核電站的安全結(jié)構(gòu)設(shè)計與縱深設(shè)防

楊君+李愿軍

摘 ?要：本文對核電站安全結(jié)構(gòu)設(shè)計的“多重屏障”和“縱深設(shè)防”概念進(jìn)行研究，提出在核電工業(yè)大力發(fā)展的政策指引下，需進(jìn)一步明確政府嚴(yán)格監(jiān)管力度以及企業(yè)在核安全方面的責(zé)任和義務(wù)。核安全的監(jiān)管應(yīng)建立在國家層面的核法規(guī)框架之內(nèi)，系統(tǒng)而獨立的核安全法規(guī)建設(shè)是新世紀(jì)我國核電工業(yè)穩(wěn)步快速發(fā)展的基石。

關(guān)鍵詞：核電站;結(jié)構(gòu)設(shè)計;核安全;縱深設(shè)防;核安全法規(guī)

中圖分類號： 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

一、引言

核能的發(fā)現(xiàn)與和平利用是科學(xué)進(jìn)步與發(fā)展的一個重要里程碑，也成為世界各國經(jīng)濟發(fā)展的引擎。核電站與其它能源工程一樣，可能因為設(shè)計不當(dāng)、機械故障、運行管理失誤及其它不可抗力造成各種不同程度的事故①。在全世界反應(yīng)堆的整個歷史中，曾經(jīng)發(fā)生過各種類型的核事故。美國在1943至1967年的25年間共發(fā)生在核設(shè)施上的事故有326起，全世界發(fā)生堆芯熔化事故共有19次，其中有13次是發(fā)生在研究、實驗堆上的，占總數(shù)的69%。有4次是發(fā)生在生成堆上的，有兩次是發(fā)生在核電站上（其中一次發(fā)生在實驗性核電站）。至今最為嚴(yán)重的核電站安全事故有1979年3月28日美國三里島二號堆的堆芯熔化事故。1986年4月26日蘇聯(lián)（Three Mile Island）切爾諾貝利（Chernobyl）發(fā)生4號機組爆炸。2011年3月11日日本東北海域發(fā)生9級大地震，大地震引發(fā)的海嘯使有世界第一大核電站之稱的福島（Fukushima）4號機組連續(xù)發(fā)生爆炸②，使世界再次陷入核恐怖之中。商用核工業(yè)的安全問題再次引發(fā)全球的高度關(guān)注。核電站的安全性是核工業(yè)發(fā)展的生命，“多重屏障、縱深設(shè)防”（multibarrier system and defence indepth concept）是核安全設(shè)計的指導(dǎo)方針。

二、核電站的結(jié)構(gòu)設(shè)計與堆型

核電站的能量主要來自于核反應(yīng)堆芯中核燃料（235U、 239Pu或233U）的裂變反應(yīng)。在裂變過程中，可裂變的重核（235U、 239Pu或233U）吸收中子后可分裂成兩個裂變碎片，這種裂變過程可產(chǎn)生巨大的能量，并釋放出2～3個中子以及β和γ射線，這種裂變反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行也就不斷的釋放出能量，實現(xiàn)可控的鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)，就可使1Kg的235U釋放出2700噸煤所釋放出的能量，這種能量被利用來產(chǎn)生蒸汽推動發(fā)電機。所有的核電機組都是圍繞這一目的而設(shè)計的，但由于核燃料、冷卻劑、冷卻方式、中子慢化劑的不同，反應(yīng)堆又分有許多種不同的堆型（表1），如：

（1）輕水慢化反應(yīng)堆：這類堆包括壓水堆（PWR）和滯水堆（BWR），以及用核過熱的改進(jìn)型反應(yīng)堆;

（2）重水慢化反應(yīng)堆：這類堆也用重水冷卻，但這不是必不可少的;

（3）有機冷卻反應(yīng)堆：這類反應(yīng)堆石墨是慢化劑，鈉是冷卻劑;

（4）鈉-石墨反應(yīng)堆：這類反應(yīng)堆中，石墨是慢化劑，鈉是冷卻劑;

（5）氣冷反應(yīng)堆：這類反應(yīng)堆用天然鈾或濃縮鈾作燃料，并用二氧化碳和氮作冷卻劑;

（6）快增殖反應(yīng)堆：冷卻劑通常用鈉，在實驗系統(tǒng)中曾用過鈉-鉀合金;

