船用核動力裝置核安全事件的分級方法

楊廣圣，陳寶，劉伯新，時浩，蔡琦

1海軍工程大學核能科學與工程系，湖北武漢 430033

2海軍駐北京地區(qū)艦船設(shè)備軍事代表室，北京 100176

3中國人民解放軍92730部隊，海南三亞 572016

船用核動力裝置核安全事件的分級方法

楊廣圣1，陳寶2，劉伯新3，時浩1，蔡琦1

1海軍工程大學核能科學與工程系，湖北武漢 430033

2海軍駐北京地區(qū)艦船設(shè)備軍事代表室，北京 100176

3中國人民解放軍92730部隊，海南三亞 572016

在船用核動力裝置運行的過程中，由于情況較核電廠系統(tǒng)復雜且環(huán)境更為惡劣，對于核安全事件的應急處理較為緊迫，又由于通信能力有限，因而船用核動力裝置比核電廠更需要簡潔而準確的事件報知能力，以便指揮體系以及技術(shù)支援體系能夠迅速做出正確決策，制定并采取一系列救援和善后措施。針對船用核動力裝置的事故特點，為解決各級決策者在異常工況下難以準確掌握事件嚴重程度的問題，圍繞核動力裝置的安全功能，尋找評價核事件后果的依據(jù)，結(jié)合《國際核和放射事件分級表（INES）》的成熟經(jīng)驗，建立一個統(tǒng)一的規(guī)則體系來描述事件的相關(guān)性質(zhì)（尤其是安全上的重要性），使各方面通過簡潔的溝通信息就能夠獲得對事件的共同理解，形成船用核動力裝置核安全事件的分級方法。

船用核動力裝置；核事件分級；運行安全；事故處置

0 引 言

在船用核動力裝置運行的過程中，由于時間緊迫并且通信能力有限，船用核動力裝置比核電廠更需要簡潔而準確的事件分級報知能力，以便指揮體系以及技術(shù)支援體系能夠迅速做出正確的決策，制定并采取一系列救援和善后措施。在核事件分級方面，《國際核和放射事件分級表（INES）》根據(jù)核事件的放射性后果將核電廠發(fā)生的核事件分為7個等級［1］。這種分級方法已被各國廣泛采用。但是，單純地按照放射性后果對核事件分級不能滿足船用核動力裝置核事件分級的需求。船用核動力裝置的安全特性更加復雜，評價其核事件的影響不能只考慮放射性后果，必須根據(jù)船用核動力裝置的安全特點，兼顧放射性安全與動力安全，開展核事件的分級研究。關(guān)于船用核動力裝置的核事件分級已有國軍標，但原有國軍標對于船用核動力裝置的核事件分級方法較為粗糙，不能綜合考慮并反映核事件造成的后果，仍有改進余地。故本文將根據(jù)不同的核事件分類分級方法及其特點，針對船用核動力裝置的核安全特性，詳細討論評價船用核動力裝置核事件嚴重程度的依據(jù)，確定分級方法。

1 核電廠核事件分類分級的方法

1970年美國標準學會按反應堆事故的放射性后果以及發(fā)生頻率f（次/年），將核電站運行工況分為以下4類［2］：

1）正常運行與瞬態(tài)（f＝1）。主要包括核電站的正常運行、允許范圍內(nèi)的負荷變化以及帶有允許偏差的極限運行。

2）預期運行事件（3×10-2≤f＜1）。指在最壞的情況下會使反應堆緊急停堆，但不會產(chǎn)生更嚴重后果的事件。

3）稀有事故（10-4≤f＜3×10-2）。可造成反應堆停堆并產(chǎn)生放射性釋放的事故，但放射性污染不會危害到隔離半徑以外的公共區(qū)域。

4）極限事故（10-6＜f＜10-4）。導致大量放射性物質(zhì)釋放、對環(huán)境造成污染的事故［3］。這種分類方法主要針對在核動力裝置設(shè)計過程中遇到的安全評價問題，對不同工況采用不同的驗收準則。

