我國核電廠設(shè)計(jì)中考慮的自然災(zāi)害綜述與建議1

李 亮 潘 蓉 駱 鵬 路 雨

1）北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124

2）生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心，北京 100082

3）中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100088

引言

日本福島核事故發(fā)生后，核電廠防御自然災(zāi)害尤其是超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)自然災(zāi)害引起了各國高度重視。從目前實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)情況來看，核電廠設(shè)計(jì)中需考慮的自然災(zāi)害主要包括兩方面：一方面是關(guān)于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)自然災(zāi)害，需嚴(yán)格按照核安全相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行防御自然災(zāi)害設(shè)計(jì)；另一方面是關(guān)于超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)自然災(zāi)害，需按照《核動力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定》（HAF 102?2016）（國家核安全局，2016）中規(guī)定的“核動力廠設(shè)計(jì)還必須提供適當(dāng)?shù)脑Ａ?，在超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)自然災(zāi)害事件發(fā)生時，保護(hù)用于防止早期放射性釋放或大量放射性釋放所需的物項(xiàng)”考慮超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)自然災(zāi)害。

1 關(guān)注核電廠防御自然災(zāi)害的必要性

核電廠全壽命周期包括選址、設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行、退役等階段，核電廠選址時具有嚴(yán)格的審查程序，按照《核電廠廠址選擇安全規(guī)定》（HAF 101?1991）（國家核安全局，1991b）有關(guān)要求，必須調(diào)查和評價可能影響核電廠安全的廠址特征，且必須根據(jù)影響核電廠安全的外部自然事件和外部人為事件發(fā)生頻度、嚴(yán)重性及其可能的組合，對推薦的核電廠廠址進(jìn)行評價。利用基于外部事件危險性分析得到的頻度和嚴(yán)重性信息確定核電廠設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的危險性水平，并說明其中的不確定性。

進(jìn)行核電廠設(shè)計(jì)時，必須適當(dāng)考慮內(nèi)部危險和外部危險，內(nèi)部危險主要包括火災(zāi)、爆炸、水淹、飛射物、結(jié)構(gòu)坍塌和重物墜落、管道甩擊等，且必須適當(dāng)考慮廠址評價過程中識別的自然和人為外部事件（即源于廠外的事件）。外部人為事件主要指爆炸、飛機(jī)墜毀等，其設(shè)計(jì)主要參照《與核電廠設(shè)計(jì)有關(guān)的外部人為事件》（HAD 101/04?1989）（國家核安全局，1989），本文重點(diǎn)討論外部自然事件（自然災(zāi)害）。本節(jié)提到的外部自然和人為事件均指設(shè)計(jì)基準(zhǔn)范疇內(nèi)的。

福島核事故證明了核電廠貫徹縱深防御原則的重要性，需在核電廠設(shè)計(jì)和運(yùn)行中進(jìn)一步得到加強(qiáng)（柴國旱，2015）。福島核事故發(fā)生后，核電廠防御超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)外部自然事件引起了廣泛關(guān)注。國際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）技術(shù)指導(dǎo)文件“Consideration on the Application of the IAEA Safety Requirements for the Design of Nuclear Power Plants”（TECDOC?1791）(International Atomic Energy Agency, 2016)中要求考慮外部危險設(shè)計(jì)的影響，提出了可能由超出廠址危險評價的外部自然災(zāi)害引起的事件，為縱深防御各層次設(shè)備的設(shè)計(jì)和安全評估提供支持；關(guān)于針對外部災(zāi)害的設(shè)備設(shè)計(jì)，需對用于防止早期放射性釋放或大量放射性釋放所需物項(xiàng)的考慮，對用于緩解設(shè)計(jì)擴(kuò)展工況（DEC）物項(xiàng)提出了超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)自然災(zāi)害防護(hù)要求。《核動力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定》（HAF 102?2016）（國家核安全局，2016）針對新建核電廠增加了前文所述相關(guān)要求。多個國家高度重視自然災(zāi)害對核設(shè)施的影響，如美國核管會（NRC）要求核燃料循環(huán)設(shè)施提供與地震、洪水和颶風(fēng)等自然災(zāi)害應(yīng)對措施相關(guān)的安全評價，以證明設(shè)施符合相應(yīng)的許可基準(zhǔn)，并確定是否需開展進(jìn)一步監(jiān)管行動。

