從MOX燃料芯塊燒結(jié)氣氛談工程設(shè)計安全

尚改彬

（中國核電工程有限公司，鄭州450052）

1 發(fā)展現(xiàn)狀

世界上許多國家進行了MOX核燃料研究和開發(fā)，有的建成了生產(chǎn)線，有的因在設(shè)計階段對技術(shù)復(fù)雜性考慮不足，或生產(chǎn)過程中安全隱患，或資本市場等原因，已有多項退役或停止運行。燃料芯塊燒結(jié)氣氛直接影響成品芯塊性能和質(zhì)量，氣氛選擇首先符合工藝要求，并考慮物理沖擊和化學(xué)反應(yīng)沖擊的安全性及潛在泄漏后安全措施。工程中考慮氣體的適應(yīng)性和參數(shù)控制，有采用加濕氫氮混合氣體，也可采用如氮氣或二氧化碳等其他惰性氣體，特定燒結(jié)氣氛安全性經(jīng)理論分析和實驗驗證是可靠的[1]。

2 工藝流程

MOX（Mixed Oxide）核燃料是鈾钚混合氧化物（UO2+PuO2），其他金屬氧化物混合而成的，也稱MOX核燃料，可應(yīng)用于快堆（FBR）和壓水堆（PWR）、沸水堆（BWR）等[2]，美國、俄國、德國、法國、比利時、日本、印度等國對此有研究和開發(fā)應(yīng)用。MOX核燃料組件制造工藝流程同壓水堆UO2核燃料組件制造工藝基本一致，MOX燃料有較強的放射性和生物毒性。為適應(yīng)和滿足燃料應(yīng)用需求，多國開展了MOX核燃料元件的研究開發(fā)。

MOX燃料的制造工藝過程主要有：進料、混合、球磨、壓制燒結(jié)、裝管組裝等[3]。钚有化學(xué)毒性和核臨界性能，粉末制備工序是制備過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在這個工序要求粉末的均質(zhì)化，钚等效可裂變同位素一致，一定的參數(shù)要求。粉末成型高溫?zé)Y(jié)，或進行研磨和外觀檢查，裝入包殼中，制成棒束和組件。

3 安全措施

設(shè)備布局、物項分級原則、放射性分區(qū)及安全設(shè)計準則是核工程安全策劃的起點，專用實驗臺、遠程操作、投資優(yōu)化等工作應(yīng)盡早確定設(shè)計標準和方案，要求設(shè)計參照工程設(shè)計經(jīng)驗按照“系統(tǒng)獨立、考慮裕量”的原則設(shè)計。工程事故后果嚴重程度與發(fā)生概率研究后確定了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和部件的安全等級要求，如地震動計算方法、動力系統(tǒng)要求等，維持較高的安全等級水平。工程中的物項，指材料、零件、部件、系統(tǒng)、構(gòu)筑物以及計算機軟件的通稱。工程質(zhì)量保證是為使物項或服務(wù)與規(guī)定的質(zhì)量要求相符合，并提供足夠的置信度。自動控制方案、動力系統(tǒng)設(shè)置與重大設(shè)備運輸路線等均需分析論證，確定物項分級并分級進行質(zhì)量保證管理，確保安全。

在工業(yè)設(shè)計安全中，首先考慮核安全，然后再分析論證工業(yè)安全，如地震水淹火災(zāi)爆炸氣象極端條件等等，像那種大型核設(shè)施如核電站之類，常常需極端情況，甚至飛行物撞擊、附近工業(yè)運輸影響，以及對環(huán)境影響等。而工業(yè)設(shè)計中最常見的問題，如設(shè)備布置、管道布置、大型設(shè)備運輸、檢修維護空間與吊裝工具，安全類設(shè)置如放空閥、安全閥、消音器等，設(shè)備地腳基礎(chǔ)，操作空間，管道反向放坡，地下物設(shè)置、操作位可接近，管道等級等，應(yīng)特別注意。

4 放射性物料源項

在放射性物料加工中，臨界安全和輻射防護是首要安全設(shè)計內(nèi)容，使用套箱、熱室和機械手，放射性物質(zhì)儲存運輸以及處理、物料金屬平衡及退役先期策劃等項需分析工程安全。

物料從輸入到輸出以及中間的變化，要明確責(zé)任和邊界，對于整個系統(tǒng)裝備的布局、空間的布局、物項的分級防護與空間分區(qū)，如放射性分區(qū)、密封性分區(qū)和負壓梯度，要結(jié)合不同的控制要求和劑量的控制要求確定。生產(chǎn)線儀表控制系統(tǒng)的水平要與總體生產(chǎn)線水平相適應(yīng)，現(xiàn)在常提到的自動化控制接口、智能化制造以及接口的協(xié)調(diào)統(tǒng)籌確定，會直接影響人員、場地及投資和生產(chǎn)能力。核事故應(yīng)急管理，特別是事故后果及響應(yīng)時間、持續(xù)時間的論證，應(yīng)借鑒國內(nèi)外標準和經(jīng)驗，進行事故源項分析，結(jié)合核安全理念，確定方案的安全性。

