濱海核電廠大件碼頭用于乏燃料海運的可能性探討

張震，張俊，王海良，孫繼濤，李佩，夏悟民，王安

（1.中核清原環(huán)境技術(shù)工程有限責任公司，北京 100037；2.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510230）

0 引言

為實現(xiàn)核能可持續(xù)發(fā)展，我國早在20世紀80年代即確定了核燃料閉式循環(huán)的技術(shù)路線，即將自核電站卸出的乏燃料通過后處理，進而提升核燃料的利用率。截至2018年3月，大陸在運行核電機組38臺，在建機組18臺[1]；根據(jù)核電中長期發(fā)展規(guī)劃，到2020年，在運行核電機組裝機容量將達到5 800萬kW，在建機組裝機容量將達到3 000萬kW以上[2]。目前在運行及建設(shè)的乏燃料后處理廠位于西北內(nèi)陸，而核電機組均分布在沿海各省，核電站乏燃料通過長距離、固定線路公路運輸至西北內(nèi)陸后處理廠。

隨著核電的快速發(fā)展，需運輸乏燃料至后處理廠的核電站數(shù)量以及乏燃料量也快速增加，在面臨多批次、多電站的運輸時，單一的公路運輸模式面臨速度慢、安全壓力大、對高速公路運輸干擾大、成本高等問題，建立公路、鐵路、海路聯(lián)運體系被國內(nèi)外視為大宗乏燃料遠距離運輸?shù)淖罴逊桨?，乏燃料海運是其中的重要環(huán)節(jié)。目前乏燃料海運的相關(guān)標準、規(guī)范尚未建立，乏燃料碼頭設(shè)施還未規(guī)劃建設(shè)，難以適應(yīng)迅速增長的乏燃料運輸需求。鑒于國內(nèi)的濱海核電廠均配套建設(shè)有大件碼頭用于重大件設(shè)備運輸，考慮利用該大件碼頭開展乏燃料海上運輸，再由中轉(zhuǎn)碼頭集中上岸經(jīng)固定的鐵路線路運輸至后處理廠。

論文重點分析國內(nèi)外核電站乏燃料運輸現(xiàn)狀、國內(nèi)乏燃料運輸需求、大件碼頭的設(shè)計船型、碼頭設(shè)施以及外部交通條件，綜合評價濱海核電廠大件碼頭對乏燃料船靠離泊和乏燃料貨包接卸的適應(yīng)性，并提出建議的乏燃料船總長和滿載吃水、大件碼頭改造措施以及乏燃料海運備選中轉(zhuǎn)碼頭，供建立乏燃料海運體系參考。

1 乏燃料運輸現(xiàn)狀及需求預(yù)測

1.1 國內(nèi)乏燃料運輸現(xiàn)狀

自2003年實施大亞灣核電站乏燃料公路運輸以來，經(jīng)歷多年的安全運行，我國已建立了一套成熟且完整的乏燃料公路運輸體系，運輸能力為50 tHM/a。

為確保乏燃料運輸?shù)陌踩?，運輸包裝容器的設(shè)計要求極高，通常單個運輸貨包重約120 t，長度約7 m。采用公路運輸屬于超限運輸，乏燃料運輸過程中車輛行進速度須嚴格控制，沿途交通受到一定程度影響[3]。

1.2 國外乏燃料運輸情況

英國和法國均建立了乏燃料鐵路運輸和海鐵聯(lián)運體系，由專業(yè)化的單位負責運輸。英國、法國國土面積較小，鐵路運距較短，核電站基本均具備鐵路直通條件，其國內(nèi)乏燃料運輸以鐵路運輸為主；同時，英國、法國還為日本、瑞士、德國等國家的乏燃料提供后處理服務(wù)，其中日本各核電站的乏燃料均利用核電廠大件碼頭通過專用船舶遠洋運輸至英國、法國的后處理設(shè)施。另外，瑞典和俄羅斯根據(jù)其國內(nèi)核電站和乏燃料處理設(shè)施的特點，建立了公海/公海鐵乏燃料運輸體系[4]。