2 核電廠設(shè)計(jì)中考慮的自然災(zāi)害

2.1 自然災(zāi)害種類

按照國際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）發(fā)布的“External Events Excluding Earthquakes in the Design of Nuclear Installations”相關(guān)要求，外部自然事件主要包括地震、外部洪水、極端風(fēng)、極端溫度、降水、積雪、結(jié)冰、干旱、雷擊、外部火災(zāi)（自然現(xiàn)象）等。

（1）關(guān)于地震，核電廠選址過程中雖已充分考慮了廠址所處的地震構(gòu)造環(huán)境，但核電廠在未來很有可能遭遇地震災(zāi)害的影響（賀秋梅等，2014；潘華等，2007）。地面運(yùn)動危險水平分為運(yùn)行安全地震動（SL-1）和極限安全地震動（SL-2）（潘華等，2006）。依據(jù)《核電廠廠址選擇中的地震問題》（HAD 101/01?1994）（國家核安全局，1994）和《核電廠混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51390?2019）（中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2019）有關(guān)要求，SL-1 指的是核電廠設(shè)計(jì)基準(zhǔn)地震動的較低水準(zhǔn)，通常為核電廠能正常運(yùn)行的地震動，SL-2 指的是核電廠設(shè)計(jì)基準(zhǔn)地震動的較高水準(zhǔn)，通常為預(yù)估的核電廠所在地區(qū)可能遭遇的最大潛在地震動，對應(yīng)的年超越概率水平為10?4。

（2）《濱海核電廠廠址設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水的確定》（HAD 101/09?1990）（國家核安全局，1990）中考慮的洪水類型主要包括海域洪水和陸域洪水，對于海域設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水位，選擇用于求得核電廠設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的洪水，由10%超越概率天文高潮+可能最大風(fēng)暴潮+海平面升高確定。對于陸域設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水位，①由降雨產(chǎn)生的可能最大洪水；②可能最大洪水引起的上游水庫潰壩；③可能最大洪水引起的上游水庫潰壩和可能最大降雨引起的區(qū)間洪水相遇；④可能最大積雪與頻率1%的雪季降雨相遇；⑤頻率1%積雪與雪季的可能最大降雨相遇；⑥由相當(dāng)運(yùn)行基準(zhǔn)地震動引起的上游水庫潰壩與區(qū)間1/2 可能最大降雨引起的洪峰相遇；⑦由相當(dāng)安全停堆地震震動引起的上游水庫潰壩與區(qū)間頻率4%的洪峰相遇；⑧頻率1%的冰堵與相應(yīng)季節(jié)的可能最大洪水相遇；⑨上游水壩因操作失誤開啟所有閘門與區(qū)間1/2 可能最大降雨引起的洪峰相遇；⑩上游水壩因操作失誤開啟所有泄水底孔與區(qū)間1/2 可能最大降雨引起的洪峰相遇。對于廠址設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水位的選取，選擇其最大值作為廠址設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水位。

（3）《核電廠工程氣象技術(shù)規(guī)范》（GB/T 50674?2013）（中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等，2013）中關(guān)于可能最大降水指的是現(xiàn)代氣候條件下給定流域面積在一定歷時內(nèi)理論上可能發(fā)生的最大雨深。

（4）《核電廠廠址選擇的極端氣象事件（不包括熱帶氣旋）》（HAD 101/10?1991）（國家核安全局，1991a）中關(guān)于龍卷風(fēng)級別規(guī)定包括：①富士達(dá)F 等級，是根據(jù)龍卷風(fēng)引起的破壞程度對龍卷風(fēng)強(qiáng)度進(jìn)行的分類。②改進(jìn)型富士達(dá)分級，采用常見的28 類地面附著物作為參照，相應(yīng)地給出了龍卷風(fēng)風(fēng)速區(qū)間。

（5）《核電廠廠址選擇的極端氣象事件（不包括熱帶氣旋）》（HAD 101/10?1991）（國家核安全局，1991a）中關(guān)于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)龍卷風(fēng)參數(shù)包括最大風(fēng)速、最大旋轉(zhuǎn)風(fēng)速、平移速度、最大旋轉(zhuǎn)風(fēng)速半徑、最大氣壓降。