5 順逆流程概念設(shè)計

項目從原料處理到產(chǎn)品和尾料處理，順向設(shè)計流程，在項目建設(shè)的一致性高、人員的總體把握性高時，可以順利完成任務(wù)。如果對產(chǎn)品進行反向分析，提出需要完成產(chǎn)品的必須中間產(chǎn)品及處理工藝，對工藝進行需求梳理和選擇優(yōu)化，找到突破口和關(guān)鍵點，漸次推動，最終能夠得到原料的處理方式和尾料的處理處置。這樣從產(chǎn)品到原料的逆向設(shè)計流程，在項目建設(shè)多種變化、設(shè)計總體與局部同時進行的情況下，有一定的優(yōu)勢。實際上，將順向和逆向結(jié)合，如先進行逆向設(shè)計，從產(chǎn)品到原料設(shè)計，確定中間產(chǎn)品和可選工藝；再進行順向設(shè)計，或局部進行順向設(shè)計，從產(chǎn)品到產(chǎn)品設(shè)計，對中間產(chǎn)品和工藝進行優(yōu)化，這將加深對生產(chǎn)流程的深度掌握，加深對工藝流程的優(yōu)化，有利于快速形成工藝流程概念設(shè)計，進而形成設(shè)計流程，并適時處理項目實施過程中較多的變更控制。

順向而言，從原材料加工處理到中間產(chǎn)品，然后到最終產(chǎn)品加之尾料處理；逆向而言，從產(chǎn)品到中間產(chǎn)品再到原材料的加工制造。經(jīng)過順向逆向結(jié)合方法，分析項目技術(shù)關(guān)鍵點，或驗證和研究，如燒結(jié)爐工藝爐氣的控制、選址中安全的控制、產(chǎn)品釋熱量的控制、尾料利用與總體布局等，在適當?shù)难芯框炞C和方案論證下，結(jié)合項目的特點確定安全合理的工藝方案，不失為一種良好的經(jīng)驗。

其中，生坯芯塊在燒結(jié)爐的高溫?zé)Y(jié)工藝，目的是制成陶瓷化的MOX芯塊，需為后續(xù)流程創(chuàng)造條件，即燃料元件的質(zhì)量控制要保證堆內(nèi)安全可靠運行，制備的芯塊要保證密封包裝的方便安全可靠，MOX粉料要保證可壓制可燒結(jié)。燒結(jié)過程有高溫過程，并根據(jù)工藝需要或可能加入可燃氣體成分，工藝過程中需重視安全前提下工藝實現(xiàn)，必要時要進行模擬計算、基礎(chǔ)實驗和實驗驗證。

6 物項分級

核安全貫徹執(zhí)行“安全第一，質(zhì)量第一”方針，設(shè)計安全主要分析工程物項分級和放射性物料源項。核安全有關(guān)的特殊問題，應(yīng)用法規(guī)標準明確選址、項目組成及布局原則。國際核事故事件分級為7類，其中，第7級事故是最嚴重的事故，如蘇聯(lián)切爾諾貝利核電事故和日本福島核電事故。在適當?shù)那闆r下考慮現(xiàn)場控制室以及應(yīng)急控制室的居留性，要進行充分的論證。事故事件后果及修復(fù)，采用更換或者是檢修，甚至是其他處置等措施，要求完成時間，協(xié)調(diào)確定安全的等級和物項的分級。

工程涉及的各種物項指結(jié)構(gòu)體、系統(tǒng)和設(shè)備部件等，物項的分級概念按照物項安全功能進行劃分，對安全目標實施縱深防御，終極目標是保護人員和保護環(huán)境。縱深防御有多重性、多樣性、獨立性和冗余設(shè)計的系統(tǒng)和設(shè)置要求，裝置的正常運行狀態(tài)、異常運行狀態(tài)、事故事件狀態(tài)以及超越設(shè)計基準的極端事故狀態(tài)，應(yīng)急的措施要求設(shè)置完備。

項目規(guī)劃、建造、運行、退役檢修及監(jiān)管的各方面，物項安全功能分析確定以后，研究確定抗震等級、防洪等級、消防等級以及相關(guān)的建設(shè)標準和質(zhì)量保證等級。如果對于核電廠物項，要求是反應(yīng)性控制、臨界安全控制、包容核物料的密封性控制及對于安全設(shè)備支撐部件；對其他核工程而言，則主要分析防止臨界出現(xiàn)和物料的包容密封性實現(xiàn)，以及安全設(shè)備支撐部件的安全性。