乏燃料組件的海上運輸采用專門船舶，其建造應(yīng)當滿足國際海事組織針對裝運該類型物品運輸船舶的專門要求[5]，乏燃料運輸船在結(jié)構(gòu)上具有雙層船殼和船底，整個船艙隔成若干個密封倉，船頭設(shè)防撞艙壁和輔助防撞艙壁。船上裝有專門屏蔽、冷卻裝置、監(jiān)測和去污設(shè)備以及特殊的安全、導航和通信系統(tǒng)等。船舶針對通航水域、停泊碼頭的條件進行了特殊設(shè)計。國際上典型的乏燃料專用運輸船舶參數(shù)見表1。

表1 國際上典型的乏燃料船參數(shù)Table 1 Typical spent fuel ships parameters on the international

1.3 國內(nèi)乏燃料運輸需求

根據(jù)已經(jīng)建成核電站的運營時間[1]，按照乏燃料自核電站水池卸出后5～8 a即可滿足乏燃料運輸容器裝載運輸條件分析[6]，2020—2025年期間的乏燃料運輸主要來源核電站分布在遼寧、浙江、福建、廣東、廣西、海南等沿海6省區(qū)的8個核電基地內(nèi)，按照單臺百萬千瓦級機組每年卸出的乏燃料數(shù)量約25 tHM估算[7]，屆時每年的運量將達到200 tHM以上，遠超現(xiàn)有乏燃料公路運輸體系的50 tHM/a的運輸能力。

2 濱海核電廠大件碼頭基本情況

濱海核電廠大件碼頭主要用于電廠建設(shè)期接卸重大件設(shè)備，按件雜貨碼頭設(shè)計，執(zhí)行交通運輸部的碼頭設(shè)計規(guī)范體系。通常在核電廠附近獨立建設(shè)，遠離其它港區(qū)，具有標準高（配置420～1 000 t起重機）和使用頻次低（重大件設(shè)備運輸完后基本閑置）的特點，建設(shè)規(guī)模為滿足1艘3 000～5 000 t的甲板船或雜貨船靠泊的碼頭。

國內(nèi)已竣工的核電廠大件碼頭有紅沿河、石島灣、海陽、田灣、三門、寧德、福清、大亞灣（嶺澳）、臺山、陽江、昌江和防城港等12座核電廠大件碼頭，典型的大件碼頭現(xiàn)狀如圖1～圖4所示，在建的核電廠大件碼頭有徐大堡和陸豐等2座核電廠大件碼頭。

圖1 海陽核電廠大件碼頭（桅桿式起重機）Fig.1 Heavy cargo wharf in Haiyang Nuclear Power Plant(derrick crane)

圖2 田灣核電廠大件碼頭（全回轉(zhuǎn)固定式起重機）Fig.2 Heavy cargo wharf in Tianwan Nuclear Power Plant(stationary slewing crane)

圖3 三門核電廠大件碼頭（橋式起重機）Fig.3 Heavy cargo wharf in Sanmen Nuclear Power Plant(bridge crane)

圖4 防城港核電廠大件碼頭（門式起重機）Fig.4 Heavy cargo wharf in Fangchenggang Nuclear Power Plant(gantry crane)

2.1 設(shè)計船型

國內(nèi)在運營和已建核電廠大件碼頭的設(shè)計船型包含3 000 t甲板駁、4 200 t深艙駁、5 000 t甲板駁、3 000 DWT雜貨船和5 000 DWT雜貨船，船型列表見表2[8]。

表2 核電廠大件碼頭設(shè)計船型列表Table 2 List of heavy cargo wharf design ships of nuclear power plant

2.2 碼頭設(shè)施

核電廠大件碼頭的長度與設(shè)計船長和起重設(shè)備形式相關(guān)，其中設(shè)計船長與碼頭長度正相關(guān)，設(shè)計船長相同條件下，配置桅桿式和固定橋式起重機的碼頭需要移船作業(yè)，碼頭長度相對較長；港池和航道設(shè)計水深與設(shè)計船舶滿載吃水正相關(guān)。各個核電廠的碼頭長度和裝卸設(shè)備配置情況見表3[8]。

表3 各核電廠大件碼頭設(shè)施參數(shù)列表Table 3 Parameter list of heavy cargo wharf facilities of each nuclear power plant

2.3 對外交通

1）水運交通

大件碼頭通過港池航道對外水路交通，各核電廠大件碼頭港池水域天然水深均不滿足要求，經(jīng)人工疏浚后滿足設(shè)計船舶停泊；除田灣大件碼頭利用長距離人工疏浚航道進港，其它大件碼頭航道通航水深條件良好，僅部分大件碼頭航道發(fā)生少量疏浚。

