六所村后處理廠的安全升級

圖1 六所村后處理廠存在的安全隱患及安全升級措施

福島核事故后，日本為核燃料循環(huán)設(shè)施制定了新安全標準。新標準于2013年12月正式生效。根據(jù)新標準，除了需要加強對地震、海嘯、龍卷風、火山爆發(fā)、森林火災等外部威脅的應對措施，乏燃料后處理廠還應針對氫氣爆炸、溶液泄漏導致火災、臨界事故等內(nèi)部威脅部署安全措施。

日本青森縣六所村后處理廠從2014年1月至今一直在開展安全評價并根據(jù)評價結(jié)果制定安全升級計劃。2020年7月，日本原子力規(guī)制委員會批準了六所村安全升級計劃，認為該廠在完成安全升級后能夠滿足新安全標準。該廠投運由此邁出了具有重大意義的一步。日本核燃料公司8月宣布，由于安全升級改造所需時間長于預期，六所村的投運時間將從2021年4至9月推遲至2022年4至9月。

該后處理廠位于海平面以上55米，距離海岸線5000米，1993年啟動建設(shè)，原計劃1997年投運。但由于一系列技術(shù)和安全問題，投運時間已先后推遲20多次。該廠設(shè)計產(chǎn)能為每年處理800噸乏燃料，生產(chǎn)約8噸钚，用于制造供商業(yè)核電機組使用的混合氧化物(MOX)燃料。有媒體報道稱，該廠建設(shè)費用已達近3萬億日元(折合人民幣1887億元)。

1 外部災害防護

日本位于亞歐板塊和太平洋板塊交界地帶，地殼極不穩(wěn)定，多火山、地震。根據(jù)新安全標準，六所村對外部災害可能帶來的安全隱患進行了全面考量，主要包括以下幾個方面。

1.1 地震

由于福島核事故是由強震及其引起的海嘯導致，因此日本針對核設(shè)施的抗震性能提出了更為嚴格的要求。六所村根據(jù)受損時可能產(chǎn)生的環(huán)境影響對相關(guān)設(shè)備和建筑物進行分級，采取相應的抗震措施，并重點關(guān)注下述設(shè)施的抗震設(shè)計和工程建設(shè)：

· 內(nèi)置有放射性物質(zhì)的設(shè)施；

· 與內(nèi)置放射性物質(zhì)的設(shè)施直接相關(guān)、并可能由于其功能喪失而導致放射性物質(zhì)泄漏的設(shè)施；

· 用于防止放射性物質(zhì)泄漏的設(shè)施；

· 為防止因地震可能引起的海嘯導致安全功能喪失而設(shè)置的設(shè)施；

· 對環(huán)境有很大影響的設(shè)施。

為防止地震引發(fā)放射性泄漏，六所村采取的措施包括：

· 為了防止設(shè)備及管道在地震或其他外力的作用下產(chǎn)生裂紋或損壞，導致液體泄漏，在供液管道上設(shè)置了切斷閥，在液體儲罐、泵等設(shè)備附近設(shè)置了堤堰、防水門等。

· 后處理主工藝廠房擁有兩座室外冷卻塔。其中一座冷卻塔原本位于乏燃料首端剪切廠房屋頂，為加強抗龍卷風能力，需要安裝鋼制防護網(wǎng)。為了防止剪切廠房的抗震能力因冷卻塔的重量而受到影響，決定將這座冷卻塔轉(zhuǎn)移至地表。

· 為了保障地震后的冷卻水供應，設(shè)置了兩個容積為2萬m3的蓄水槽，防止衍生事故的發(fā)生。

1.2 外部火災

六所村對附近居民區(qū)及其他設(shè)施進行了消防安全評估，評估因素包括距廠區(qū)的距離、植被分布情況及風向，明確了后處理廠方圓12千米范圍內(nèi)最有可能引起火災的三處地點，包括一座石油貯存基地、一座泵廠以及一處位于上風向的居民區(qū)，并針對這三處地點布置了防火帶。

在控制室外部的空氣入口處設(shè)置了CO2、NOx監(jiān)測器，如果檢測到有毒氣體入侵，將切斷控制室換氣設(shè)備與外部空氣的連接，保證安全。

1.3 龍卷風

根據(jù)新安全標準，核燃料循環(huán)設(shè)施必須考慮發(fā)生概率超過10-5次/年的龍卷風。截至目前的氣象資料顯示，六所村附近發(fā)生過的龍卷風最高為二級(最大風速為每秒69米)，附近發(fā)生三級或更高級別的龍卷風的可能性微乎其微。

六所村針對龍卷風的防護設(shè)計相當保守，要求后處理廠能夠承受最大風速每秒100米(發(fā)生概率僅為1.79×10-8次/年)的龍卷風沖擊，相關(guān)部署包括：