（6）《核電廠工程氣象技術(shù)規(guī)范》（GB/T 50674?2013）（中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等，2013）中規(guī)定的百年一遇3 s 極大風(fēng)速（廠址10 m 高度）指的是一般通過離地10 m 高度10 min 最大風(fēng)速及10 min 最大風(fēng)速和極大風(fēng)速的相關(guān)關(guān)系推算百年一遇極大風(fēng)速。

（7）《核電廠工程氣象技術(shù)規(guī)范》（GB/T 50674?2013）（中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等，2013）中規(guī)定的百年一遇10 min 最大風(fēng)速（廠址10 m 高度）指的是一般通過離地10 m 高度10 min 平均年最大風(fēng)速系列，采用概率論法推算重現(xiàn)期百年一遇最大風(fēng)速。

2.2 災(zāi)害組合

關(guān)于核電廠設(shè)計(jì)中考慮的災(zāi)害組合，《核動力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定》（HAF 102?2016）（國家核安全局，2016）第5.1.10 條要求：如果由工程判斷、確定論安全分析和概率論安全分析的結(jié)果表明事件組合將可能導(dǎo)致預(yù)計(jì)運(yùn)行事件或事故工況，則必須主要根據(jù)其發(fā)生的可能性，將這些事件組合納入設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故或設(shè)計(jì)擴(kuò)展工況。某些事件可能是其他事件的后果，如地震后的水淹，這種繼發(fā)效應(yīng)應(yīng)視為初始假設(shè)始發(fā)事件的一部分。

《核動力廠安全評價與驗(yàn)證》（HAD 102/17?2006）（國家核安全局，2006a）對“災(zāi)害組合”及“荷載組合”的要求為：設(shè)計(jì)基準(zhǔn)應(yīng)計(jì)及可以合理假設(shè)同時發(fā)生的各種極端氣象條件（包括極端風(fēng)荷載、極端大氣溫度、極端降雨量和降雪量、極端冷卻水溫度和冰凍、極端量海植被）的組合；安全級的構(gòu)筑物和部件應(yīng)該設(shè)計(jì)成能承受由運(yùn)行狀態(tài)和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故（包括內(nèi)部和外部災(zāi)害）引起的所有相關(guān)荷載。

《核動力廠抗震設(shè)計(jì)與鑒定》（HAD 102/02?2019）（國家核安全局，2019）規(guī)定了地震作用與運(yùn)行荷載的組合。

從實(shí)踐的角度來看，核電廠設(shè)計(jì)主要考慮內(nèi)部災(zāi)害和外部災(zāi)害的組合，其中，外部災(zāi)害包括外部自然災(zāi)害和外部人為災(zāi)害，外部人為災(zāi)害主要包括飛機(jī)墜毀、外部爆炸、外部火災(zāi)、電磁干擾等（國家核安全局，1989），總體上應(yīng)考慮以下因素：

（1）選取可信外部災(zāi)害的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)；

（2）識別出外部災(zāi)害的可信組合或外部災(zāi)害與內(nèi)部災(zāi)害、外部災(zāi)害與內(nèi)部事件的可信組合；

（3）對單個外部災(zāi)害事件、外部災(zāi)害組合或外部災(zāi)害與內(nèi)部事件組合，規(guī)定核電廠防護(hù)設(shè)計(jì)的安全目標(biāo)與驗(yàn)收準(zhǔn)則；

（4）通過保守設(shè)計(jì)確保應(yīng)對各類外部災(zāi)害及可信組合的防護(hù)具有充足裕量，避免陡邊效應(yīng)。外部災(zāi)害組合、外部災(zāi)害與內(nèi)部災(zāi)害組合或外部災(zāi)害與內(nèi)部事件組合方式如下：

（1）外部災(zāi)害與其繼發(fā)災(zāi)害/事件的組合，如地震與內(nèi)部火災(zāi)、地震與喪失廠外電等；

（2）存在共因現(xiàn)象的外部災(zāi)害組合，如洪水與降雨等；

（3）由概率分析識別出來的或基于工程判斷為確保設(shè)計(jì)裕量而考慮的，外部災(zāi)害與其他獨(dú)立的外部災(zāi)害、內(nèi)部災(zāi)害或內(nèi)部事件的組合，如地震與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故等。