切爾諾貝利核事故后，各國公眾強烈要求及時獲得有關(guān)核電廠運行及事故情況的通報。但是，由于對核設(shè)施發(fā)生的事件缺少統(tǒng)一的分級標準，再加上公眾對核事件的恐懼和專業(yè)知識的缺乏，往往導致核設(shè)施發(fā)生的事件被曲解或夸大地加以宣傳。針對這種情況，一些國家相繼建立了簡化的、能夠使各界共同理解核事件嚴重程度的指標。1990年初，國際原子能機構(gòu)（IAEA）和經(jīng)濟合作與發(fā)展組織（OECD）的核能局（NEA）成立了國際專家組，討論制定國際性核事件分級標準的基本原則。專家組為此進行了一系列的討論，并吸取了法國和日本的經(jīng)驗，最終制定了INES［4］。該分級表根據(jù)3個準則，將核電廠發(fā)生的核事件分成了7個等級，該準則是：準則1“人和環(huán)境”，評定為2～7級；準則2“設(shè)施的放射屏障和控制”，評定為 2～5 級；準則 3“縱深防御”，評定為 1～3級。并將3個準則列于1張表中，評定級別規(guī)范、準確、簡明，級別對應關(guān)系良好。在這3個準則中，“人和環(huán)境”準則和“設(shè)施的放射屏障和控制”準則是從放射性安全的角度分析核事件的影響，“縱深防御”準則是從裝置抵御核事故能力的角度來分析核事件的影響［5］。

但是，單純地按照放射性后果對核事件進行分級不能滿足船用核動力裝置核事件分級的需求。因為與核電廠相比，船用核動力裝置的安全特性更加復雜，評價其核事件的影響不能只考慮放射性后果，必須根據(jù)船用核動力裝置的安全特點，兼顧放射性安全與動力安全，開展核事件的分級研究。

2 船用核動力裝置的核安全特性

與核電廠相比，船用核動力裝置有著鮮明的特點。這些特點對裝置在事故狀態(tài)下的響應以及運行人員的事故處置措施等都有著重大的影響，是確定船用核動力裝置核安全事件分級方法時必須考慮的重要因素。

2.1 結(jié)構(gòu)特點

由于船體艙室空間狹小、設(shè)備密集，使得船用核動力裝置極易發(fā)生疊加故障，事故響應過程具有較強的不確定性。在船用核動力裝置中，相關(guān)安全系統(tǒng)的設(shè)計受到船用艙室空間的限制，自動化程度有限。當船用核動力裝置發(fā)生事故后，能否最大限度地控制事故后果，依賴于操作人員的正確判斷和干預。

2.2 使命特點

由于使命任務(wù)的不同，保障核電廠的安全集中體現(xiàn)在保證反應堆和安全殼的安全上，因為核電廠把控制放射性物質(zhì)的釋放作為核安全的根本目標，只要發(fā)生可能導致放射性物質(zhì)不可控釋放的事故都允許關(guān)閉反應堆。然而，船用核動力裝置的安全性問題有著更為復雜的影響因素，船用總體的安全性與核動力裝置的安全性有著密切的聯(lián)系。

2.2.1 反應堆的安全與船體總體的安全相互依賴

船體是核動力裝置的運行平臺，它包容了核動力裝置的所有設(shè)備，船體的安全是保障核動力裝置安全的前提；而核動力裝置是船體的動力源，是保證船體完成其使命任務(wù)的關(guān)鍵，核動力裝置的安全是保障船體安全的重要條件。兩者的安全性之間相互依賴，彼此影響。一方面，船體所面臨的安全問題也會影響核動力裝置的安全；另一方面，在特殊航道航行的過程中，若核動力裝置發(fā)生安全問題可能會引起反應堆快速停閉而使得船體喪失主動力，進而可能導致船體和核動力裝置同時損毀的嚴重后果。

