國外核潛艇反應堆系統(tǒng)事故淺析

盧 川，張 丹，鮮 麟

(中國核動力研究設計院 核反應堆系統(tǒng)設計技術國家重點實驗室，四川成都610213)

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國外核潛艇反應堆系統(tǒng)事故淺析

盧 川，張 丹，鮮 麟

(中國核動力研究設計院 核反應堆系統(tǒng)設計技術國家重點實驗室，四川成都610213)

本文針對國外已發(fā)生的核潛艇反應堆系統(tǒng)事故進行了梳理分析研究，發(fā)現國外核潛艇反應堆系統(tǒng)事故多發(fā)生于早期型號，近年各國在役及新一代核潛艇未出現反應堆系統(tǒng)發(fā)生事故的報道。此外，還發(fā)現各國已發(fā)生的核潛艇反應堆系統(tǒng)事故中，失水事故和反應性事故所占比例最大。本文研究表明，通過先進核安全方法及技術的采用、核安全文化的重視、核安全監(jiān)管力度的加強，反應堆系統(tǒng)事故可不會給核潛艇帶來額外的事故風險，核反應堆及核安全能夠不成為制約核潛艇發(fā)展的主要因素。

核潛艇，反應堆，事故

1 概述

自從1954年世界上第一座核潛艇“鸚鵡螺”號服役以來，核潛艇作為核威懾和核反擊力量的重要組成部分，受到了世界各核大國的高度重視和優(yōu)先發(fā)展。粗略統(tǒng)計，截至2015年，全世界已先后建造了500余艘核潛艇，為各核大國完成國家戰(zhàn)略任務發(fā)揮了關鍵作用。由于核潛艇系統(tǒng)結構龐大、運行工況復雜、運行環(huán)境惡劣、涉及核反應堆和核彈頭等多重核設施，其發(fā)生故障并引發(fā)事故的情況也時有發(fā)生。截至當前，全世界共先后發(fā)生了較為嚴重的核潛艇事故300余起，包括多起核潛艇沉沒事故和重大核事故等惡性事故。據統(tǒng)計，在國外核潛艇所發(fā)生的事故類型中，碰撞事故次數最多，約占所有事故的47%，其他事故類型還包括核事故(約占15%)、火災事故(約占14%)、沉沒事故(約占6%)、爆炸事故(約占5%)、毒氣泄漏事故(3%)、艙室進水事故(2%)和其他事故(8%)[1,2]。本文主要對國外核潛艇核事故中的反應堆系統(tǒng)事故進行了梳理和分析，對各國核潛艇反應堆系統(tǒng)事故特點進行了研究和總結，以期為核潛艇核安全及輻射安全相關工作提供參考。

2 核潛艇反應堆系統(tǒng)事故分類

世界上除美國早期“海狼”級核潛艇裝備的S2G反應堆采用了液態(tài)鈉作冷卻劑，蘇聯645型核潛艇裝備的BT-1反應堆和α級核潛艇裝備的BM-40A反應堆采用了液態(tài)鉛鉍作冷卻劑以外，其余的核潛艇全部采用了壓水堆。

對于核潛艇反應堆系統(tǒng)而言，針對全部運行狀態(tài)，根據其發(fā)生頻率及后果影響的不同可分為以下四類基本工況：正常運行工況、一般事故工況、嚴重事故工況和極限事故工況。其中正常運行工況是核動力裝置壽期內頻繁出現的一種運行狀態(tài)，通常只依靠控制系統(tǒng)和反應堆設計裕量即可維持反應堆系統(tǒng)的正常運行，它不屬于事故工況；一般事故工況是指反應堆系統(tǒng)在運行壽期內預計出現一次或數次偏離正常運行，可能導致安全保護系統(tǒng)動作及停堆，但不會導致放射性物質泄漏的一類工況；嚴重事故工況是指在反應堆系統(tǒng)運行壽期內極少發(fā)生，發(fā)生頻率約為10-4～3×10-2次/(堆·年)，可能需要專設安全系統(tǒng)動作，可能導致一定數量的燃料元件包殼破損，且核動力裝置在一個相當長時間內不能恢復功率運行的工況；極限事故工況是指在反應堆系統(tǒng)中預期不會發(fā)生，但在設計中需要假想發(fā)生的，發(fā)生頻率約為10-6～10-4次/(堆·年)，且事故發(fā)生后后果非常嚴重，可能導致大量放射性物質釋放的一類工況[3]。

