淺談除核電外核燃料循環(huán)中物料泄漏事故的隱患排查

趙國(guó)志，郝 悅，曲 鵬，張 琦

（核工業(yè)理化工程研究院，天津 300300）

閉式核燃料循環(huán)主要包括核燃料加工、核電站、乏燃料后處理、燃料的運(yùn)輸、廢物處置和退役等環(huán)節(jié)，目前，中國(guó)、俄羅斯、英國(guó)、法國(guó)和日本等國(guó)都采用了閉式核燃料循環(huán)策略。在核燃料循環(huán)領(lǐng)域中，物料泄漏主要包括UF6、含鈾固體粉末等。國(guó)內(nèi)外物料泄漏事故的研究基本上遵循單一故障準(zhǔn)則［1-5］。單一故障準(zhǔn)則是確定論安全分析的基本假設(shè)，在設(shè)計(jì)階段以及安全分析時(shí)，保證設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事件情況下的系統(tǒng)安全。但是，國(guó)內(nèi)近10年來(lái)，核燃料循環(huán)領(lǐng)域中（除核電外）較為頻繁地發(fā)生物料泄漏事故，究其原因，幾乎都是設(shè)備雙重失效或疊加人因失效［6］。因此，目前對(duì)于核燃料循環(huán)領(lǐng)域（除核電外）的隱患排查工作，可能會(huì)遺漏或忽視可能造成泄漏事故的隱患。概率安全分析（Probabilistic safety assessment，簡(jiǎn)稱PSA）則可對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的各種可能發(fā)生的事件、事故進(jìn)行全面分析，有助于排查出未引起注意的事故隱患。

在國(guó)內(nèi)系統(tǒng)地進(jìn)行核燃料循環(huán)領(lǐng)域（除核電外）的隱患排查研究尚屬首次，本研究首先總結(jié)歸納了國(guó)內(nèi)外典型的物料泄漏事故，綜合應(yīng)用較為先進(jìn)的隱患排查方法，對(duì)國(guó)內(nèi)核燃料循環(huán)領(lǐng)域中（除核電外）的物料泄漏事故隱患進(jìn)行討論，為中國(guó)閉式核燃料循環(huán)的建設(shè)和運(yùn)行的核安全管理和策略提供參考，亦為后續(xù)進(jìn)行的核燃料循環(huán)（除核電外）概率安全分析打下基礎(chǔ)。

1 物料泄漏事故

1970年至2014年，國(guó)外核燃料循環(huán)領(lǐng)域發(fā)生了上千起物料泄漏事件、事故，其中典型的物料泄漏事件／事故見(jiàn)表1［6-7］。國(guó)內(nèi)核燃料循環(huán)領(lǐng)域中典型的物料泄漏事故見(jiàn)表2。

表1 國(guó)外典型的物料泄漏事件/事故Table 1 Typical material leakage accidents abroad

表2 國(guó)內(nèi)典型的UF6泄漏事件/事故Table 2 Typical UF6leakage accident in China

國(guó)內(nèi)、國(guó)外發(fā)生的物料泄漏事故中，相同原因的事故（如同類型閥門損壞）會(huì)多次發(fā)生；在設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，往往會(huì)疊加操作人員失誤，致使事件進(jìn)一步發(fā)展。此外，在事故后的調(diào)查和訪談當(dāng)中發(fā)現(xiàn)，很多事故原因最初都沒(méi)有引起注意，沒(méi)有列入事故隱患，致使事故發(fā)生后，工作人員和應(yīng)急人員會(huì)做出不恰當(dāng)?shù)奶幹谩ｋm然物料泄漏事故不如臨界事故、核電廠嚴(yán)重事故的后果嚴(yán)重，但是，各種物料仍然會(huì)對(duì)工作人員、廠房及周邊環(huán)境造成嚴(yán)重影響，相關(guān)的清理活動(dòng)會(huì)耗費(fèi)相當(dāng)?shù)娜肆ξ锪?，容易造成不良的社?huì)影響和恐慌。因此，中國(guó)原子能工業(yè)有限公司相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)做出了“全面深入、細(xì)致徹底、不留死角、不留盲區(qū)”的物料泄漏事故隱患排查指示，這對(duì)核燃料循環(huán)安全穩(wěn)定的運(yùn)行具有很大的戰(zhàn)略指導(dǎo)意義，也對(duì)核燃料循環(huán)領(lǐng)域提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。