2.2.2 維持動力輸出與保障反應堆安全之間的矛盾

與核電廠的情況不同，船用核動力裝置是一個獨立運動的平臺，在海上很難從外界獲得有效的應急支持，一切行為的動力保障都必須由船體本身來提供，因此裝置在海上運行的過程中不能輕易地停閉反應堆。當船體遇到緊急情況時，允許船用核動力裝置在超技術(shù)設(shè)計規(guī)范的工況下運行，甚至冒著輕度損傷的危險維持動力輸出的能力，對于保障整個船體的安全是有利的。這涉及到如何最大限度地發(fā)揮船用核動力裝置的固有安全性的問題，應當系統(tǒng)地開展運行安全的研究工作。以控制放射性物質(zhì)泄漏為最終目標，以保障核動力裝置的動力輸出能力為主要條件，站在保障船體整體安全性的高度決定事故的處置措施，是船用核動力裝置區(qū)別于陸基核電廠的重要特點。

2.3 使用特點

運行工況變化頻繁也是船用核動力裝置區(qū)別于陸基核電廠的主要特點之一。反應堆輸出的功率必須滿足船體動力負荷大幅度頻繁變化的需求，航行狀態(tài)下的航速變化必然需要反應堆的輸出功率相應地變化。因此，分析頻繁變化的負荷對設(shè)備和管路的影響，給出負荷變化速率的限定值，對保證船用核動力裝置的運行安全有著重要的意義［6］。

3 船用核動力裝置核事件分級的方法

核動力裝置可能發(fā)生的始發(fā)事件涉及到多個系統(tǒng)，并從不同的方面影響裝置的安全運行。而用統(tǒng)一的標準尺度來衡量事件的后果是核事件分級所要解決的首要問題。電廠核動力裝置對人和環(huán)境的主要威脅是潛在的放射性物質(zhì)的釋放，而多層縱深防御措施是保障核安全的關(guān)鍵。因此評價核事件的嚴重程度時主要考慮事件產(chǎn)生的放射性釋放量，以及對裝置縱深防御能力的影響。在這方面，INES的核事件分級方法已經(jīng)相當成熟，所給出的分級標準能夠準確地評價核事件對放射性安全的影響。

然而船用核動力裝置的安全性問題不僅涉及到放射性物質(zhì)的釋放，還涉及到其他任務(wù)的完成。因此船用核動力裝置核安全事件分級研究的任務(wù)主要體現(xiàn)在以下2個方面：

1）根據(jù)INES的分級方法，合理地利用實際裝置中的監(jiān)測手段，評價船用核動力裝置核事件的放射性影響；

2）確定一個與INES級別相對應的尺度來評價核事件對任務(wù)的影響。

評價船用核動力裝置核事件的嚴重程度時，主要考慮的是放射性后果、縱深防御能力和動力輸出能力，參考INES的分級方法，船用核動力裝置核事件的分級準則可以確定為以下3個：放射性安全、縱深防御以及動力輸出。

3.1 放射性安全

INES中對放射性后果的評價標準已經(jīng)相當完善并被廣泛認可，確定“放射性安全”準則時可沿用INES的做法［7］。此外，為便于運行人員在事故處置的過程中了解放射性后果的嚴重程度，提高分級方法的可執(zhí)行性，“放射性安全準則”還應當給出艙室輻射監(jiān)測系統(tǒng)各測量值的定級尺度。

3.1.1 環(huán)境釋放

根據(jù)INES的描述，若事件引起的環(huán)境釋放量超過1016Bq131I的當量，則應定為7級；若環(huán)境釋放量超過1015Bq131I的當量，事件最低應定為6級；若環(huán)境釋放量超過1014Bq131I的當量，事件的最低定級為5級；若環(huán)境釋放量超過1013Bq131I的當量，事件的最低定級為4級。

即假設(shè)環(huán)境釋放量為Q環(huán)，考慮環(huán)境釋放給出的定級為S環(huán)，則可得到

3.1.2 個人劑量

若個人出現(xiàn)致命的確定性效應，最低應定為4級；若個人出現(xiàn)非致命的確定性效應或者1名工作人員的有效劑量超過法定年全身劑量限值的10倍，最低應定為3級；若1名公眾成員所受照射的有效劑量超過10 mSv或者1名工作人員受到的照射超過法定年劑量限值，最低應定為2級；若1名公眾成員受到的照射超過法定年劑量限值或者1名工作人員受到的照射超過劑量約束值，最低應定為1級。對于個人受照劑量的評價模式和劑量限值，可參考GJB1067.1-91和GJB1067.4-91中的相關(guān)規(guī)定［8-9］。

