地下核電站可行性分析及基于MCDA技術(shù)的優(yōu)選

齊厚博，牛風(fēng)雷，玉 宇，王升飛

（華北電力大學(xué) 核科學(xué)與工程學(xué)院，北京 102206）

世界范圍內(nèi)在運(yùn)行的核電站大多建于地上，不僅占地面積廣、對(duì)電站周?chē)h(huán)境要求嚴(yán)格，且一旦出現(xiàn)核事故，放射性物質(zhì)隨大氣擴(kuò)散，將造成嚴(yán)重的后果。將核電站建于地下則能彌補(bǔ)以上不足，地下核電站相對(duì)于傳統(tǒng)核電站有著更好的安全性和經(jīng)濟(jì)性，國(guó)際上已有國(guó)家成功建設(shè)并運(yùn)行了地下核電站。近年來(lái)，中國(guó)也開(kāi)始了對(duì)地下核電站的初步探索，但目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的地下核電站資料相對(duì)較少，缺乏對(duì)其安全性和可行性科學(xué)具體的理論分析及經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)，因此迫切需要開(kāi)展地下核電站的探索性研究，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)我國(guó)在地下核電站領(lǐng)域研究的突破。本文分析各地下核電站方案的可行性，并對(duì)可行方案使用多判據(jù)決策分析（MCDA）技術(shù)進(jìn)行綜合評(píng)估及優(yōu)選，為我國(guó)地下核電站建造類(lèi)型的選擇提供理論依據(jù)。

1 地下核電站設(shè)計(jì)方案及可行性分析

1.1 隧道式地下核電站

目前國(guó)際上已有的隧道式地下核電站沒(méi)有傳統(tǒng)意義上的安全殼，而是用堅(jiān)硬的巖石代替，形成天然的安全屏障，從而降低了建造成本，巖石可選用強(qiáng)度較大的花崗巖、層狀巖、穹頂巖等，采用肋狀結(jié)構(gòu)，以拱形的巖石作支撐。隧道式地下核電站用隧道將乏燃料儲(chǔ)存池、處理池和反應(yīng)堆相連通，使得乏燃料的處理和運(yùn)輸均在地下進(jìn)行，提高了過(guò)程的安全性，并且核電站整體采用就地建造、就地退役的方式，以降低成本［1］。地下核電站燃料循環(huán)由開(kāi)式循環(huán)和閉式循環(huán)構(gòu)成，新增加的開(kāi)式循環(huán)由一系列反應(yīng)堆、特殊的儲(chǔ)存設(shè)備、高放廢物儲(chǔ)存池組成。開(kāi)閉兩循環(huán)的結(jié)合提高了地下核電站的廢物處理能力［2］。

國(guó)外已有的隧道式地下核電站應(yīng)用的實(shí)例充分說(shuō)明了隧道式地下核電站的設(shè)計(jì)方案的可行性，我國(guó)地質(zhì)資源豐富，巖石種類(lèi)多樣，符合建設(shè)要求，因此傳統(tǒng)的建造方案在我國(guó)依然是可行的。

1.2 隧道式地下核電站改進(jìn)方案

日前，有學(xué)者提出了將隧道式地下核電站蒸汽發(fā)生器的位置提高，置于地面，從而加大蒸汽發(fā)生器與壓力容器間的距離，設(shè)想利用兩者間的高度差提供的壓頭實(shí)現(xiàn)一回路的自然循環(huán)，取代主泵的作用，降低成本。本文以AP1000為研究對(duì)象，進(jìn)行熱工水力學(xué)的計(jì)算以驗(yàn)證其可行性。