2 隱患排查方法和途徑

一般情況下，隱患排查方法和途徑主要包括按設(shè)備周期排查、缺陷統(tǒng)計(jì)分析法、設(shè)備設(shè)計(jì)安裝中排查、運(yùn)行巡視中排查、設(shè)備維護(hù)中排查、大小修中排查、設(shè)備點(diǎn)檢、安全大檢查等［9，10］，具體內(nèi)容見(jiàn)表3。但是，從國(guó)內(nèi)、外燃料循環(huán)中發(fā)生的事件、事故來(lái)看，這些方法和途徑都有一定的滯后性，不能預(yù)見(jiàn)性的發(fā)現(xiàn)事故隱患，即事件、事故的經(jīng)驗(yàn)反饋得到的根本或直接原因可以被邏輯地解釋，但事先沒(méi)有將此項(xiàng)列為事故隱患。如大小修中的隱患排查，需管理人員和技術(shù)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以及相關(guān)記錄進(jìn)行隱患的逐一排查，這個(gè)過(guò)程可能會(huì)忽略未有先例的事故隱患。

表3 隱患排查方法和途徑Table 3 Methods and ways of hidden danger investigation

因此，本文嘗試把核電站PSA 方法的一些思想理念引入核燃料循環(huán)的隱患排查中。與傳統(tǒng)的隱患排查方法相比，PSA 對(duì)事故的研究更加全面細(xì)致。PSA工作主要包括事故序列分析和系統(tǒng)可靠性分析（含人因可靠性分析），事故序列分析的起點(diǎn)是始發(fā)事件分析，始發(fā)事件分析旨在確定潛在的、會(huì)導(dǎo)致不期望后果的那些事件，通常包括工程評(píng)估法和演繹法，本文主要采用工程評(píng)估法，即梳理核燃料循環(huán)領(lǐng)域（除核電外）的歷史運(yùn)行記錄、維修記錄、操作規(guī)程等資料；系統(tǒng)可靠性分析中失效模式和影響分析（Failure Modes and Effects Analysis，簡(jiǎn)稱FMEA）是常用的標(biāo)準(zhǔn)方法，可以系統(tǒng)地鑒別在設(shè)備設(shè)計(jì)中的潛在失效，并分析該失效對(duì)設(shè)備/系統(tǒng)可能造成的影響［11］。人因分析主要包括始發(fā)事件發(fā)生前的人員動(dòng)作、造成始發(fā)事件的人員動(dòng)作和事件進(jìn)行中的人員動(dòng)作，本文主要考慮前兩種人因失效。始發(fā)事件分析結(jié)合FMEA方法，并考慮人為因素，可較為全面地研究系統(tǒng)潛在的失效，從而全面地進(jìn)行事故隱患排查。

3 除核電外核燃料循環(huán)物料泄漏隱患排查

通過(guò)梳理近十年除核電外核燃料循環(huán)事件的事故經(jīng)驗(yàn)反饋，核燃料循環(huán)（除核電外）領(lǐng)域各單位的操作規(guī)程和應(yīng)急預(yù)案，相關(guān)的FMEA 研究結(jié)果，以及維修人員、操作人員和研究人員的訪談，總結(jié)了核燃料循環(huán)幾個(gè)重要環(huán)節(jié)中物料泄漏的事故隱患排查結(jié)果。其中三類人員訪談是對(duì)表3 列舉隱患排查方法的重要補(bǔ)充，亦是PSA 中人因失效分析的重要步驟。例如，對(duì)國(guó)內(nèi)某鈾濃縮廠進(jìn)行隱患排查時(shí)，與維修人員訪談后發(fā)現(xiàn)，數(shù)個(gè)主要管道（布置復(fù)雜）上某類型魚(yú)雷閥體朝向內(nèi)側(cè)，在不進(jìn)行管道拆除的前提下，檢、維修時(shí)工作人員較難使用維修工具進(jìn)行操作，導(dǎo)致維修人員會(huì)數(shù)次漏過(guò)內(nèi)側(cè)朝向的閥門，而事件/事故記錄顯示歷史上數(shù)次物料泄漏事件/事故均與此類魚(yú)雷閥有關(guān)，因此將內(nèi)側(cè)朝向的魚(yú)雷閥列入物料泄漏隱患清單。

3.1 鈾濃縮環(huán)節(jié)

鈾濃縮環(huán)節(jié)涉及到的鈾物料會(huì)以氣態(tài)、固態(tài)、液態(tài)三種形式存在，臨界事故通常不作考慮［12］，因此事故隱患排查要考慮物料三種形態(tài)可能的泄漏途徑［13］。除了鈾濃縮環(huán)節(jié)常規(guī)的廠內(nèi)隱患排查外，鈾濃縮環(huán)節(jié)的的事故隱患排查結(jié)果見(jiàn)表4。根據(jù)設(shè)備類型，把鈾濃縮廠的事故隱患排查集中在容器、管線和閥門、監(jiān)測(cè)裝置和輔助系統(tǒng)四個(gè)方面。