即假設(shè)工作人員受到照射的個人有效劑量為Hw，公眾成員受到照射的個人有效劑量為Hp，考慮個人劑量給出的定級為S個人，則可得到

3.1.3 堆芯損傷的程度

若反應堆中有超過1%的燃料熔化或堆芯釋放的放射性物質(zhì)超過總量的1%，最低應定為5級；若堆芯釋放的放射性物質(zhì)超過總量的0.1%，最低應定為4級。

即假設(shè)堆芯的放射性物質(zhì)釋放量與堆芯放射性物質(zhì)總量的比值為Q堆，考慮堆芯損傷給出的定級為S堆，則可得到

3.1.4 工作區(qū)中的輻射劑量

船用核動力裝置的艙室輻射監(jiān)測系統(tǒng)可為運行人員掌握工作區(qū)的輻射照射情況提供可信的數(shù)據(jù)支持。輻射監(jiān)測系統(tǒng)的各測量參數(shù)大多設(shè)置了相關(guān)的“報警值”和“干預值”。若某一參數(shù)的測量值超過其報警值，說明核動力裝置的放射性包容能力在某一方面存在著缺陷，事件最低定級應為1級；若某一參數(shù)的測量值超過其干預值，此時運行人員必須采取相應的干預措施，事件最低定級應為2級。

即假設(shè)Vi為輻射監(jiān)測系統(tǒng)中某個參數(shù)的測量值，為輻射監(jiān)測系統(tǒng)中某個參數(shù)的報警值，為輻射監(jiān)測系統(tǒng)中某個參數(shù)的干預值，考慮工作區(qū)輻射劑量率給出的定級為S區(qū)，則可得到

按照“放射性安全”準則給出的事件級別S放應為上述4個級別的最大值，即

3.2 縱深防御

從縱深防御的角度考慮，影響級別評定的因素有：始發(fā)事件的預期頻度、安全功能的可運行性以及是否挑戰(zhàn)裝置的基本安全功能［10］。

3.2.1 始發(fā)事件的發(fā)生概率

預期事件即發(fā)生頻率f≥10-2的始發(fā)事件。包括：反應堆保護停堆；主給水流量喪失；由于安全閥或卸壓閥的意外動作，致使反應堆冷卻劑系統(tǒng)壓力下降；穩(wěn)壓器正常或輔助噴淋冷卻造成反應堆冷卻劑系統(tǒng)壓力意外下降；不妨礙反應堆受控停堆和降溫的反應堆冷卻劑系統(tǒng)泄漏；不妨礙反應堆受控停堆和降溫的蒸汽系統(tǒng)泄漏；除反應堆冷卻劑泵轉(zhuǎn)子卡死外，反應堆冷卻劑強迫流動完全喪失或中斷。

可能事件是發(fā)生頻率10-2＞f≥10-4的始發(fā)事件。包括：小破口失水事故、蒸汽發(fā)生器的1根傳熱管完全斷裂和反應堆冷卻劑通過多個安全閥或卸壓閥噴放。

不大可能的事件是發(fā)生頻率f＜10-4的始發(fā)事件。包括：大破口失水事故；單個控制棒彈出以及蒸汽系統(tǒng)管道大破口。

用K表示始發(fā)事件的頻度，則

3.2.2 安全功能的可運行性

安全功能的可運行性包含了很寬的范圍。為了尋找一種較為清晰的評價尺度，可將其分成4類：

1）完全滿足要求：安全系統(tǒng)的所有部件都是完好的，安全功能沒有喪失。

2）滿足最低運行限值要求：安全系統(tǒng)的可運行性能夠維持反應堆帶功率運行，但冗余性可能喪失。

3）剛剛滿足要求：安全系統(tǒng)可能發(fā)生大范圍故障，但能剛好實現(xiàn)受到挑戰(zhàn)的安全功能。

4）不滿足要求：安全系統(tǒng)不能實現(xiàn)受到挑戰(zhàn)的安全功能［11］。

用C表示安全功能的可運行性，則

根據(jù)INES的分級標準，當始發(fā)事件對核動力裝置的基本安全功能構(gòu)成挑戰(zhàn)時，始發(fā)事件頻度與安全功能可運行性的所有組合情況可用分級矩陣 A1表示