另一方面，針對反應堆系統(tǒng)預期可能發(fā)生的事故類型，以設計基準事故的形式，又可將其劃分為以下幾類：1) 反應性事故：是指向堆芯引入意外的反應性，可能導致堆芯功率急增或功率分布急劇變化，從而可能引發(fā)堆芯燃料燒毀的一類事故；2) 失流事故：由于主泵機械或電源等故障，引起系統(tǒng)冷卻劑流量降低，從而可能導致堆芯功率和流量不匹配而引發(fā)堆芯燒毀的一類事故；3) 排熱增加或減少類事故：由于二回路故障而引起冷卻劑排熱增加或減少，導致冷卻劑溫度升高或降低，從而影響堆芯安全的一類事故；該類事故中的蒸汽管道破裂事故(SLB) 是比較典型的排熱增加類事故；4) 斷電事故：由于電力系統(tǒng)故障，導致系統(tǒng)設備斷電，從而影響系統(tǒng)正常運行并危及系統(tǒng)安全的一類事故；5) 蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂事故(SGTR)：由于蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂，導致一回路冷卻劑泄漏至二回路，從而可能導致放射性物質污染機艙的一類事故；6) 失水事故(LOCA)：由于反應堆系統(tǒng)壓力邊界受到破壞，導致冷卻劑泄漏的一類事故；根據壓力邊界破口尺寸，又可分為大破口事故、中破口事故和小破口事故等幾種類型；7) 未能緊急停堆的各種預期瞬態(tài)(ATWS)：是指由于反應堆保護系統(tǒng)電氣故障或機械故障，導致控制棒不能插入堆芯，從而造成不能緊急停堆或實施反插的預期瞬態(tài)[4]；8) 其他事故：是指除上述各類事故以外的其他類型的事故。

3 各國核潛艇反應堆系統(tǒng)事故初步研究

世界上，美國、蘇聯/俄羅斯、英國和法國均發(fā)生過核潛艇反應堆系統(tǒng)事故，表1～表4分別列出了以上國家核潛艇反應堆系統(tǒng)發(fā)生事故的時間、地點、事故概況及后果、事故類型以及核潛艇和反應堆的型號。

3.1 美國

美國是世界上最早使用核潛艇的國家，也是核潛艇技術發(fā)展最快的國家。截至目前，美國已建造了200余艘核潛艇，先后發(fā)展了四代潛艇反應堆技術，批量裝備的主要包括S5W、S6G、S8G和S9G反應堆。從表1可以發(fā)現，從1954年9月到2012年10月，在統(tǒng)計給出的美國共發(fā)生的151起核潛艇事故中，由反應堆系統(tǒng)原因引起的事故共12起(其中2起發(fā)生于S2G液態(tài)鈉冷反應堆)，約占事故總數的8%。

表1 美國核潛艇反應堆系統(tǒng)事故列表[1]

其中，美國第一代潛艇反應堆S2W共發(fā)生了3起，美國首批標準型潛艇反應堆S5W共發(fā)生了6起。分析其原因，主要是由于S2W為美國第一代潛艇反應堆，其反應堆技術在很大程度上還帶有驗證性質，通過“鸚鵡螺”號核潛艇的實際運行暴露出了很多設計中未考慮到的技術問題。S5W為美國首批標準型潛艇反應堆，先后共裝備了98艘核潛艇，其反應堆技術主要源于S2W以及后來的S3W和S4W，由于裝艇數量多，相應的發(fā)生事故的次數也多。進一步分析發(fā)現，S5W系列反應堆發(fā)生的事故主要是由各類設備故障引起的，這跟美國早期潛艇反應堆批量建造階段追求數量而相對忽視建造質量及設備可靠性有關。從表1還不難發(fā)現，美國核潛艇反應堆系統(tǒng)事故主要發(fā)生在1961年及以前，在這之后僅在1973年和1986年發(fā)生過兩次。發(fā)生事故的反應堆均是S5W及以前的堆型，S5W以后的各類反應堆均未出現事故報道。究其原因，可能跟S5W以后的潛艇反應堆均具備一定的自然循環(huán)能力(即具備一定的固有安全性)有關；另外也跟美國在S5W反應堆發(fā)生多起事故以后，更加注重提高系統(tǒng)和設備的可靠性，更加注重提高操作人員的核安全文化水平，更加注重運用非能動安全技術等措施有密切關系。