表4 鈾濃縮環(huán)節(jié)的事故隱患排查結(jié)果Table 4 Investigation results of potential accidents in uranium enrichment

3.2 燃料制造和加工環(huán)節(jié)

燃料制造和加工環(huán)節(jié)在設(shè)計(jì)建造時(shí)遵循了必須防止臨界事故和危險(xiǎn)物質(zhì)事故性釋放原則［1,3］。雖然臨界安全不屬于物料泄漏范疇，但是臨界事故會(huì)造成放射性危害以及可能造成物料的擴(kuò)散。因此，對(duì)于此環(huán)節(jié)的隱患排查包括了臨界問(wèn)題，著重考慮雙（多）重失效和人因失效的事故隱患。除了燃料制造和加工環(huán)節(jié)常規(guī)的廠內(nèi)隱患排查外，事故隱患排查結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 燃料制造環(huán)節(jié)物料泄漏隱患排查結(jié)果Table 5 Investigation results of hidden dangers of material leakage in fuel manufacturing

3.3 乏燃料后處理環(huán)節(jié)

乏燃料后處理環(huán)節(jié)是核燃料循環(huán)中除核電外最重要的一環(huán)［14,15］，也是國(guó)內(nèi)外有記錄的發(fā)生事件/事故最多的一個(gè)環(huán)節(jié)。后處理環(huán)節(jié)通常包括冷卻與首端處理、化學(xué)分離、轉(zhuǎn)化、凈化4 個(gè)環(huán)節(jié)［14］。由于乏燃料處理環(huán)節(jié)基本都是在高放射性條件下開(kāi)放式進(jìn)行操作的，因此物料泄漏隱患排查除了熱室和手套箱等重要部位以外，放射性廢液和廢氣處理系統(tǒng)成為重點(diǎn)排查對(duì)象，4 個(gè)環(huán)節(jié)中所有涉及到的管道（軟管和硬管）、閥門、法蘭、容器、槽罐等處的密封和人員操作均應(yīng)受到重視，控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、泵、通風(fēng)/抽氣系統(tǒng)、裝運(yùn)系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)及其人員操作在隱患排查時(shí)應(yīng)逐一評(píng)估。表6 列出乏燃料后處理環(huán)節(jié)中幾個(gè)典型的，容易被忽視的物料泄漏事故隱患。

表6 乏燃料后處理環(huán)節(jié)幾個(gè)容易被忽視的物料泄漏事故隱患Table 6 Hidden dangers of material leakage in the post-treatment of spent fuel

3.4 燃料運(yùn)輸和廢物處理

燃料的運(yùn)輸是由專業(yè)部門或機(jī)構(gòu)進(jìn)行，隱患排查涉及容器和轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程，本文不做討論。廢物處理環(huán)節(jié)往往會(huì)涉及高放射性廢物，包括收集、分類、濃縮、壓縮、去污、固化、包裝，貯存等工藝環(huán)節(jié)，根據(jù)其工藝過(guò)程，事故隱患排查結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 廢物處理環(huán)節(jié)物料泄漏隱患排查結(jié)果Table 7 Investigation results of hidden dangers of material leakage in waste treatment

4 結(jié)論與展望

目前已初步完成核燃料循環(huán)（除核電外）中各個(gè)環(huán)節(jié)的隱患排查，在國(guó)內(nèi)首次得到了核燃料循環(huán)（除核電外）的較為詳細(xì)的隱患排查清單，較為全面地展示了核燃料循環(huán)（除核電外）各環(huán)節(jié)的事故隱患，其中部分事故隱患未曾列入國(guó)內(nèi)相關(guān)單位的事故隱患排查目錄，為核燃料循環(huán)（除核電外）各環(huán)節(jié)“全面深入、細(xì)致徹底、不留死角、不留盲區(qū)”的物料泄漏事故隱患排查奠定了基礎(chǔ)，給相關(guān)單位提供了隱患排查依據(jù)，同時(shí)各相關(guān)單位可根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)和設(shè)備的差異進(jìn)行刪減和增加事故隱患

在今后的工作中，核燃料循環(huán)（除核電外）各單位可根據(jù)需求，對(duì)事故隱患清單進(jìn)行重要度分級(jí)，并進(jìn)行概率安全計(jì)算，做到重點(diǎn)防范高概率事故隱患，不漏過(guò)低概率事故隱患，預(yù)防和減少物料泄漏事件、事故的發(fā)生。