式中，A1各元素的值即為所對應情況下事件的級別，其中數(shù)值1.5表示該情況下既可將事件定為1級也可定為2級；同理，數(shù)值2.5表示該情況下既可將事件定為2級也可定為3級。

當始發(fā)事件沒有對核動力裝置的基本安全功能構(gòu)成挑戰(zhàn)時，需要特定安全系統(tǒng)動作的潛在始發(fā)事件的頻度與安全功能可運行性的所有組合情況，可用分級矩陣A2表示

式中，A2各元素的值即為所對應情況下事件的級別，其中數(shù)值1.5表示該情況下既可將事件定為1級也可定為2級。

3.2.3 附加因素

在某些特殊的情況下，可能會存在一些附加因素而需要將某事件的級別定得比前面的基本定級高一級。符合這種條件的主要附加因素有3個：共因故障、安全文化問題以及裝置的薄弱環(huán)節(jié)。即使某一事件在不考慮這些附加因素時本身沒有什么安全意義，但因為有了這些因素就有可能把它定為1級。在考慮附加因素時應注意：即使考慮所有的附加因素，事件的級別也只能提高1級。此外，按照縱深防御準則確定的事件級別不能超過3級。

3.3 動力輸出

在船體的安全受到外部威脅時，如果核動力裝置的動力輸出能力完全喪失，這種情況下極易發(fā)生船體損壞，產(chǎn)生難以估量的后果。由于該種情況可能會導致多人受傷或死亡，根據(jù)INES的定級尺度，事件級別應定為4級。如果核動力裝置的動力輸出能力不能完全滿足任務(wù)的需求，但是能夠滿足應急狀態(tài)下的功率需求，則在很大程度上為反應堆的安全提供了保障，事件級別應定為3級。如果核動力裝置喪失部分動力，但剩余的動力輸出能力可以滿足任務(wù)需求，此時因情況緊急多變，完成后續(xù)任務(wù)的能力受到威脅，事件定級為2級。當船體的安全沒有受到外部威脅，若核動力裝置完全喪失動力輸出能力，則完成后續(xù)任務(wù)的能力將受到一定的影響，事件定級為1級。

假設(shè)按照動力輸出準則給出的事件級別為S動，則可得到

3.4 定級程序

經(jīng)過前文的討論，參考INES的定級方法，可以確定船用核動力裝置核安全事件分級表（表1）以及定級程序（圖1）。

在應用船用核動力裝置核安全事件分級表對某一事件進行等級評定之前，首先要判斷該事件是否影響核安全，若對核安全沒有影響，則不能使用本分級表評價其嚴重程度。若有影響，則先分別按照放射性安全、動力輸出和縱深防御3個準則，從3個角度給出該事件的3個基本定級，然后選取3者的最高級別作為最終定級，最后還應檢查所確定的級別是否與表1描述的一致，若不一致應重新定級［12］。

表1 船用核動力裝置核安全事件分級表Tab.1 Nuclear event scale of marine nuclear power plants

圖1 定級程序Fig.1 Rating procedure

4 結(jié) 語

船用核動力裝置核安全事件分級工作的本質(zhì)是：建立統(tǒng)一的規(guī)則體系來描述事件的相關(guān)性質(zhì)（尤其是安全上的重要性），使各方面通過簡潔的溝通信息就能夠獲得對事件的共同理解。本文首先闡述了不同的核事件分類分級方法及其特點，

然后針對船用核動力裝置的核安全特性，詳細討論了評價船用核動力裝置核事件嚴重程度的依據(jù)，確定了分級方法。本文的研究成果可為船用核動力裝置運行支持體系服務(wù)，也可為核事件的統(tǒng)計分析以及核動力裝置的運行經(jīng)驗反饋提供有力的支持，便于促進和加強各相關(guān)單位之間的技術(shù)交流，提高船用核動力裝置的核安全水平。

［1］International Atomic Energy Agency.The international nuclear and radiological event scale user's manual［R］.Vienna：International Atomic Energy Agency，2009.

