法”對設(shè)計(jì)深度有一定要求，故應(yīng)盡早確定各廠址的設(shè)計(jì)目標(biāo)，及時啟動各項(xiàng)工作。

6 結(jié)論與建議

針對海上小型核動力廠設(shè)計(jì)中的若干安全問題進(jìn)行探討，得出以下基本見解。

(1)在著手設(shè)計(jì)之前，應(yīng)先明確量化的安全目標(biāo)。當(dāng)前，建議采納新建核動力廠通用的概率安全目標(biāo)，借助概率安全評價來衡量設(shè)計(jì)方案。對于確定論安全評價，應(yīng)考慮設(shè)置熔融物堆內(nèi)滯留等策略應(yīng)對嚴(yán)重事故。

(2)應(yīng)特別關(guān)注海洋環(huán)境條件的影響，包括：①盡早確定外部事件，包括風(fēng)浪流、海生物和船舶碰撞等的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)；②開展系統(tǒng)和設(shè)備在傾斜與搖擺條件下的適用性分析，海洋條件對安全評價軟件的影響，建議當(dāng)前以直接增加保守裕量的方式考慮；③基于“孤島運(yùn)行”的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)中應(yīng)完善應(yīng)急動力(包括柴油機(jī)、蓄電池等)的設(shè)計(jì)，以提高事故下整廠的自持能力。

(3)在前期設(shè)計(jì)階段，應(yīng)明確設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的原則，建議以參考堆型的技術(shù)特征為參考，成套地選擇標(biāo)準(zhǔn)作為基礎(chǔ)，并結(jié)合自身特點(diǎn)編制配套的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。同時，關(guān)注與適用法規(guī)的一致性，以及自主化標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)。

(4)建議同時設(shè)置安全殼及堆艙作為最終安全屏障，安全殼設(shè)計(jì)應(yīng)考慮船舶的選材與布置特點(diǎn)，堆艙設(shè)計(jì)應(yīng)滿足碰撞保護(hù)、水密性和穩(wěn)性等船舶要求。

(5)關(guān)于事故下的放射性釋放，宜基于針對性的計(jì)算模型開展機(jī)理性事故源項(xiàng)分析，以作為縮小“三區(qū)”范圍甚至實(shí)現(xiàn)“三區(qū)合一”的技術(shù)支撐。

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