質(zhì)量保證等級確定的一般原則，如果是標準定型產(chǎn)品，檢修維護或更換相對容易，則確定為質(zhì)保等級QA3或更低質(zhì)保等級，依據(jù)供貨商質(zhì)保程序進行；如果是非標準設(shè)備，檢修維護或更換相對容易，則確定為質(zhì)保等級QA2，設(shè)計審查和制造要求較為嚴格的質(zhì)量保證程序；如果是非標準設(shè)備，檢修維護或更換困難，則確定為質(zhì)保等級QA1，采用設(shè)計審查、制造要求和原材料復(fù)驗及節(jié)點控制等最嚴格的質(zhì)量保證程序。

對于一般核工程，有創(chuàng)新技術(shù)的生產(chǎn)線，要分析執(zhí)行安全功能的物項事故后果嚴重程度，即對于環(huán)境、人員產(chǎn)生的重大影響，以及產(chǎn)生這種影響的事故始發(fā)事件或事故可能發(fā)生的概率。此外，還包括事故可能持續(xù)的時間，以及需要多長時間進行應(yīng)急救援和干預(yù)，需要干預(yù)的持續(xù)時間等。核電工程一般要進行非常多的研究和試驗驗證，對系統(tǒng)的分解和安全論證細致而清楚，常使用確定性方法和概率論方法結(jié)合，但不同型號的反應(yīng)堆，也有不同的物項分級方法和認定。核工程通常會借鑒核電工程的一些標準或經(jīng)驗。

7 基準探討

有的項目設(shè)計基準事件，如外部飛射物影響，需要考慮防護墻的厚度和耐受力，以及掩體里面儲存生存物資的豐富程度，以滿足食品的要求、飲用水的要求和最基本的呼吸控制的要求，實現(xiàn)可居留性，時間長度則考慮1周或2周。有研究顯示，經(jīng)過高效過濾器送風(fēng)的控制室，在遠離反應(yīng)堆一定距離時，可以防止極端狀況下煙羽區(qū)帶來的影響，保證人員的安全。有些項目要求控制室的可居留性，核電會產(chǎn)生煙羽區(qū)和放射性物質(zhì)失控釋放事故，非反應(yīng)堆的核工程項目則不同，只是針對化學(xué)品的原因進行可居留性設(shè)計?；瘜W(xué)品的防護自有其特點和要求，宜分別表述并分別要求，不宜盲目照搬。物項的分級可分為安全級、非安全級甚至是非安全級有特殊的要求，對于其界面接口邊界的處理，就高不就低。因此而確定的物項，其設(shè)計思路與驗證思路也不同，會根據(jù)安全功能采取不同措施，表現(xiàn)在抗震水平、采用標準、質(zhì)量保證等級不同，甚至于檢測檢驗標準嚴格程度也不同。

核工程項目中的安全設(shè)計可根據(jù)實際情況和業(yè)主需要，初步提出設(shè)計標準與安全審評機構(gòu)溝通。一般放射性包容功能為主要安全功能，分級采用定量計算的方式，根據(jù)物項所包容的放射性物質(zhì)核素的種類與總活度的大小來進行級別劃分，分析放射性物質(zhì)的量、形態(tài)、相互作用與彌散特性等因素，建立數(shù)學(xué)模型，依據(jù)放射性的吸入與照射水平確定。

非反應(yīng)堆類核工程項目，由于各種項目特點屬性不同，工程選址和生產(chǎn)能力不同，加工生產(chǎn)的產(chǎn)品物料屬性和源項不同，工程安全等級和工程措施也不同。目前的標準建設(shè)相對而言無法充分滿足各類項目生產(chǎn)建設(shè)需求，細致化程度也有差別，編制標準需要研究和時間，因此，應(yīng)多借鑒相應(yīng)標準。核電廠標準相對完善，但在借用時，應(yīng)考慮論證其有效性和適用性，標準的來龍去脈，而不能一味拔高標準。特別是抗震標準這類對工程影響較大的標準條款，如針對核電特有的余熱排出和反應(yīng)性控制等特性制定的相應(yīng)措施（如防止煙羽區(qū)的可居留性等），在實際工程中均可進行研究，根據(jù)實際情況確定。

8 結(jié)語

MOX核燃料芯塊燒結(jié)氣氛首先要符合工藝要求，工程中考慮氣體的適應(yīng)性和參數(shù)控制，并考慮物理沖擊和化學(xué)反應(yīng)沖擊的安全性及潛在泄漏后安全措施。像這樣的工程生產(chǎn)項目，策劃時經(jīng)分析確定物項分級，對事件事故后果影響程度及其可能發(fā)生的概率，綜合考慮論證，確定物項分級；在工程設(shè)計中，物料源項和產(chǎn)品要求反復(fù)探索驗證，確定論證和驗證的方案技術(shù)關(guān)鍵點，會使生產(chǎn)工藝流程更趨合理可行。