［2］International Atomic Energy Agency.Accident analysis for nuclear power plants［R］.Vienna：International Atomic Energy Agency，2002.

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ZHU Jizhou，SHAN Jianqiang，WANG Xuerong.Research on the measures for safe operation of nuclear power plant［J］.Nuclear Science and Engineering，2001，21（1）：15-20.

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［6］張大發(fā).船用核反應堆運行管理［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2010.

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ZHANG Luqing.Introduction of the international nuclear event scale and preliminary proposal of INES's implementation in China［J］.Nuclear Power Engineering，1992，13（5）：13-17.

［8］中國核動力研究設(shè)計院.潛艇核動力設(shè)施輻射防護安全規(guī)定總則：GJB1067.1-91［S］.北京：國防科學技術(shù)工業(yè)委員會，1991.

［9］中國核動力研究設(shè)計院.潛艇核動力設(shè)施輻射防護安全規(guī)定工作人員個人劑量測量與評價：GJB1067.4-91［S］.北京：國防科學技術(shù)工業(yè)委員會，1991.

［10］ 張祿慶.核電廠應急操作規(guī)程的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢［J］.核動力工程，1993，14（4）：310-313.

ZHANG Luqing.Present situation and devolopment trend of NPP emergency operating procedure［J］.Nuclear Power Engineering，1993，14（4）：310-313.

［11］International Atomic Energy Agency.Development and review of plant specific of plant specific emergency operating procedures［R］.Vienna：International Atomic Energy Agency，2006：6-11，25-33，66-82.

［12］ 冷瑞平.國際核事件分級的輔助導則——國際核事件分級咨詢委員會第2次會議報告［J］.輻射防護通訊，1995，15（4）：60-64.

Classification method of nuclear events for marine nuclear power plants

YANG Guangsheng1，CHEN Bao2，LIU Boxin3，SHI Hao1，CAI Qi1
1 Department of Nuclear Science and Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China
2 Naval Ship Equipment Representative Office in Beijing，Beijing 100176，China
3 The 92730thUnit of PLA，Sanya 572016，China

Due to the lack of time and limited communicative capacity during operation,the nuclear powered ship requires more concise and accurate event reporting capability than common nuclear power plants,which ensures the actual conditions of the marine nuclear power plant can reach multiple parties quickly.This paper focuses on the events reporting problem of marine nuclear power plants∶by combining with the mature experience of the international nuclear and radiological event scale（INES）,a unified system of rules is established,and the classification standards helping different parties to realize the severity of nuclear events are formed.The research work is of great significance to the safety assurance of marine nuclear power plants.

marine nuclear power plant；nuclear event classification；operation safety；nuclear event disposal

U664.15

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2015.06.014

http∶//www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20151110.1026.030.html 期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

楊廣圣，陳寶，劉伯新，等.船用核動力裝置核安全事件的分級方法［J］.中國艦船研究，2015，10（6）：95-100.Yang Guangsheng，Chen Bao，LIU Boxin，et al.Classification method of nuclear events for marine nuclear power plants［J］.Chinese Journal of Ship Research，2015，10（6）：95-100.

2015-06-27 網(wǎng)絡(luò)出版時間：2015-11-10 10∶26

楊廣圣，1967年生，男，碩士，高級工程師。研究方向：核動力工程

時浩，1992年生，男，博士生。研究方向：艦船反應堆安全分析。E-mail：772726431＠qq.com

蔡琦（通信作者），1961年生，男，博士，教授。研究方向：艦船反應堆可靠性工程及安全分析

胡文莉］