利用一回路的自然循環(huán)，則驅(qū)動(dòng)壓頭完全由高度差和密度差產(chǎn)生，公式如下。

式 中：d 為 通 道 直 徑；ρ為 流 體 密 度；v 為 流 體 速度；l為通道長(zhǎng)度，ξ為通道表面絕對(duì)粗糙度。

加速壓降：

式中：v1、v2分別為流體在截面1、2處的速度；G 為質(zhì)量流密度，G＝ρv；ρ1、ρ2 分別為流體在截面1、2處的密度。

局部壓降（用于彎管）：

式中，K 為形阻系數(shù)，由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。

則由守恒關(guān)系得：

式中：Δρ為壓力容器出口冷卻劑與蒸汽發(fā)生器出口冷卻劑密度差；h 為蒸汽發(fā)生器與壓力容器間的高度差。

為計(jì)算方便，忽略局部壓降，只考慮加速壓降和摩擦壓降，并將冷卻劑從壓力容器到蒸汽發(fā)生器的循環(huán)過(guò)程分為4部分進(jìn)行計(jì)算。圖1為地下核電站一回路循環(huán)流動(dòng)示意圖。

圖1 地下核電站一回路循環(huán)流動(dòng)示意圖Fig.1 Primary loop flow diagram of underground nuclear power plant

以AP1000為計(jì)算對(duì)象，在粗略計(jì)算中，對(duì)于AP1000的冷卻劑管道只計(jì)算1 個(gè)回路，且只計(jì)算回路中的1個(gè)冷管道和1個(gè)熱管道，取蒸汽發(fā)生器最長(zhǎng)的傳熱管進(jìn)行計(jì)算，并假設(shè)該傳熱管長(zhǎng)為26m。為保證自然循環(huán)，本文分別選取蒸汽發(fā)生器與壓力容器的高度差為1 000m及2 000m 進(jìn)行計(jì)算，并設(shè)蒸汽發(fā)生器與壓力容器間傳熱彎管為1／4 圓弧，將AP1000相關(guān)數(shù)據(jù)［3］代入各式可得結(jié)果如下。

1）高度差為1 000m，經(jīng)計(jì)算得：

由于壓力容器中傳熱損失較為復(fù)雜，現(xiàn)取大亞灣核電站中壓力容器總壓降0.307 6 MPa為參考值，由總方程式解得v＝1.703 6m／s，流量Q＝0.835m3／s。

2）高度差為2 000m，計(jì)算過(guò)程同上，最后可得流速v＝2.2m／s，熱管段流量Q＝1.08m3／s。

高度2 000m 在施工設(shè)計(jì)中已經(jīng)很高，且在計(jì)算中還忽略了局部壓降和加速壓降等諸多損失，但即便在這種情況下通過(guò)計(jì)算可得在高度2 000m 時(shí)熱管段的流量Q＝1.08m3／s比正常情況下的11.207 m3／s仍要小1 個(gè)數(shù)量級(jí)，流量過(guò)小會(huì)使得傳熱不足，使回路存在危險(xiǎn)，所以經(jīng)過(guò)論證可知，單純的通過(guò)提高蒸汽發(fā)生器的高度、去掉主泵來(lái)建立一回路自然循環(huán)的設(shè)想不可行。

1.3 水電核電結(jié)合式地下核電站

將核電站移至山中與水電站相結(jié)合，將提高水電核電聯(lián)合電站的發(fā)電效率，有效緩解華中地區(qū)的缺電問(wèn)題。陸佑楣提出的在三峽地區(qū)建設(shè)地下核電站的設(shè)計(jì)方案具有一定的可行性［4］。方案將核島部分置于地下，常規(guī)島置于地面，核島產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽可通過(guò)布置在隧道內(nèi)的管道輸向常規(guī)島，同時(shí)核電站的核島可利用三峽水電站的庫(kù)水作為冷卻水，節(jié)省水循環(huán)的耗能。將水電站和核電站組合，核電站將承擔(dān)電力負(fù)荷的基本負(fù)荷，水電站則承擔(dān)電力負(fù)荷曲線中的腰荷和峰荷，從而形成強(qiáng)大而又無(wú)排放的清潔電源［4］，切實(shí)解決水電站受季節(jié)和氣候影響導(dǎo)致的發(fā)電量不穩(wěn)定問(wèn)題。