2）鐵路交通

大件碼頭均未考慮對外交通的貨運鐵路線，無法直接轉(zhuǎn)鐵路聯(lián)運，因此在公海鐵聯(lián)運的模式下，還需要依托核電廠附近的鐵路線路實現(xiàn)陸上鐵路換裝及運輸，各大件碼頭與最近的鐵路站的距離見表4。

表4 各核電廠大件碼頭與最近鐵路站點距離列表Table 4 List of distance between each heavy cargo wharf and latest railway station

3 大件碼頭用于乏燃料海運的適應(yīng)性分析

3.1 碼頭設(shè)施

重點評價大件碼頭的碼頭長度、港池航道水深以及起重能力等與乏燃料船舶靠離泊和吊卸需求的適應(yīng)性。

1）碼頭長度適應(yīng)性

配置全回轉(zhuǎn)固定式或門式起重機時，不考慮移船作業(yè)；配置桅桿式或橋式起重機時，考慮兩端移船1/4倍船長，最大移船工況時，碼頭端部與船艏或船艉平齊。滿足乏燃料運輸船舶靠泊所需的碼頭長度計算原則如下：

配置全回轉(zhuǎn)固定式或門式起重機：Lb=L+2d

配置桅桿式或橋式起重機：Lb=L+0.5L

式中：Lb為碼頭長度；L為設(shè)計船長；d為船舶間富裕長度[9]。

經(jīng)核算和分析，國內(nèi)核電廠大件碼頭長度滿足新建乏燃料運輸船舶靠泊的保證率結(jié)果列表如表5。

表5 新建乏燃料船總長與大件碼頭保證率Table 5 The spent fuel ship's length overall and reliability of heavy cargo wharf

從表5可見，如新建乏燃料船總長取75 m，僅有1座核電廠大件碼頭不滿足靠泊長度要求，如燃料船總長加長，則碼頭長度不足的電廠數(shù)量相應(yīng)增加。對于不滿足乏燃料船舶靠泊碼頭長度要求的大件碼頭可在其兩端增設(shè)系纜墩。

新建乏燃料船總長取85 m時，滿足乏燃料運輸船靠泊的配置全回轉(zhuǎn)固定式或門式起重機的碼頭長度為105 m，則田灣核電廠的碼頭長度需加長35 m，福清、防城港需加長10 m，昌江需要加長5 m。如乏燃料船總長取92 m，滿足乏燃料靠泊的配置全回轉(zhuǎn)固定式或門式起重機的碼頭長度達到116 m，則田灣核電廠的碼頭需加長46 m，福清、防城港需加長21 m，昌江和寧德分別需加長16 m和6 m。

2）港池航道設(shè)計水深適應(yīng)性

國內(nèi)濱海核電廠大件碼頭港池航道設(shè)計水深滿足新建乏燃料運輸船舶靠泊的保證率結(jié)果統(tǒng)計分析見表6。

表6 新建乏燃料船滿載吃水與大件碼頭保證率Table 6 The spent fuel ship's load draft and reliability of heavy cargo wharf

從表6可見，如新建乏燃料船舶設(shè)計滿載吃水取3.8 m，僅1座核電廠大件碼頭港池航道設(shè)計水深不滿足要求，如設(shè)計滿載吃水加大，則設(shè)計水深不足的電廠數(shù)量相應(yīng)增加。對于港池航道設(shè)計水深不足的大件碼頭，可采取碼頭前沿護底結(jié)構(gòu)改造和港池航道浚深的措施。

乏燃料運輸船滿載吃水取4.1 m時，田灣核電廠港池航道需要浚深1.1 m，福清、防城港、海陽、石島灣和三門的港池需要浚深0.3 m。田灣、福清、海陽、石島灣和三門等4處大件碼頭采用重力式結(jié)構(gòu)，前沿停泊水域設(shè)計水深含0.6 m的備淤深度，因此田灣大件碼頭需要采取碼頭前沿護底結(jié)構(gòu)改造措施，其它大件碼頭前沿停泊水域利用原設(shè)計水深基本上滿足停泊要求；防城港大件碼頭采用樁基結(jié)構(gòu)，港池具備浚深0.3 m的條件。如乏燃料運輸船滿載吃水加大至4.5 m，福清、海陽、石島灣和三門等其它4處大件碼頭需采取碼頭前沿護底結(jié)構(gòu)改造措施以滿足前沿停泊水域浚深0.7 m的要求。