（7）液體燃料反應(yīng)堆：這類反應(yīng)堆包括熱中子增殖堆（水均勻堆），液態(tài)金屬和熔鹽燃料熱，中子堆，以及某些快中子堆方案。

核反應(yīng)堆的堆型結(jié)構(gòu)存在先天性的安全缺陷，雖然核電站的技術(shù)水平在不斷提高，并有重大突破，但要確保安全上的萬無一失，還有很多工作要做。目前很多核工業(yè)國家對不同類型的先進(jìn)壓水堆進(jìn)行了研發(fā)并取得了進(jìn)展，這些改進(jìn)型（evolutionary）先進(jìn)壓水堆核電機組具有代表性的有美國system 80+以及非能動型①（passive）AP1000、法國EPR（The European pressurized Reactor）、日本APWR以及APWR+、韓國KSNP+以及APR1400等。以原子核裂變而獲取能量的反應(yīng)堆，通常劃分為四代：

第一代反應(yīng)堆主要是1970年投入運行的各種原型堆，如UNGG、Shipping pont、Magnex、Fermi I;

第二代反應(yīng)堆包括1970至1995年投入運行的各類商用反應(yīng)堆，如壓水堆、滯水堆、WWER和CANDV;

第三代反應(yīng)堆主要是指ABWR、AP600、AP1000、EPR模塊式高溫氣冷堆;

第四代核能系統(tǒng)把反應(yīng)堆和燃料循環(huán)方面的重大創(chuàng)新和開發(fā)作為目標(biāo)，其特點是高安全性、經(jīng)濟性、可靠性以及少放射性廢物和核不擴散限制，現(xiàn)經(jīng)篩選后確定有六種堆型：

WHTR：用氮氣冷卻特高溫（1000～12000C）反應(yīng)堆，主要用于制氫或制氫發(fā)電用;

GFR：用氮氣作載熱劑的快中子反應(yīng)堆;

SFR： 用鈉作載熱劑的快中子反應(yīng)堆;

LFR：用鉛合金作載熱劑的快中子反應(yīng)堆;

SCWR：超臨界水堆;

MSR：熔鹽反應(yīng)堆。

我國第一座核電站秦山一期于1985年3月20日開工，1991年12月15日開網(wǎng)發(fā)電，其技術(shù)現(xiàn)狀與路線如下圖所示（圖1）：

中國壓水堆核電站的主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

2007年國家發(fā)展與改革委員會公布了我國《核電中長期發(fā)展規(guī)劃（2005-2020）》，邁出了“積極發(fā)展核電”的重要一步，提出2020年核電裝機容量應(yīng)達(dá)到4000Mw。近期目標(biāo)（2010年以前）是開發(fā)和引進(jìn)美國西屋公司AP1000堆型，遠(yuǎn)期目標(biāo)（2030年）前是參與國際合作開發(fā)PBMR（The pebble-bed module reactor）和IRSI（The international Reactor innovative ?& secure）非能動型先進(jìn)輕水堆或先進(jìn)氣冷堆。

三、核電站安全的基本原則與保障

核電站總的安全目標(biāo)在建立并維持一套有效的防護措施，以保證人員、社會及環(huán)境免遭放射性危害。國際原子能機構(gòu)（IAEA）下設(shè)國際核安全咨詢組（INSAG），該組織提出三個最重要的安全目標(biāo)，即安全總目標(biāo)、輻射防護目標(biāo)及技術(shù)安全目標(biāo)，并安排了一套由十二個基本安全原則所組成的基本安全原則（三個與安全處置有關(guān)，三個與縱深防御有關(guān)，還有六個是技術(shù)原則），它為眾多的具體安全原則提供了一個總的框架。表3給出了安全目標(biāo)和安全原則的結(jié)構(gòu)表達(dá)方式：

表3 ?INSAG的核電廠安全目標(biāo)和安全原則

專注于設(shè)計防止核電站放射性物質(zhì)泄漏的多重屏障主要有三道：

第一道屏障——燃料包殼（cladding）。燃料芯塊疊裝在鋯合金管中，把管子密封起來，組成燃料棒，一般稱鋯管為燃料包殼，它把核燃料裂變后產(chǎn)生的放射性物質(zhì)密封在燃料包殼之內(nèi)，不使漏出，這是第一道屏障。