3.2 蘇聯/俄羅斯

蘇聯/俄羅斯是僅次于美國研制出核潛艇的國家，其第一艘核潛艇“列寧共青團”號于1958年服役，截至目前，蘇聯/俄羅斯已發(fā)展了四代潛艇反應堆技術，先后建造了200余艘核潛艇，并且大部分為雙堆裝艇，為世界上建造潛艇反應堆數量最多的國家。從表2可以發(fā)現，從1960年10月到2011年12月，在統(tǒng)計給出的蘇聯/俄羅斯共發(fā)生的119起核潛艇事故中，由反應堆系統(tǒng)原因引起的事故共28起，約占事故總數的23.5%。

表2中，除其中6起事故發(fā)生于鉛鉍冷卻堆以外，其余的事故中有16起發(fā)生于蘇聯第一代潛艇反應堆VM-A中，有1起發(fā)生于蘇聯第二代潛艇反應堆VM-2中，有3起發(fā)生于其第二代潛艇反應堆VM-4中，其第三代潛艇反應堆VM-5和第四代潛艇反應堆KTP-6目前未見反應堆系統(tǒng)事故報道。由此可見，蘇聯潛艇反應堆系統(tǒng)事故絕大部分發(fā)生于其第一代VM-A反應堆上。究其原因，一方面，蘇聯在20世紀五六十年代急于追趕和對抗美國，在潛艇反應堆的研制和生產過程中過于追求速率而忽略安全及質量；另一方面，蘇聯第一代潛艇反應堆也帶有很大的驗證性質(雖然它也實現了批量化建造)，缺乏經驗反饋，很多與反應堆安全相關的理念和技術未引起關注和重視，在實際運行過程中，暴露出了多種類型的反應堆系統(tǒng)事故。后來蘇聯通過技術改進，其第二代潛艇反應堆發(fā)生事故的次數大幅降低，其所發(fā)生的4次事故均為操作人員誤操作引起，反應堆系統(tǒng)的安全性得到了明顯提高。這與蘇聯/俄羅斯注重提升潛艇反應堆的系統(tǒng)及設備可靠性、提高反應堆的自然循環(huán)能力、實現系統(tǒng)簡化及緊湊化、充分運用系統(tǒng)固有安全特性和非能動安全技術、提高操作人員的核安全文化水平等措施手段密切相關。

表2 蘇聯/俄羅斯核潛艇反應堆相關事故列表[1]

