核電站地震后的處置及恢復(fù)策略

楊智博，周國(guó)良，楊 宇，潘 蓉

（生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心，北京 100082）

核電站震后處置及恢復(fù)策略主要包括震后應(yīng)急檢查、緊急處置、長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)、恢復(fù)運(yùn)行等內(nèi)容。SSCs 的正常運(yùn)行是確保核電站安全運(yùn)行的基本條件，由于其系統(tǒng)高度集中在核島內(nèi)，各項(xiàng)核安全設(shè)施相互依托，故研究震后處置及恢復(fù)有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

我國(guó)針對(duì)核電站抗震研究做出了不懈的努力。地震不僅會(huì)直接破壞核電站構(gòu)筑物，而且會(huì)導(dǎo)致設(shè)備和系統(tǒng)不能正常運(yùn)行、失電、失水、不能正常停堆，以及核反應(yīng)不受控制等。為防止或減輕地震災(zāi)害對(duì)核安全的危害，震后處置及恢復(fù)策略要起到關(guān)鍵性的作用。

1 遭受非災(zāi)難性地震襲擊的核電站統(tǒng)計(jì)

歷史上由于地震引發(fā)的事故雖然不多，但給人的警示卻十分深刻。地震引發(fā)的核電站事故包括2007 年7 月16 日日本新潟縣發(fā)生的里氏6.6 級(jí)地震，引發(fā)柏崎刈羽核電站多個(gè)裝有放射性廢料的罐子傾倒、含放射性物質(zhì)的水泄漏事故；2011年8月下旬，美國(guó)東部弗吉尼亞州發(fā)生里氏5.8級(jí)地震，震中附近一座核電站失去外部電源，反應(yīng)堆緊急停堆，另外12 座核電站出現(xiàn)異常[1]。

表1和表2統(tǒng)計(jì)了歷史上部分核電站遭受非災(zāi)難性地震襲擊的情況及損壞情況。本文所統(tǒng)計(jì)的地震事件均未造成核電站災(zāi)難性事故，故在本文中統(tǒng)稱為非災(zāi)難性地震襲擊的核電站。

表1 世界部分核電站遭受非災(zāi)難性地震襲擊的情況[2，3]Table 1 Non-destructive earthquake damage to nuclear power plants[2，3]

表2 核電站遭受非災(zāi)難性地震襲擊的情況[2，3]Table 2 Non-destructive earthquake damage to nuclear power plants[2，3]

也有學(xué)者采用實(shí)際地震記錄對(duì)核電站進(jìn)行分析，In-KilChoi[4]等通過(guò)近斷層地震記錄對(duì)韓國(guó)標(biāo)準(zhǔn)核電站KSNP安全殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了地震反應(yīng)分析。認(rèn)為核島廠房基頻高于近斷層地面運(yùn)動(dòng)的主頻，因此，地面運(yùn)動(dòng)效應(yīng)不會(huì)對(duì)核電站結(jié)構(gòu)造成大的破壞。Yang[5]等對(duì)近幾年來(lái)小震級(jí)地震記錄進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)比本地核電站設(shè)計(jì)反應(yīng)譜，發(fā)現(xiàn)地震波高頻段存在超過(guò)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的情況。美國(guó)核電抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)RG1.60 設(shè)計(jì)譜曾因小震近震易在高頻段超出設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，將高頻段譜進(jìn)行提高。

綜上，無(wú)論從核電站實(shí)際遭受地震襲擊所造成的結(jié)果，還是采用地震記錄對(duì)核島廠房的分析角度來(lái)說(shuō)，非災(zāi)難性地震未對(duì)核電站造成不可逆的影響，雖然在高頻段可能會(huì)超出設(shè)計(jì)反應(yīng)譜，但核電站實(shí)際安全功能完好。大部分核電站在強(qiáng)震加速度超過(guò)傳感器設(shè)定閾值時(shí)，自動(dòng)停堆系統(tǒng)發(fā)揮作用，控制棒迅速完成動(dòng)作，阻止了反應(yīng)堆繼續(xù)運(yùn)行。目前，除福島核電站因強(qiáng)震所致的次生災(zāi)害（海嘯）導(dǎo)致災(zāi)難性事件的發(fā)生外，其他地震來(lái)臨后，核電站均能夠保證基本安全功能完好。