第二道屏障——壓力殼pressure vessel，即反應(yīng)堆冷卻劑壓力邊界。燃料包殼密封萬一破壞，放射性物質(zhì)雖會漏到水中，但仍然在一回路系統(tǒng)密閉循環(huán)之內(nèi)，這個密閉的一回路系統(tǒng)統(tǒng)稱反應(yīng)堆冷卻劑壓力邊界（RCPB）①，主要由壁厚200um左右厚的壓力殼（Pressure vessel）②和不銹鋼無縫鋼管，其循環(huán)主泵和蒸汽發(fā)生器也都各有特殊措施防止一回路水泄露。

第三道屏障-安全殼（containing vessel，containment）前包容反應(yīng)堆的一種氣密性的殼體或其他密閉裝置，主要用于在事故情況下控制裂變產(chǎn)物不致向大氣釋出。它是一個圓筒形的大型預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土建筑物，內(nèi)徑37mm或39mm，高60m～70m，壁厚約1m，內(nèi)襯一層6mm厚的不銹鋼鋼板以形成完全密封的大廳，一回路系統(tǒng)的設(shè)備都安裝這里，如果一回路系統(tǒng)發(fā)生泄漏，安全殼可將漏出的放射性物質(zhì)包含在大廳內(nèi)。安全殼在設(shè)計上除了密封性能要求外，還要求有抗擊外來沖擊的能力，如承受噴氣式飛機墮毀式的撞擊，以及地震時沖擊力。

核電站除設(shè)計時圍繞保證三道屏障的完整性之外，進(jìn)一步實施“縱深防御”戰(zhàn)略?？v深防御概念為核電廠的安全措施和安全設(shè)施提供了總戰(zhàn)略，其原則為補救潛在的人因差錯或機械失效時防止放射性物質(zhì)釋放到環(huán)境中，這個概念包括防止損壞電廠和屏障本身來保護這些屏障，還包括進(jìn)一步的措施使得在這些屏障不完全有效的情況下不致危及公眾和環(huán)境?？v深防御也包括三個措施：

第一個措施首先是提高核電站的設(shè)計和制造質(zhì)量，以確保核電站的運行安全。

第二個措施是設(shè)計一整套完整的保護系統(tǒng)，這些保護系統(tǒng)能對不正常的運行瞬態(tài)（OPTRAN，operational-transient）進(jìn)行控制直至停止，從而保持各屏障的完整性。

第三個措施是有一套工程安全設(shè)施，在核電站發(fā)生事故甚至嚴(yán)重事故情況下，這些工程安全設(shè)施能夠發(fā)揮作用，不使事故擴大，防止堆芯發(fā)生燒毀，保證第三道屏障即安全殼的完整性。最終目的就是使放射性物質(zhì)的外逸在允許的范圍之內(nèi)（表4）。

表4 核電站縱深設(shè)防概貌

對策 事故預(yù)防 事故緩解

事件 正常運行 預(yù)期運行工況 設(shè)計基準(zhǔn)與復(fù)雜運行工況 嚴(yán)重事故超設(shè)計基準(zhǔn)

控制 正常運行活動 設(shè)計基準(zhǔn)事故的控制 事故處理

規(guī)程 正常運行規(guī)程 應(yīng)急運行規(guī)程 極限情況下的應(yīng)急規(guī)程

防御設(shè)施 正常運行系統(tǒng) 專設(shè)安全設(shè)施 特殊設(shè)計設(shè)施 廠外應(yīng)急準(zhǔn)備

屏障狀態(tài) 規(guī)定燃料允許工作范圍 燃料破損 嚴(yán)重破損 燃料熔化 熔芯 安全殼失效

四、核安全的進(jìn)一步討論

在核電工業(yè)發(fā)展的規(guī)劃藍(lán)圖中，應(yīng)堅持“安全第一，質(zhì)量第一”的原則，完善核電安全保障體系，加快法律法規(guī)建設(shè)。作為曾經(jīng)的參與者之一，應(yīng)該客觀地說，后者仍然是我國核電工業(yè)發(fā)展的一塊短板，我國核電產(chǎn)業(yè)將會以CNP1000、CPR1000和AP1000為優(yōu)先選用的先進(jìn)壓水堆核電機組作為發(fā)展方向，并把AP1000作為未來核電技術(shù)路線的基本堆型進(jìn)行開發(fā)，盡早形成我國核電技術(shù)路線，迎頭趕上世界核能開發(fā)的時代潮流，況且第四代核能技術(shù)（Generation IV）的研發(fā)尚需幾十年的努力。這種以政府為主導(dǎo)的推動型發(fā)展被認(rèn)為是世界核電工業(yè)在中國展露的第一縷曙光，這是很令人感到振奮的。但是，我們也看到，世界最大的核工業(yè)國家美國自20世紀(jì)80年代至今沒有新的核電站訂單，而現(xiàn)有的核電站也先后達(dá)到設(shè)計壽期（通常為40年），所以核電工業(yè)在美國“一條腿和腳已經(jīng)踏進(jìn)了墳?zāi)埂?。這里的主要原因有二：首先是現(xiàn)有的核能技術(shù)不可能做到安全上的“萬無一失”，一旦出現(xiàn)安全故障只能束手無策，毫無辦法。