三峽庫(kù)區(qū)地形較為復(fù)雜，巖石種類(lèi)繁多［4］。地質(zhì)特征為三峽水電站附近建設(shè)地下核電站提供了物質(zhì)前提。且三峽水電站附近耕地較少，生存生產(chǎn)條件惡劣，故建設(shè)地下核電站時(shí)無(wú)需考慮耕地與居民生活等問(wèn)題。地下核電站與水電站相結(jié)合，不僅解決了地下核電站的冷卻水問(wèn)題，同時(shí)水電站水庫(kù)與地下核島的高度差使得非能動(dòng)安注成為可能。中國(guó)目前已有很多地下水電站實(shí)例，具備了地下廠房建造技術(shù)，且抗震能力符合要求［4］，具備建造此類(lèi)地下核電站的條件。

1.4 煤礦采空區(qū)地下核電站

我國(guó)是煤炭大國(guó)，試想將地下核電站建于廢棄的地下煤礦中，則既可充分再利用廢棄資源，又降低了地下核電站的開(kāi)鑿成本。由于埋藏在地下的礦體被掘空后可能發(fā)生裂隙和斷移，造成采空圍巖失穩(wěn)，故此類(lèi)地下核電站建造時(shí)不僅需采取有效措施修復(fù)礦體周?chē)鷰r石避免其斷移，還要具有與地面核電站相同的安全殼結(jié)構(gòu)。核反應(yīng)堆采用直徑幾m 的小型堆，電站整體占地面積較小。此外，設(shè)計(jì)將壓力容器置于硼酸水中，當(dāng)壓力容器損壞后，仍有含硼水作為中子吸收劑及冷卻劑，球形的含硼水容器外面由1層不銹鋼和鋼筋混凝土材料包裹，整個(gè)裝置嵌在由活性炭和干水泥構(gòu)成的混合物中。一旦不銹鋼和鋼筋混凝土材料破裂，活性炭仍可吸附放射性氣體，成為防止放射性氣體外逸的最后一道防線。同時(shí)，干水泥可阻止從壓力容器中泄漏的放射性液體，起到了多層保護(hù)的作用，使電站的安全性得以充分的保證。該方案核電站的整體建造海拔降低，可充分利用水的重力作用為核島的冷卻提供保障。

我國(guó)煤礦分布廣泛，地下煤礦的占地面積較廣，其面積滿足地下核電站所需。調(diào)查顯示，平均開(kāi)采深度已超過(guò)400m，并將進(jìn)一步加深，深度可達(dá)到冷卻水的非能動(dòng)安注要求［5］。地下煤礦的采煤廢水及礦井水的年排水量約達(dá)22億m3［5］，可有效解決內(nèi)陸地下核電站的冷卻水問(wèn)題。

2 基于多判據(jù)決策分析的地下核電站建設(shè)方案優(yōu)選

為綜合多種因素對(duì)上述地下核電站方案進(jìn)行優(yōu)選，研究運(yùn)用多判據(jù)決策分析技術(shù)，以地下核電站的安全性、經(jīng)濟(jì)效益、對(duì)環(huán)境的影響、施工的困難程度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，在多種地下核電站方案中篩選出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。MCDA 技術(shù)是一種科學(xué)、客觀、有效的決策分析工具，能幫助決策者系統(tǒng)合理地解決復(fù)雜的決策問(wèn)題，可收集、儲(chǔ)存及處理定量的數(shù)據(jù)［6］。目前，已有國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)MCDA技術(shù)進(jìn)行了大量探索研究，并將其成功應(yīng)用于各種決策分析問(wèn)題中，使樣本排序結(jié)果更加合理與客觀［7］。