2 核電站地震儀表安置情況

核電站規(guī)定必須安裝地震儀表系統(tǒng)，用以監(jiān)測(cè)地震的影響及對(duì)自動(dòng)停堆給出測(cè)量數(shù)據(jù)。表3 和表4 對(duì)比了日本Kashiwazaki-Kariwa 核電站和我國(guó)某核電地震儀表系統(tǒng)的安置情況。

數(shù)據(jù)提取 由2名研究者嚴(yán)格按照納入與排除標(biāo)準(zhǔn)獨(dú)立進(jìn)行資料 （一般資料和結(jié)局指標(biāo)）提取，并進(jìn)行交叉核對(duì)檢驗(yàn)，如遇分歧則由第3位研究者協(xié)助解決。資料提取完成后進(jìn)行文獻(xiàn)方法學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)。

目前，我國(guó)地震儀表系統(tǒng)布置數(shù)量與日本布置數(shù)量相當(dāng)，但自動(dòng)停堆閾值設(shè)置及自動(dòng)停堆策略不如Kashiwazaki-Kariwa 核電站保守。地震儀表系統(tǒng)對(duì)評(píng)估地震對(duì)核電站的影響非常重要，應(yīng)強(qiáng)調(diào)地震記錄的可用性和地震儀表的可靠性，進(jìn)而地震發(fā)生后能夠正確采取必要的行動(dòng)，同時(shí)，也給地震危險(xiǎn)性評(píng)估和SSCs 受損情況評(píng)估提供了重要數(shù)據(jù)，為震后處置和恢復(fù)決策的合理性提供數(shù)據(jù)支撐。

3 核電站震后處置及恢復(fù)策略調(diào)研

3.1 我國(guó)震后處置及恢復(fù)策略

《中華人民共和國(guó)防震減災(zāi)法》第四十六條規(guī)定：“交通、鐵路、水利、電力、通信等基礎(chǔ)設(shè)施和學(xué)校、醫(yī)院等人員密集場(chǎng)所的經(jīng)營(yíng)管理單位，以及可能發(fā)生次生災(zāi)害的核電、礦山、危險(xiǎn)物品等生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)單位，應(yīng)制訂地震應(yīng)急預(yù)案?！?/p>

表3 Kashiwazaki-Kariwa核電站傳感器布置情況（該廠址SL-1300gal，SL-2450gal）Table 3 Sensor Layoutof Kashiwazaki-Kariwa Nuclear Power Station（the site is sl-1300gal,sl-2450gal）

表4 國(guó)內(nèi)某核電站地震儀表傳感器布置情況（該廠址OBE150gal，SSE300gal）Table 4 Sensor Layout of One Nuclear Power Stationin China（the site OBE150gal,SSE300gal）

目前，我國(guó)核電站全部具備編制應(yīng)急預(yù)案及實(shí)施應(yīng)急預(yù)案的能力，并將破壞性地震以專項(xiàng)應(yīng)急預(yù)案的方式作為核電站的管理程序。震后處置和恢復(fù)作為其中的一部分予以規(guī)定。以某核電站為例，將響應(yīng)行動(dòng)根據(jù)地震加速度的大小分為5級(jí)事件，地震加速度分割點(diǎn)為0.01g、0.02g、0.1g 及OBE。當(dāng)?shù)卣饍x表檢測(cè)到峰值加速度超過(guò)0.02g且小于0.1g時(shí)，列為一般破壞地震；當(dāng)峰值加速度值超過(guò)0.1g 時(shí)，認(rèn)為發(fā)生嚴(yán)重破壞性地震。

震后處置包括檢查和評(píng)估。檢查包括對(duì)建構(gòu)筑物的完整性、系統(tǒng)、設(shè)備、管道、容器、儀表、閥門、控制保護(hù)、電氣設(shè)施的狀況，如果發(fā)現(xiàn)明顯的異?；驌p壞，必須進(jìn)行安全評(píng)估。將震后檢查內(nèi)容按照：土建、發(fā)電機(jī)組、安全相關(guān)設(shè)施、管道完整性、電氣設(shè)施、通風(fēng)冷卻系統(tǒng)和危險(xiǎn)品分類，但具體檢查方式和驗(yàn)收準(zhǔn)則未有提及。當(dāng)發(fā)生地震超過(guò)OBE 而停堆時(shí)，震后機(jī)組恢復(fù)策略標(biāo)準(zhǔn)為：（1）安全相關(guān)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、部件的安全功能完整且可用；（2）機(jī)組的繼續(xù)運(yùn)行不會(huì)危害環(huán)境和公眾；（3）國(guó)家核安全局的批準(zhǔn)。