1979年3月28日發(fā)生的三哩島2號堆的核事故即為一例①。只要以核裂變方式獲取能量的技術(shù)都存在這一問題;其次是核廢物處理和處置。目前存放在華盛頓，南卡萊羅納和愛德華州的政府工廠中有7000萬加侖的高輻射軍用廢料;有6900萬立方英尺的低輻射商用及軍用廢料存于南卡萊羅納及肯塔基州的淺溝中;1.4億噸的鈾尾礦堆積如山，遍及南部，約7000噸商用反應(yīng)堆產(chǎn)生的廢燃料存放于反應(yīng)堆所在地的冷水塘或“游泳池”中的支架上，而這些核廢物的總毒性甚至達(dá)到上億年。所以核廢物處置被稱之為“燙手的山芋”，核廢物（包括核電站不同堆型運行中所產(chǎn)生的廢液、廢氣，反應(yīng)堆燃料等）的分類，運輸，儲存，處置及相關(guān)的法規(guī)建設(shè)都應(yīng)先行一步，現(xiàn)在我們還沒有做好這方面的準(zhǔn)備。

我們現(xiàn)在的核電工業(yè)發(fā)展主要是政府主導(dǎo)的，而政府的監(jiān)管職能被弱化或不到位，這就形成政府的大包大攬，政府出資企業(yè)受益，一旦出問題，企業(yè)推舉幕后二政府走向前臺總攬全局，受益是企業(yè)的，風(fēng)險是政府的。這種發(fā)展模式是不可持續(xù)的，與世界各國的做法相悖。仍以美國為例，1946年美國國會通過了《原子能法》（Atomic Energy Act），規(guī)定設(shè)立原子能委員會（USAEC，United States Atomic Energy Commission），以發(fā)展和平利用原子能的計劃，并設(shè)置了國會原子能委員會以監(jiān)督原子能委員會的活動。1953年12月總統(tǒng)艾森豪威爾宣布期待已久的和平利用原子能計劃，呼吁與其他國家協(xié)議以分享科技專門知識，當(dāng)時美國大部分的核技術(shù)仍保留在高度機密狀態(tài)。原子能委員會主席劉易斯·斯特勞斯（Lewis Strauss）是一位忠實的保守派，他堅持應(yīng)由私營工業(yè)界發(fā)展商業(yè)核能，而不應(yīng)該由政府負(fù)擔(dān)。1954年，國會修改了原子能法案，認(rèn)為核設(shè)施可為私人擁有，由院子能委員會發(fā)給執(zhí)照。1957年國會又通過《普賴斯-安德森法案》（Price-Andersen Act）使電力公司在嚴(yán)重核意外事故發(fā)生時要承擔(dān)相應(yīng)的賠償責(zé)任。1975年該法案經(jīng)修改，實際上免去了政府在這個保險計劃中的責(zé)任。