2.3 災(zāi)害荷載工況

本文以安全殼構(gòu)筑物設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的內(nèi)外部災(zāi)害荷載為例進(jìn)行說明，設(shè)計(jì)過程中主要參照《壓水堆核電廠預(yù)應(yīng)力混凝土安全殼設(shè)計(jì)規(guī)范》（NB/T 20303?2014）（國家能源局，2014），其他核安全相關(guān)的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也可參照該規(guī)范執(zhí)行。內(nèi)外部災(zāi)害荷載工況如表1 所示（陳金鳳等，2013；李亮等，2017）。

表1 安全殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮的內(nèi)外部災(zāi)害荷載工況Table 1 List of load cases considered structural design of containment

混凝土安全殼荷載組合包括驗(yàn)算混凝土容許應(yīng)力和承載力的效應(yīng)組合，安全殼進(jìn)行承載力計(jì)算的荷載效應(yīng)組合如表2 所示。進(jìn)行安全殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，首先進(jìn)行內(nèi)、外部災(zāi)害荷載工況分析，然后按照表2 進(jìn)行荷載組合與構(gòu)件配筋設(shè)計(jì)。

表2 混凝土結(jié)構(gòu)安全殼設(shè)計(jì)考慮的荷載組合Table 2 List of load cases considered in structural Design of Containment

2.4 超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)自然災(zāi)害

核電廠設(shè)計(jì)中關(guān)于超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)自然災(zāi)害的考慮，是在日本福島核事故發(fā)生后提出的要求，對于提高防御自然災(zāi)害安全性具有重要意義?！逗藙恿S設(shè)計(jì)安全規(guī)定》（HAF 102?2016）（國家核安全局，2016）增加了關(guān)于超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)自然災(zāi)害的要求。

對于超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)地震的考慮，《核動力廠抗震設(shè)計(jì)與鑒定》（HAD 102/02?2019）（國家核安全局，2019）進(jìn)行了規(guī)定：應(yīng)依據(jù)核動力廠相關(guān)要求進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，以便為超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)地震提供一定裕度，以防止陡邊效應(yīng)。為了進(jìn)一步了解核動力廠抗震裕度和抗震性能薄弱環(huán)節(jié)，對新建核動力廠進(jìn)行抗震裕度評估或地震概率安全分析時，可采用現(xiàn)實(shí)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)易損性分析，并根據(jù)場址特征確定適當(dāng)?shù)目拐鹪６?。核動力廠設(shè)計(jì)應(yīng)能保證極端情況下用于防止核動力廠早期放射性釋放或大量放射性釋放所需的物項(xiàng)發(fā)揮作用。

關(guān)于洪水的考慮，國家核安全局于2012 年6 月發(fā)布的《福島核事故后核電廠改進(jìn)行動通用技術(shù)要求（試行）》（國家核安全局，2012）對福島后改進(jìn)行動中核島設(shè)施及廠房防洪能力改進(jìn)提出技術(shù)要求，主要內(nèi)容包括對核電廠防洪、排洪設(shè)施功能進(jìn)行排查和評估，并采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施，使核電廠安全重要系統(tǒng)和部件在超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水事件條件下最大限度地保持安全功能。

3 核電廠關(guān)于防御自然災(zāi)害存在的問題與做法

2017 年8 月，法國發(fā)現(xiàn)特立卡斯坦核電廠上游部分堤壩抗震性能不足，無法承受安全停堆地震（SSE）。如果堤壩決堤，其主要后果是水淹特立卡斯坦核電廠，可能導(dǎo)致核電廠內(nèi)4 臺900 MWe 機(jī)組反應(yīng)堆和燃料廠房發(fā)生核燃料熔毀事故，并增加場內(nèi)和場外應(yīng)急管理難度。通過確定論和概率風(fēng)險評估，運(yùn)行中的4 臺機(jī)組需要停堆。為此，法國核安全監(jiān)管機(jī)構(gòu)要求營運(yùn)單位停閉現(xiàn)場所有反應(yīng)堆，并立即對堤壩進(jìn)行加固。