3.2 國(guó)際核電站震后處置及恢復(fù)策略調(diào)查

美國(guó)核電起步較早，對(duì)于核電地震經(jīng)驗(yàn)積累和分析較多。程序響應(yīng)規(guī)定也比較細(xì)致。1989 年，電力研究協(xié)會(huì)（EPRI）發(fā)布了《核電站地震響應(yīng)指南》（NP-6695）[6]，對(duì)地震發(fā)生過(guò)后核電做需要采取的行動(dòng)進(jìn)行規(guī)定。這個(gè)指南被美國(guó)核管會(huì)（NRC）在管理導(dǎo)則RG1.166[7]和RG1.167[8]中引用。并于2013 年借鑒了幾年來(lái)在世界范圍內(nèi)經(jīng)歷了相對(duì)強(qiáng)烈地震的幾座核電站中部分應(yīng)用指南的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)對(duì)其進(jìn)行重編修訂。

國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）通過(guò)充分考慮各成員國(guó)從核電遭遇強(qiáng)震中獲得的地震安全知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，發(fā)布了《核電站的地震準(zhǔn)備與響應(yīng)》[2]，為核電站的震前準(zhǔn)備和震后行動(dòng)提供更新和詳細(xì)的指導(dǎo)。范圍包括地震前規(guī)劃和地震后行動(dòng)，這些行動(dòng)包括運(yùn)行操作、檢查、調(diào)查、測(cè)試和評(píng)估。

EPRI及IAEA相關(guān)文件對(duì)核電站地震響應(yīng)程序大致相同，具體過(guò)程如圖1所示。

其中地震響應(yīng)程序有如下部分：

（1）有關(guān)地震前規(guī)劃活動(dòng)的指導(dǎo)，包括制定核電站特定響應(yīng)程序，涵蓋了廣泛的結(jié)構(gòu)，設(shè)備管線等設(shè)施（SSCs），要求其能夠在遭遇地震后保持功能。

圖1 地震響應(yīng)流程圖Fig.1 Seismic response flow chart

（2）短期行動(dòng)，當(dāng)?shù)卣饋?lái)臨時(shí)，立即進(jìn)行必要的行動(dòng)，對(duì)震后是否關(guān)閉核電站做出決定（自動(dòng)停堆、手動(dòng)停堆和繼續(xù)運(yùn)行）。行動(dòng)內(nèi)容包括，操作人員立即采取行動(dòng)控制核電站，并確定可能由地震引起的任何異常情況（洪水、海嘯、火災(zāi)和電力故障等）、進(jìn)行核電站巡檢、對(duì)獲得的地面運(yùn)動(dòng)記錄進(jìn)行評(píng)估、停堆前檢查（如果未進(jìn)行自動(dòng)停堆）。

（3）重啟行動(dòng)，此部分需要決定停堆的核電站是否能夠重啟。首先，要進(jìn)行停堆后安全評(píng)價(jià)，確定損傷等級(jí)（DL）和地震水平（EL），將二者相聯(lián)系，形成行動(dòng)矩陣用于評(píng)估核電站重啟準(zhǔn)備所需的行動(dòng)等級(jí)，如圖5 所示。其中，損傷等級(jí)（DL）定義見(jiàn)表6。

（4）根據(jù)行動(dòng)水平提供震后檢查和測(cè)試的詳細(xì)指導(dǎo)。通過(guò)宏觀損傷等級(jí)DL 與量化的地震動(dòng)水平EL 共同評(píng)估出震后行動(dòng)等級(jí)，決定需要進(jìn)行檢查測(cè)試項(xiàng)目，用以指導(dǎo)核電站的重啟。該檢查測(cè)試項(xiàng)目的順序和內(nèi)容依據(jù)行動(dòng)等級(jí)的不同而不同。