地下核電站設(shè)計(jì)方案的優(yōu)選，基于“目標(biāo)體系建立—評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重識(shí)別—備選方案集生成—方案優(yōu)化和比選”的技術(shù)路線，具體步驟包括：1）建立地下核電站的安全性、經(jīng)濟(jì)效益、對(duì)環(huán)境的影響、施工的困難程度4個(gè)調(diào)度評(píng)價(jià)目標(biāo)；2）以問(wèn)卷調(diào)查的方式，根據(jù)相關(guān)人員對(duì)調(diào)度評(píng)價(jià)指標(biāo)重要性的判定，結(jié)合統(tǒng)計(jì)分析及模糊理論，獲得不同調(diào)度評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重；3）根據(jù)上文中對(duì)各種地下核電站設(shè)計(jì)方案的介紹，結(jié)合問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果，基于統(tǒng)計(jì)分析方法生成不同方案集合；4）運(yùn)用MCDA 技術(shù)，對(duì)不同的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行逐一分析，篩選出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

在地下核電站設(shè)計(jì)方案優(yōu)選過(guò)程中，問(wèn)卷調(diào)查是獲取信息的有效途徑，能較好地反映核電專(zhuān)家的意見(jiàn)與想法，從而幫助生成最優(yōu)的方案。設(shè)計(jì)的調(diào)查問(wèn)卷表包括：1）地下核電站評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要性判定（設(shè)計(jì)為4個(gè)層次：非常重要、重要、中等重要和不重要）；2）專(zhuān)家打分表，通過(guò)不同核電專(zhuān)家對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的打分，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析及求取平均分等方法，獲得不同評(píng)價(jià)目標(biāo)的分?jǐn)?shù)值，從而獲得各方案在不同評(píng)價(jià)指標(biāo)角度的優(yōu)選排序。

2.1 基于模糊理論的多判據(jù)決策分析技術(shù)

1）權(quán)重確定方法

運(yùn)用MCDA 技術(shù)進(jìn)行決策備選方案的優(yōu)選時(shí)，需獲得不同屬性指標(biāo)的權(quán)重。因此假設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系包括n 個(gè)屬性指標(biāo)，而每個(gè)屬性指標(biāo)又包含r個(gè)評(píng)價(jià)層次，則屬性指標(biāo)的權(quán)重可表示為：

式中：Pjh為屬性指標(biāo)j 在評(píng)價(jià)層次h 下的比例；WPh為評(píng)價(jià)層次h 模糊術(shù)語(yǔ)對(duì)應(yīng)的確定數(shù)。WPh是可根據(jù)實(shí)際情況，人為賦予模糊術(shù)語(yǔ)以對(duì)應(yīng)的確定數(shù)；也可是基于平均L-R 計(jì)分法［8］，將模糊術(shù)語(yǔ)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的模糊集合，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為確定數(shù)。

2）矩陣標(biāo)準(zhǔn)化方法

運(yùn)用MCDA 技術(shù)進(jìn)行決策備選方案的優(yōu)選時(shí)，需進(jìn)行判別矩陣的標(biāo)準(zhǔn)化，以實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的規(guī)范化。在本文決策分析過(guò)程中，運(yùn)用矢量標(biāo)準(zhǔn)化方法，可表示為：

式中：i為決策備選方案；j為屬性指標(biāo)；xij為屬性指標(biāo)值。

3）多判據(jù)決策分析方法

在使用MCDA 技術(shù)時(shí)，本文借助于多目標(biāo)問(wèn)題的理想解和負(fù)理想解對(duì)決策備選方案進(jìn)行排序，確定決策備選方案排序的基本步驟［9］如下。

（1）構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化矩陣R＝｛rij｝：基于矢量標(biāo)準(zhǔn)化表達(dá)式（8），將判別矩陣轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)化矩陣。

（2）構(gòu)建加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣V＝｛vij｝：基于屬性指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化矩陣R，可得：

其中：wj為第j 個(gè)屬性指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)；rij為矢量標(biāo)準(zhǔn)化后的屬性指標(biāo)值。

（3）確定理想解（IA）與負(fù)理想解（WA）：

其中：J1為效益型屬性指標(biāo)數(shù)；J2為成本型屬性指標(biāo)數(shù)。

（4）確定各決策備選方案的綜合評(píng)價(jià)值Ui：基于歐幾里德距離的求解方法，分別得到?jīng)Q策備選方案到理想解的距離（ISi）和到非理想解的距離（WSi），從而得到各方案的綜合評(píng)價(jià)值：