· 給兩座室外冷卻塔安裝鋼制防護網(wǎng)。即使只有一座冷卻塔運行，也能夠保證乏燃料水池的水溫低于65℃。此外，還部署了可用于向水池注水的移動式注水設(shè)備以及可用于在乏燃料溫度上升時對乏燃料設(shè)施噴水的大型輸送泵。

· 設(shè)置了備用柴油發(fā)電機，兩套發(fā)電機分別安裝在不同的廠房內(nèi)。每套發(fā)電機的功率都足以維持一座冷卻塔的安全運行。

· 精煉廠房、分離廠房、高放廢液玻璃固化設(shè)施的室外通風管道均設(shè)置了防護網(wǎng)。

· 為了防止車庫及車輛遭到龍卷風破壞，六所村加固了車庫，為車輛安裝高強度的固定裝置。

1.4 雷擊

針對270 kA的假定雷擊電流，在重要設(shè)施中安裝了保護裝置，縮小雷電落下的范圍，改變電流的侵入路徑，防止電流引起的設(shè)備故障，并將及時實施緊急安全措施。

1.5 火山爆發(fā)

在外部進氣口上安裝除塵濾布、不銹鋼絲網(wǎng)過濾器，并進行及時清潔和更換，防止進氣口堵塞，避免安全事故。

一旦火山大規(guī)模爆發(fā)，將停止接收乏燃料，并停止剪切操作。

1.6 飛機墜毀

對飛機墜毀情況進行了概率安全評價，結(jié)果為：民用飛機墜落概率為2.6×10-10次/年，自衛(wèi)隊及美軍飛機墜落概率為7.5×10-8次/年。根據(jù)相關(guān)標準，當總墜毀概率低于1×10-7次/年時，則認為符合安全標準。因此，六所村的總墜毀概率(7.5×10-8)是符合安全標準的。

2 生產(chǎn)安全事故防護措施

2.1 乏燃料管理政策的變更

六所村乏燃料貯存池的容量為3000 tU。之前，乏燃料在水池冷卻1年后即可被六所村接收，只要冷卻4年即可進行剪切操作。從2019年12月起，冷卻期在4～12年的乏燃料接收或貯存量不得超過600 tU，只有冷卻了15年以上的乏燃料才能進行剪切操作。

2.2 臨界事故

根據(jù)后處理廠自身的特點，六所村對臨界事故預防和緩解措施進行了整頓升級。在可能發(fā)生臨界事故的設(shè)施附近，部署移動式可溶性中子吸收材料供給設(shè)備，包括手動泵、供給軟管及容器。如果發(fā)生臨界事故，將移除事故源并封存。另外，如果確認放射性物質(zhì)泄漏到了建筑物中，將封存建筑物。

2.3 冷卻功能故障

后處理過程會產(chǎn)生大量高放廢物，這些廢物釋熱量大，有著較高的冷卻需求。六所村現(xiàn)有冷卻系統(tǒng)的外部回路設(shè)有一套備用系統(tǒng)，而且冷卻水循環(huán)泵等設(shè)備都是多路復用的。循環(huán)泵等設(shè)備與應急電源相連，即使在全廠斷電的情況下，循環(huán)泵也能夠正常運轉(zhuǎn)。儲罐內(nèi)部的冷卻系統(tǒng)也設(shè)有備用系統(tǒng)。

此外，為保障冷卻水供應，開展了從外部水源(尾從沼澤和二又川)取水的工程建設(shè)，包括取水線路規(guī)劃、接入管道鋪設(shè)等。2018年，完成了尾從沼澤取水設(shè)施的建設(shè)；2019年，完成了尾從沼澤取水軟管的鋪設(shè)。

2.4 氫爆

對于后處理產(chǎn)生的廢液，其輻射分解產(chǎn)氫速度(3×10-2kg/h)比水-鋯合金反應的產(chǎn)氫速度(4×102kg/h)慢很多，且廢液儲罐的溫度難以達到產(chǎn)生氫氣需要達到的500℃高溫，因此幾乎不會發(fā)生類似福島事故規(guī)模的氫爆事故。

但為了保證后處理廠安全運行，六所村已部署三臺空氣壓縮機和三座空氣儲罐，向可能產(chǎn)生氫爆的空間提供壓縮空氣，用于氫氣吹掃。為了確保氫氣吹掃順利進行，設(shè)置了三重保險：一是當單臺空氣壓縮機發(fā)生故障時，可以通過多路復用以確保吹掃功能的實現(xiàn)；二是即使在外部電源中斷的情況下，空氣壓縮機和空氣儲罐也可以接入應急電源系統(tǒng)，確保運行；三是即使在全部交流電都中斷的情況下，儲罐中空氣的量在短時間內(nèi)也滿足吹掃需求。

在氫氣吹掃過程中產(chǎn)生的氣溶膠會使儲罐內(nèi)部壓力升高，放射性物質(zhì)可能釋放到外部。因此，需要配備高性能的顆粒過濾器，并在主排氣管中控制輻射釋放。