（5）長(zhǎng)期行動(dòng)，主要是對(duì)短時(shí)間內(nèi)不能完成且不影響反應(yīng)堆重啟的相關(guān)必要行動(dòng)，具體包括場(chǎng)地地震危險(xiǎn)性重新評(píng)價(jià)、SSCs 地震安全評(píng)估、確認(rèn)受損安全相關(guān)SSCs（SRSSCs）或SSC類型系列的長(zhǎng)期功能，處理重啟后需要處理的損傷、審查抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)等。

表5 行動(dòng)矩陣Table 5 Action matrix

表6 損傷等級(jí)定義Table 6 Definition of damage grade

4 震后處置及恢復(fù)策略的分析及建議

4.1 分析

在過(guò)去的30 年中，一些核電站經(jīng)歷了一些近震小震的襲擊，這些事件的經(jīng)驗(yàn)表明，在地震事件發(fā)生后應(yīng)立即關(guān)閉在運(yùn)行核電站，并保持關(guān)閉狀態(tài)，進(jìn)行全面調(diào)查、檢查和評(píng)估，同時(shí)，重新評(píng)估核設(shè)施安全性，地震危險(xiǎn)性。在大多數(shù)情況下，即使地震水平超過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，這些核電站機(jī)組中并沒(méi)有明顯的損壞，安全功能完好。說(shuō)明目前抗震設(shè)計(jì)留有足夠的裕度，可以保證核電站的安全運(yùn)行。但如何將上述安全性量化，還有待研究。

通過(guò)對(duì)比國(guó)內(nèi)外核電震后處置及恢復(fù)策略，我國(guó)目前僅法律層面制定了宏觀的要求，規(guī)定必須制訂地震應(yīng)急預(yù)案，尚未專門針對(duì)核電站震后處置和恢復(fù)策略制定相應(yīng)的指導(dǎo)性文件，且核電站由于缺乏實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，其內(nèi)容雖然涵蓋了震后應(yīng)急響應(yīng)、震后檢查和評(píng)估，但具體深度和詳細(xì)內(nèi)容還不夠。導(dǎo)致我國(guó)核電站震后處置標(biāo)準(zhǔn)和程序存在實(shí)施和監(jiān)管的缺失?？傮w上與國(guó)際上的規(guī)定還有差距。

筆者認(rèn)為，核心是明確核電站地震震害，明確目標(biāo)后，通過(guò)設(shè)置一定的預(yù)防手段和處置措施達(dá)到地震前合理預(yù)防，震后應(yīng)急及時(shí)處置的目的。對(duì)我國(guó)核電站地震應(yīng)急預(yù)案內(nèi)容進(jìn)行分析后可知，我國(guó)核電站普遍存在重響應(yīng)，輕處置的情況。內(nèi)容側(cè)重于震后搶險(xiǎn)救災(zāi)準(zhǔn)備、避震疏散。震后處置及恢復(fù)策略是消除事故影響的重要方面，震后處置順序和處置過(guò)程的不同，一定會(huì)造成恢復(fù)的時(shí)間和處置的結(jié)果的不同。

4.2 建議

（1）建議廣泛調(diào)研，結(jié)合國(guó)際經(jīng)驗(yàn)深化細(xì)化我國(guó)震后處置策略，完善細(xì)化檢查評(píng)估內(nèi)容，優(yōu)化處置恢復(fù)過(guò)程，合理安排檢查評(píng)估程序，注重根據(jù)SSCs 對(duì)核安全的重要程度，以最安全最可靠的方式恢復(fù)系統(tǒng)功能.

（2）重視地震記錄的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。地震記錄作為震后評(píng)估的數(shù)據(jù)，對(duì)SSCs 地震評(píng)估的影響至關(guān)重要。

（3）借助數(shù)值模擬及結(jié)構(gòu)部件抗震實(shí)驗(yàn)等手段進(jìn)行薄弱項(xiàng)分析，彌補(bǔ)經(jīng)驗(yàn)缺乏帶來(lái)的不足，達(dá)到預(yù)防與修復(fù)相結(jié)合的目的。進(jìn)行核電設(shè)施設(shè)備的易損性分析，建立可靠度指標(biāo)，為震后處置和恢復(fù)策略提供數(shù)據(jù)。

（4）震后處置和恢復(fù)策略應(yīng)根據(jù)工程特點(diǎn)制定，注重不同專業(yè)相互之間的結(jié)合，不同系統(tǒng)之間接口的銜接，理清錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系，合理設(shè)定短期和長(zhǎng)期目標(biāo)。