計(jì)算出Ui后，根據(jù)Ui確定決策方案的優(yōu)劣。Ui越大，對(duì)應(yīng)的決策備選方案越好。

2.2 決策方案權(quán)重的生成及分析

在地下核電站的設(shè)計(jì)方案的優(yōu)選過(guò)程中，安全性、經(jīng)濟(jì)效益、對(duì)環(huán)境的影響和施工的困難程度被選作方案篩選的評(píng)價(jià)指標(biāo)。專(zhuān)家調(diào)查問(wèn)卷的結(jié)果是確定地下核電站優(yōu)選方案的主要參考依據(jù)，基于問(wèn)卷調(diào)查的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，得到不同調(diào)度評(píng)價(jià)指標(biāo)在不同評(píng)價(jià)層次下的比例；同時(shí)，賦予具有模糊特性的評(píng)價(jià)層次以確定的數(shù)值（設(shè)定非常重要為10分，重要為7.5分，中等重要為5分，不重要為2.5分，可忽視為0分），經(jīng)專(zhuān)家打分，運(yùn)用權(quán)重確定方法，可獲取各調(diào)度評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重（圖2）。

圖2 地下核電站評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重Fig.2 Evaluation index weight of underground nuclear power plant

結(jié)果表明：不同調(diào)度評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重不同；安全性權(quán)重（0.278）最大，其次是對(duì)環(huán)境的影響權(quán)重（0.266）和經(jīng)濟(jì)效益權(quán)重（0.229），施工困難程度權(quán)重（0.227）最小。權(quán)重的大小代表著地下核電站各指標(biāo)的重要程度。

2.3 優(yōu)選結(jié)果及分析

1）單項(xiàng)指標(biāo)下的方案優(yōu)選及分析

專(zhuān)家調(diào)度問(wèn)卷表回收后，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理求取平均值，從而獲得各方案不同指標(biāo)下的平均分?jǐn)?shù)（表1）。

表1 各地下核電站方案在不同指標(biāo)下的平均分?jǐn)?shù)Table 1 Average score of each underground nuclear power plant under different indexes

表1的數(shù)據(jù)中，設(shè)定安全性、經(jīng)濟(jì)效益、對(duì)環(huán)境的影響3項(xiàng)指標(biāo)得分越高越優(yōu)，而施工困難程度指標(biāo)得分越低越優(yōu)。由表1 的數(shù)據(jù)可知：在地下核電站的設(shè)計(jì)方案中，從安全性和對(duì)環(huán)境的影響角度分析，隧道式地下核電站最優(yōu)；從經(jīng)濟(jì)效益角度分析，水電核電結(jié)合式核電站最優(yōu)；而從施工困難程度角度分析，煤礦采空區(qū)地下核電站的方案最優(yōu)。通過(guò)優(yōu)選結(jié)果可知，各地下核電站設(shè)計(jì)方案有著不同的優(yōu)點(diǎn)和側(cè)重，從不同的角度分析，會(huì)得出不同的優(yōu)選方案。

2）基于MCDA 技術(shù)的方案優(yōu)選及分析

經(jīng)過(guò)綜合分析，將各方案的專(zhuān)家打分值制作成為矩陣，矩陣經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化及加權(quán)處理后得到了加權(quán)矩陣，繼而得到了各方案的理想解和非理想解，最后求得各方案的綜合評(píng)價(jià)值（Ui）如下：隧道式地下河電站，0.60；水電核電結(jié)合式地下河電站，0.53；煤礦采空區(qū)地下核電站，0.35。