2.5 有機試劑火災

為了避免后處理廠內(nèi)部化學藥品引起的火災威脅到重要設(shè)施的安全，部署了多種類型的火災探測器，以監(jiān)測是否有液體泄漏、泄漏液體的溫度及其狀態(tài)。如果發(fā)現(xiàn)泄漏，能夠?qū)嚎s氮氣輸送至泄漏點，降低氧氣濃度，防止著火。同時還設(shè)置了防火墻、防火閥、防滲透密封墊。

如果未能及時阻止試劑著火，將開啟通風系統(tǒng)，將放射性氣溶膠轉(zhuǎn)移至排氣系統(tǒng)中的過濾器，降低事故的輻射影響。另外，還將試劑廠房內(nèi)的藥品容器(如硝酸肼貯槽等)轉(zhuǎn)移到了地下。

2.6 玻璃固化熔爐放射性物質(zhì)的溢出或泄漏

在進行高放廢物玻璃固化過程中，熔爐處于高溫工作狀態(tài)，不斷產(chǎn)生含有放射性物質(zhì)的氣體。當熔爐出現(xiàn)故障停止加熱時，熔融玻璃尚未冷卻，放射性氣體還在持續(xù)產(chǎn)生，此時有可能由于高壓而造成放射性物質(zhì)泄漏。因此，六所村設(shè)置了自動釋壓系統(tǒng)，包括新型高性能顆粒過濾器，能夠防止放射性物質(zhì)泄漏并降低輻射影響。

另外，當熔爐廢氣洗滌器出現(xiàn)障礙時，也可能會造成放射性氣體泄漏。因此，在廢氣處理設(shè)備上設(shè)置了隔離閥，可及時切斷放射性物質(zhì)的泄漏途徑。

3 現(xiàn)場調(diào)查

六所村進行的現(xiàn)場調(diào)查包括陸上地質(zhì)調(diào)查、海上地質(zhì)調(diào)查和海嘯影響評價三個部分。

(1) 陸上地質(zhì)調(diào)查：抗震設(shè)計需要考慮到內(nèi)陸板塊內(nèi)地震、板塊間地震、海洋板塊內(nèi)地震和不確定震源地震等各個方面。因此，對廠址地基及其周圍進行了鉆探調(diào)查、挖掘調(diào)查和反射波法地震勘探等詳細的評價。

(2) 海上地質(zhì)調(diào)查：進行了近海聲波探測和海上鉆探，確認了廠房的安全性。利用聲波技術(shù)對近海地質(zhì)構(gòu)造進行勘測。同時進行海上鉆探，通過采集巖石樣品，對地下結(jié)構(gòu)進行分析。

(3) 海嘯影響評價：六所村廠區(qū)在海平面以上約55米，離海岸約5000米，因此，評估認為即使發(fā)生了最大級別的海嘯，也不會對該廠造成直接影響。

4 應急機制

六所村建立了完善的事故安全應急機制，成立了應急組織。為了方便應急工作人員在重大事故發(fā)生時及時進行管理和決策，六所村設(shè)置了應急指揮中心。

首先，應急組織中，由后處理業(yè)務(wù)部部長擔任應急管理領(lǐng)導小組的組長，在指揮中心全面組織開展應急措施；應急工作組則堅守主控制室，執(zhí)行輪班制度，保證各設(shè)施各崗位持續(xù)有人在崗；保障部門的人員在應急響應中心輪崗值班，保證即使節(jié)假日也能24小時隨時迅速做出響應。部分工作人員居住在六所村尾從地區(qū)，均接受了步行訓練，即使是在嚴冬時期，從最遠的分叉路口(距后處理廠約13千米)，也能保證在三個半小時左右到達廠區(qū)。

圖2 六所村應急體制組織關(guān)系圖

其次，應急指揮中心所在的大樓在設(shè)計時就具有抗震結(jié)構(gòu)，大樓內(nèi)配備了可維持一周的能源、食物及設(shè)備，并確保在通訊設(shè)備發(fā)生故障時，人員仍然能通過備用設(shè)備與外部保持聯(lián)絡(luò)。

目前，六所村對應急辦公室的人員規(guī)模及所在建筑進行了擴建，原規(guī)模為200人，現(xiàn)規(guī)模擴大了一倍。辦公大樓的鋼筋混凝土施工大致完成，正在進行各種機器裝置的安裝、配管配線施工等作業(yè)。

最后，為保障人員安全，六所村配備了必要的設(shè)備，包括去污用具、淋浴設(shè)施、洗眼器等，以減少放射性物質(zhì)對操作人員的影響。對操作人員進行了多種模擬狀況訓練，包括夜間及冬季等作業(yè)困難環(huán)境下的訓練。因此，即使在發(fā)生大規(guī)模災害的情況下，也能夠保證相關(guān)操作順利實施。