3）碼頭起重能力的適應(yīng)性

除大亞灣大件碼頭為光面碼頭，不具備固定式起重機作業(yè)能力，其余電廠均配置420～1 000 t起重機，滿足乏燃料貨包（單個貨包150 t）的吊卸要求。

4）綜合評價

核電廠大件碼頭基本滿足乏燃料貨包的吊卸要求；需要結(jié)合乏燃料船的總長和滿載吃水對碼頭長度和港池航道水深不足的大件碼頭進行改造，以滿足乏燃料船靠離泊和進出港要求，改造措施包括在碼頭兩端增設(shè)系纜墩、碼頭前沿護底結(jié)構(gòu)改造以及浚深港池航道。

如乏燃料船總長和滿載吃水分別控制在75 m和3.8 m，僅田灣需要進行碼頭加長和港池航道浚深。參考表1中瑞典核燃料和廢物管理公司M/S Sigrid運輸船舶參數(shù)，建議控制新建乏燃料運輸船單船運輸10個貨包，總長和滿載吃水分別取85m和4.1 m，對田灣、福清、防城港等3個大件碼頭進行碼頭加長和港池航道浚深，對海陽、石島灣和三門等3個大件碼頭港池進行少量的浚深。如乏燃料運輸船總長和滿載吃水進一步加大，大件碼頭改造的數(shù)量和成本過大，不經(jīng)濟。

3.2 對外交通

對設(shè)計水深不滿足乏燃料船靠離泊和通航的大件碼頭的港池航道進行浚深拓寬即可滿足水路交通運輸條件。可選擇1～2處核電廠大件碼頭作為中轉(zhuǎn)碼頭，集中上岸轉(zhuǎn)運鐵路運輸至西北內(nèi)陸后處理廠。福建、廣西、海南鐵路線相對不發(fā)達，且運輸距離過長，故寧德、福清、防城港和昌江等核電大件碼頭不適合作為公海鐵聯(lián)運的中轉(zhuǎn)碼頭；而廣東的陸豐、大亞灣、臺山、陽江和浙江的三門核電廠受制于京廣線和京滬線鐵路編組困難不適合作為公海鐵聯(lián)運的中轉(zhuǎn)碼頭。田灣、海陽、石島灣、徐大堡和紅沿河核電廠對外的鐵路交通條件較好，可作為乏燃料公海鐵聯(lián)運的備選中轉(zhuǎn)碼頭。除考慮其附近鐵路站場接駁的便利條件，具體中轉(zhuǎn)碼頭的選取還需要考慮鐵路沿線人口分布密度、鐵路運輸里程、客車對數(shù)、線路通過能力、技術(shù)條件、事故概率等方面因素[10]，本文不再展開論述。

4 結(jié)語

1）國內(nèi)濱海核電廠大件碼頭可作為乏燃料運輸海運碼頭，需根據(jù)乏燃料船的系泊、靠離泊要求，對碼頭長度和港池航道水深不足的核電廠大件碼頭進行改造，可采取大件碼頭兩端增設(shè)系纜墩以及碼頭前沿護底結(jié)構(gòu)改造和港池航道浚深的措施；除大亞灣核電廠大件碼頭需新配置起重設(shè)備或者陸路轉(zhuǎn)運外，其它核電廠大件碼頭配置的起重機均滿足乏燃料貨包裝卸要求。

2）建議控制新建乏燃料船單船運輸10個貨包，總長和滿載吃水分別在85 m和4.1 m左右，需對田灣、福清、防城港等3個核電廠大件碼頭進行加長和水域浚深，對海陽、石島灣和三門等3個核電廠港池進行少量的浚深。

3）田灣、海陽、石島灣、徐大堡和紅沿河核電廠對外的鐵路交通條件較好，可作為乏燃料公海鐵聯(lián)運的備選中轉(zhuǎn)碼頭，具體中轉(zhuǎn)碼頭的選取應(yīng)綜合考慮其碼頭條件及后方鐵路運輸條件確定。