本方法已定義綜合評(píng)價(jià)值越大，對(duì)應(yīng)的決策備選方案越好。經(jīng)過(guò)綜合分析安全性、經(jīng)濟(jì)效益、對(duì)環(huán)境的影響、施工困難程度4 項(xiàng)指標(biāo)后，由分析結(jié)果可知：1）隧道式地下核電站的綜合評(píng)價(jià)值（0.60）最大，說(shuō)明該方案在綜合分析上是最佳的。在方案優(yōu)選的過(guò)程中，權(quán)重是重要的判斷因素，由于安全性和對(duì)環(huán)境影響兩個(gè)指標(biāo)權(quán)重較大，故在這兩個(gè)指標(biāo)下均較優(yōu)的隧道式地下核電站在綜合評(píng)定中得分較高，成為了最終綜合最佳方案。2）水電核電結(jié)合式地下核電站綜合評(píng)價(jià)值（0.53）排在第2位，說(shuō)明在綜合分析上該方案是次于隧道式的優(yōu)選方案。雖然從經(jīng)濟(jì)效益角度分析，該方案是最優(yōu)的，甚至專(zhuān)家打分的平均分遠(yuǎn)高于另外兩種方案，但由于經(jīng)濟(jì)效益的權(quán)重較小，使得其綜合分?jǐn)?shù)不占優(yōu)勢(shì)。3）煤礦采空區(qū)地下核電站綜合評(píng)價(jià)值（0.35）排在最末位，說(shuō)明經(jīng)過(guò)綜合分析，該方案相對(duì)另外兩種方案較差。雖然在優(yōu)選過(guò)程中，該方案在施工困難程度上來(lái)講是最容易的，但由于施工困難程度的權(quán)重最小，該優(yōu)勢(shì)在綜合分析上體現(xiàn)得并不明顯。此外，從權(quán)重最大的安全性角度，非理想解又出現(xiàn)在此方案上，故綜合來(lái)看該方案的打分最低，且與另外兩種方案差距明顯。

最終的優(yōu)選結(jié)果表明：即便水電核電結(jié)合式地下核電站和煤礦采空區(qū)地下核電站相對(duì)于隧道式電站有了很大的創(chuàng)新和優(yōu)越性（例如經(jīng)濟(jì)效益增強(qiáng)、施工困難程度減小等），但同時(shí)也帶來(lái)了很多弊端和技術(shù)難題，特別是降低了安全性以及增大了對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，故在最終的綜合優(yōu)選中被淘汰?？v觀整個(gè)方案優(yōu)選的過(guò)程，核電站建造及運(yùn)行的首要保障是安全性和對(duì)環(huán)境的影響，脫離了這兩個(gè)最重要的指標(biāo)，即使有很大的經(jīng)濟(jì)利益或施工優(yōu)勢(shì)，該設(shè)計(jì)方案也不會(huì)成為最佳的方案。

3 結(jié)論

1）地下核電站在中國(guó)具有廣闊的研究前景，其中隧道式地下核電站、水電核電結(jié)合式地下核電站及煤礦采空區(qū)地下核電站經(jīng)分析在國(guó)內(nèi)現(xiàn)有條件下均可行。

2）以AP1000 為例進(jìn)行熱工水力學(xué)計(jì)算可證實(shí)，增大蒸汽發(fā)生器與反應(yīng)堆之間的距離，完全利用高度差提供的驅(qū)動(dòng)壓頭實(shí)現(xiàn)自然循環(huán)的設(shè)計(jì)構(gòu)想不可行。

3）對(duì)可行方案在安全性、經(jīng)濟(jì)效益、對(duì)環(huán)境的影響及施工困難程度4 方面運(yùn)用MCDA技術(shù)進(jìn)行優(yōu)選，結(jié)果顯示各方案有不同的優(yōu)點(diǎn)及側(cè)重，但綜合4項(xiàng)指標(biāo)分析后可得隧道式地下核電站為最佳方案。綜合優(yōu)選結(jié)果表明安全性和對(duì)環(huán)境的影響在地下核電站建造中較為重要。

［1］ DUFFAUT P.Safe nuclear power plants shall be built underground［C］∥Associated Research Centers for Urban Underground Space，11th ACUUS Conference.Athens，Greece：［s.n.］，2007：207-212.

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