1985 年美國核管會（NRC）發(fā)布嚴(yán)重事故政策聲明，要求美國所有商用核電廠需要對嚴(yán)重事故進(jìn)行概率安全評估，同時要求對美國東海岸地震危險性認(rèn)識進(jìn)行更新，導(dǎo)致出現(xiàn)2 個并行研究計(jì)劃評估核電廠在超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)情況下的抗震裕度。作為嚴(yán)重事故政策的一部分，1988 年美國核管會（NRC）發(fā)布一般性函件GL88-20，要求開展單個核電廠調(diào)查，以對內(nèi)部始發(fā)事件進(jìn)行檢查，尋找嚴(yán)重事故下核電廠薄弱點(diǎn)。1991 年，美國核管會（NRC）對一般性函件GL88-20 進(jìn)行第4 次補(bǔ)充，要求將檢查范圍擴(kuò)大，以對外部始發(fā)事件進(jìn)行檢查，包括單個核電廠外部事件調(diào)查（IPEEE）項(xiàng)目。在IPEEE 檢查中，要求采用SMA（抗震裕度評估）或SPSA（地震概率安全評估）對抗震能力進(jìn)行評估，評估結(jié)束后，針對核電廠發(fā)現(xiàn)的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行了重點(diǎn)加固。

2018 年9 月16 日，臺風(fēng)“山竹”在廣東臺山海宴鎮(zhèn)登陸，登陸時中心附近最大風(fēng)力14 級（風(fēng)速45 m/s），中心最低氣壓955 hPa，10 級風(fēng)圈半徑影響廣東臺山、陽江、大亞灣和廣西防城港核電廠。2014 年7 月19 日，臺風(fēng)“威馬遜”在廣西防城港市光坡鎮(zhèn)沿海第3 次登陸，中心附近最大風(fēng)力達(dá)15 級（風(fēng)速50 m/s），中心最低氣壓945 hPa，10 級風(fēng)圈半徑影響海南昌江、廣東陽江和廣西防城港核電廠。2013 年9 月22 日，臺風(fēng)“天兔”于廣東汕尾登陸，中心附近最大風(fēng)力14 級（風(fēng)速45 m/s），中心氣壓940 hPa，10 級風(fēng)圈半徑影響大亞灣核電廠。這3 場臺風(fēng)均為超強(qiáng)臺風(fēng)，影響范圍基本涵蓋了我國東南沿海的所有核電廠址。由于我國核電廠防御臺風(fēng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)較高，3 場臺風(fēng)均未超出設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，未對核電廠安全造成影響。

4 建議

我國是自然災(zāi)害高發(fā)國家，提高核電廠防御自然災(zāi)害能力對于保障核電廠安全具有重要意義。應(yīng)按照核安全相關(guān)法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)、導(dǎo)則做好核電廠防御自然災(zāi)害設(shè)計(jì)，提高核電廠固有安全水平。同時，應(yīng)重視我國極端氣象災(zāi)害及十年定期安全審查對提高核電廠防御自然災(zāi)害能力的重要意義。

（1）重視極端氣象災(zāi)害

近年來，我國極端氣象災(zāi)害偶有發(fā)生，特別是2016 年鹽城龍卷風(fēng)。目前，對極端氣象的發(fā)生、發(fā)展認(rèn)知仍存在一定不確定性。一方面需在極端自然災(zāi)害發(fā)生后及時進(jìn)行復(fù)核，核實(shí)其是否超過核電廠設(shè)計(jì)基準(zhǔn)值；另外一方面應(yīng)嚴(yán)格落實(shí)《核動力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定》（HAF 102?2016）（國家核安全局，2016）關(guān)于超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)自然災(zāi)害的相關(guān)設(shè)計(jì)要求，以保證核電廠安全。

（2）重視定期安全審查

福島核事故發(fā)生后，國家核安全局與國家能源局、中國地震局對全國所有核電廠進(jìn)行了地震和海嘯等自然事件綜合安全檢查和安全裕量評估，并對發(fā)現(xiàn)的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)和提升，結(jié)果表明，我國核電廠安全性是有保障的。目前，我國所有新建核電廠均已滿足《核動力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定》（HAF 102?2016）（國家核安全局，2016）有關(guān)要求。對于運(yùn)行核電廠，按照《核動力廠定期安全審查》（HAD 103/11?2006）（國家核安全局，2006b）相關(guān)要求，需要每十年按照現(xiàn)行安全標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)踐對核電廠設(shè)計(jì)和運(yùn)行進(jìn)行評價比較，并確定合理可行的糾正行動和安全改進(jìn)計(jì)劃，以確保核電廠在整個使用壽命周期內(nèi)具有較高的安全水平。