續(xù)表序號潛艇名稱反應堆型號時間地點事故概況及后果事故類型17DELTA-Ⅰ級(K-171)VM-41978太平洋由于誤操,使未運行狀態(tài)的一座反應堆一回路補水柜超壓破裂,水流到反應堆頂蓋上,艇員企圖啟堆蒸干殘水,堆艙溫度升高后,艙內人員打不開艙門,致3人死亡其他事故18回聲Ⅱ級(K-116)VM-A1979在水面航行時,左舷的反應堆活性區(qū)發(fā)生泄漏,艇員受到超劑量輻射,艙室進水,設備受損。9人不久死亡;潛艇擱置到1985年提前退役放射性泄漏,原因不明19回聲Ⅰ級(K-45)VM-A1979執(zhí)行任務時,反應堆一回路的水泄漏,被迫返航失水事故20A級鉛鉍堆20世紀70年代后期巴倫支海因操作不慎引起堆芯熔化事故金屬堆,嚴重事故21P級(papa級,K-162)1980北德文斯克船廠在大修更換反應堆堆芯時,由于控制棒電源相位接反,控制棒誤提出堆芯,反應堆非控啟堆,反應堆受損;泵的補償器超壓破裂,數噸放射性水漏入艙內。被迫封存9年后退役反應性事故疊加失水事故22回聲Ⅰ級(K-66)VM-A1981右舷反應堆的一回路水泄漏失水事故23A級(K-123)鉛鉍堆1982巴倫支海液態(tài)金屬冷卻劑從蒸汽發(fā)生器中泄漏,大約2t金屬合金漏到反應堆艙。更換反應堆用時9年液態(tài)金屬從蒸汽發(fā)生器泄漏24回聲Ⅱ級(K-431,原編號為K-31)VM-A1985海參崴附近恰日馬角海灣船塢內修船時違反操作規(guī)程,引起反應堆瞬發(fā)臨界爆炸并起火,艇沉沒。8～11名艇員死亡;后被拖到岸邊;損失5000萬盧布反應性事故25回聲Ⅱ級(K-175)VM-A1985紅海南部海域發(fā)生核反應堆事故后,誤將四氯化碳注入堆內,致使燃料棒斷裂。137名艇員受到輻射傷害;后被拖至金蘭灣其他類型26回聲Ⅱ級(K-192,原K-172)VM-A1989挪威海(距挪威島70nmile)在水下潛航時,反應堆一回路冷卻管路突然發(fā)生爆裂漏水,造成停堆事故和火災。事故發(fā)生后,艇緊急上浮,將火撲滅。后來,艇由救生船和潛艇供應船拖回基地失水事故27回聲Ⅱ級(K-192,原K-172)VM-A1989失冷事故。3名艇員死亡失冷事故,原因不明28A級鉛鉍堆1990反應堆系統(tǒng)故障關閉,艇浮出水面,啟動柴油機。水樣中有少量碘-131喪失主動力,原因不明

3.3 英國

英國于1963年擁有了第一艘多用途核潛艇“無畏”號，裝備了其第一代潛艇反應堆PWR-1。目前已研制出第二代潛艇反應堆PWR-2，并裝備于“前衛(wèi)”級彈道導彈核潛艇和“機敏”級攻擊型核潛艇上。從表3可以發(fā)現，從1962年4月到2011年5月，在統(tǒng)計給出的英國共發(fā)生的43起核潛艇事故中，由反應堆系統(tǒng)原因引起的事故共7起，約占事故總數的16.3%。

表3 英國核潛艇反應堆系統(tǒng)事故列表[1]

進一步分析發(fā)現，英國所發(fā)生的7起反應堆系統(tǒng)事故均發(fā)生于其第一代潛艇反應堆PWR-1上，并且事故類型多樣化。其原因與美國和蘇聯類似，均是由第一代潛艇反應堆技術未充分驗證、設計考慮不充分、運行經驗缺乏所致。據悉，英國在PWR-1反應堆的改進系列中，考慮了包括(破前漏)LBB技術在內的事故對抗技術，大幅提升了反應堆系統(tǒng)對抗事故的能力。

3.4 法國

法國第一艘核潛艇“可畏號”于1971年服役，目前一共發(fā)展了四代潛艇反應堆技術。從1985年5月到2009年2月，在統(tǒng)計給出的法國共發(fā)生的6起核潛艇事故中，由反應堆系統(tǒng)原因引起的事故僅1起，約占事故總數的16.7%。

表4列出的反應堆系統(tǒng)事故發(fā)生于其第二代潛艇反應堆CAS-48上。據悉，法國潛艇反應堆多采用一體化布置形式，可消除大破口失水事故，在潛艇反應堆的研制中運用了概率安全分析技術(PSA)，采用了安注箱等非能動安全技術，并且考慮了包括防氫氣爆炸在內的嚴重事故對抗措施，其反應堆系統(tǒng)的安全水平不斷提高。

表4 法國核潛艇反應堆系統(tǒng)事故列表[1]

4 國外核潛艇反應堆系統(tǒng)事故類型分析

表5按照事故類型進一步對國外核潛艇反應堆系統(tǒng)事故進行了分類統(tǒng)計，從表中可見，在國外核潛艇反應堆系統(tǒng)已發(fā)生的各類事故中，失水事故比例最高，約占所有事故類型的1/3；其次是反應性事故，約占事故比例的14.3%；放射性泄漏和設備缺陷或故障兩類非設計基準事故比例約為9.5%；蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂事故約占事故比例的7.1%；另外還有誤操作或原因不明的事故約占11.9%，其余的事故比例都較低。