政府在核電工業(yè)中的主要職責(zé)是核安全的監(jiān)管和控制，這機會是所有核工業(yè)國家的通用法則，國家對核電廠的管理首先是建立和健全相適應(yīng)的核安全法規(guī)（Code），導(dǎo)則（Regulatory guide）和標(biāo)準(zhǔn)（Standard）。核技術(shù)是美國控制最嚴(yán)的一種技術(shù)。1947年，美國原子能委員會成立反應(yīng)堆安全保障委員會，以審定擬建設(shè)核設(shè)施的危險性。1956年美國原子能委員會頒發(fā)《民用原子工業(yè)基本法》。1975年美國核管理委員會（United States Nuclear Regulatory Commission）成立后接管了制定核法規(guī)和管理民用核設(shè)施的權(quán)利。美國聯(lián)邦法規(guī)（Code of Federal Regulations）共有50篇，其中第10篇（10CFR）為能源，美國核管理委員會制定的法規(guī)發(fā)表在第10篇第1卷（0～199部分）上。為便于貫徹執(zhí)行有關(guān)法規(guī)，核管理委員會還制定了法規(guī)導(dǎo)則，這些導(dǎo)則共分10個部分：（1）動力反應(yīng)堆導(dǎo)則，（2）研究和試驗用反應(yīng)堆導(dǎo)則，（3）核燃料和物資設(shè)備，（4）環(huán)境和廠址導(dǎo)則，（5）物料和核電廠保護導(dǎo)則，（6）產(chǎn)品導(dǎo)則，（7）放射性材料的包裝和運輸，（8）職業(yè)保健導(dǎo)則，（9）反壟斷審查導(dǎo)則，（10）一般導(dǎo)則。這些導(dǎo)則提供了符合法規(guī)要求的指導(dǎo)和可行的解決辦法，對許多技術(shù)問題明確了要求，具體達(dá)到的目標(biāo)、數(shù)據(jù)和方法。

美國還有一系列國家標(biāo)準(zhǔn)（ANSO，American National Standard），由美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會統(tǒng)一管理，但具體標(biāo)準(zhǔn)的制定由各專門學(xué)會和協(xié)會負(fù)責(zé)。與核電站有關(guān)的如美國機械工程師協(xié)會（受壓容器及其他設(shè)備）、美國試驗與材料協(xié)會（核材料及其他材料）、美國電氣與電子工程協(xié)會（儀器儀表）、保健物理學(xué)會（環(huán)境監(jiān)測）、國家防火協(xié)會和電子工業(yè)協(xié)會（電子設(shè)備）等制定的標(biāo)準(zhǔn)。而美國核學(xué)會（American Nuclear Society）中的標(biāo)準(zhǔn)委員會成立于1956年，是最初成立的7個國家標(biāo)準(zhǔn)委員會之一，核學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)委員會秘書處下設(shè)有5個N委員會（N16-核臨界安全，N17-研究堆，反應(yīng)堆物理和輻射屏蔽，N18-核設(shè)計準(zhǔn)則，N19-非放射性環(huán)境效應(yīng)，N48-放射性廢物管理）?，F(xiàn)已頒布實行的需要遵從的核標(biāo)準(zhǔn)在1千個以上。

在嚴(yán)格核安全法規(guī)規(guī)范下，民用核工業(yè)始終保持世界工業(yè)界最好的安全記錄。國際核安全的發(fā)展分為四個時期：1957～1967年為設(shè)計安全期，1967～1979年為建造安全期，1979～1986年為運行安全期，1986年及以后為國際安全合作期。未來核電站的安全依然需要國際政府間的合作和嚴(yán)格的法規(guī)監(jiān)管。2007年我國也頒布了《民用核設(shè)備監(jiān)督管理條例》，旨在加強對民用核安全設(shè)備的監(jiān)督管理，保障其運行安全，預(yù)防核事故，保障工作人員和公眾健康、保護環(huán)境、促進(jìn)核能事業(yè)的發(fā)展，但確保核安全我們還有很長的路要走。

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① 非能動型壓水反應(yīng)堆AP1000是由美國西屋公司（Westinghouse）在AP600設(shè)計理念基礎(chǔ)上提出的，2005年12月31日由美國核管理委員會（NRC）宣布批準(zhǔn)AP1000設(shè)計許可證。Passively safe reactor即非能動安全反應(yīng)堆或譯為固有安全反應(yīng)堆，意旨在極低概率事件條件下可實行自行安全停堆。

① RCPB，reactor cool and pressure boundary，反應(yīng)堆冷卻劑壓力邊界包括壓力容器，一回路管道系統(tǒng)，泵，閥門等高壓設(shè)備。

② 壓力殼為核反應(yīng)堆堆芯部分的厚壁容器外殼，通常其中還裝有慢化劑，反射劑，熱屏蔽層及控制棒。

① 美國三哩島-2核電廠事故是世界核電史上發(fā)生的第一起嚴(yán)重事故，1978年12月投入商業(yè)運行，1979年3月28日發(fā)生失水熔堆事故，前后不到4個月，三哩島-2核電廠的基建投資為8億美元，而事故后的處理工作在10年間花去越10億美元，通用公共事業(yè)公司（GPU）為這筆資金而大傷腦筋。

（本文審稿 張端丹）