表5 國外潛艇反應堆(壓水堆)事故統(tǒng)計表

從國外已發(fā)生事故類型可以發(fā)現，在核潛艇反應堆系統(tǒng)的設計中，應重點考慮失水事故的影響，其次應重視反應性事故的影響，應注重輻射防護和提高設備可靠性。相反，排熱增加和減少類事故、斷電事故以及ATWS類事故發(fā)生頻率較低，在設計時可在一定程度上適當降低對該類事故的過度關注。

另外，在設計基準事故以外，也有一些事故存在一定的發(fā)生概率，例如誤操作類事故、非預期停堆類事故等，這需要在以后的安全分析中加以適當考慮。

5 結論和啟示

本文通過對國外核潛艇已發(fā)生的反應堆系統(tǒng)事故進行了初步分析研究，可以得出以下結論：1) 核潛艇反應堆系統(tǒng)事故多發(fā)生于各國早期潛艇反應堆上，這與當時的技術水平相對落后以及核安全觀念相對薄弱有很大關系；2) 各國在役及新一代核潛艇暫未發(fā)現發(fā)生反應堆系統(tǒng)事故的報道，這與各國提高反應堆安全技術水平，提高反應堆系統(tǒng)及設備的建造質量和可靠性，重視人員核安全文化培養(yǎng)密切相關；3) 在已發(fā)生的各類核潛艇反應堆系統(tǒng)事故中，失水事故和反應性事故發(fā)生頻率最高，應在設計和運行中給予高度關注；4) 通過先進核安全方法的運用、先進核安全技術的采用、核安全文化的重視、核安全監(jiān)管力度的加強，反應堆系統(tǒng)事故可以得到有效地避免；反應堆系統(tǒng)事故可不給核潛艇造成額外的事故風險，核反應堆及核安全能夠不成為制約核潛艇發(fā)展的主要因素。

我國的核潛艇發(fā)展應該充分借鑒國外的成功經驗、吸取國外的事故教訓，通過加強先進核安全技術的研究、提高反應堆系統(tǒng)的可靠性、保證核反應堆建造的質量、加大核安全監(jiān)管的力度、重視核安全文化的推廣等有力措施，一定能夠確保我國核潛艇反應堆的安全可靠運行，為核潛艇履行保家衛(wèi)國的光榮使命提供重要支撐。

[1] 高維，楊連新. 論說國外核潛艇事故[M]. 北京：海潮出版社，2013.

[2] 楊連新.國外核潛艇事故[M]. 北京：海軍出版社，2001.

[3] 彭敏俊. 船舶核動力裝置[M]. 北京：原子能出版社，2009.

[4] 朱繼洲，奚樹人，單建強，等. 核反應堆安全分析[M]. 西安：西安交通大學出版社，2004.

Review of Reactor Accidents of Foreign Nuclear Power Submarine

LU Chuan， ZHANG Dan， XIAN Lin

(Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory, Nuclear Power Institute of China，Chengdu, 610213, China)

Foreign nuclear power submarine reactor accidents were surveyed. It was found that the reactor accidents almost occured on early types of nuclear power submarine. Reactor accidents have not been reported on recent types of nuclear power submarine all over the world. The lost of coolant accident and the reactivity induced accident occupy dominant proportion on all types of accidents. Based on advanced safety technology, safety culture and strict safety supervision, the reactor accident could not induce additional risk for nuclear power submarine, which could also be achieved that the reactor and the atomic safety would not be the key factor for restricting the development of nuclear power submarine. This paper wishes to provide reference for the safety development of nuclear submarines in China.

Nuclear power submarine, Reactor, Accident

2016-11-20

國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)課題(2012AA112701)，裝備預先研究項目(4160204)

盧川(1982—)，男，四川省成都市人，高級工程師，碩士，現從事反應堆總體設計工作

TL38+3

A

0258-0918(2017)03-0442-08