浮動(dòng)核電站載體平臺(tái)安全性設(shè)計(jì)初探

張延昌景寶金童 波陳 智

（1.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011；2.中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 成都610041）

浮動(dòng)核電站載體平臺(tái)安全性設(shè)計(jì)初探

張延昌1景寶金1童 波1陳 智2

（1.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011；2.中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 成都610041）

海上浮動(dòng)核電站具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的應(yīng)用前景。作為核電站載體平臺(tái)對(duì)充分發(fā)揮浮動(dòng)核電站的優(yōu)勢(shì)，確保浮動(dòng)核電站核安全具有重要作用。文章分析浮動(dòng)核電站的優(yōu)勢(shì)及技術(shù)難點(diǎn)，并從浮動(dòng)核電站外部事件、安全評(píng)價(jià)方法、核電站基本要求、平臺(tái)選型及載體平臺(tái)結(jié)構(gòu)、總體安全設(shè)計(jì)等方面，對(duì)浮動(dòng)核電站載體平臺(tái)安全設(shè)計(jì)進(jìn)行探討分析，為浮動(dòng)核電站載體平臺(tái)安全設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

浮動(dòng)核電站；浮式近海平臺(tái)；設(shè)計(jì)；安全評(píng)價(jià)方法；外部事件

引 言

浮動(dòng)核電站平臺(tái)是指配備核反應(yīng)堆及發(fā)電系統(tǒng)的可移動(dòng)的浮式海洋平臺(tái)，具有利用核能實(shí)現(xiàn)電力供應(yīng)、供熱、海水淡化等功能；可服務(wù)于海洋油氣、礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)、偏遠(yuǎn)島礁軍民生產(chǎn)生活、沿海地區(qū)緊急狀態(tài)供電。在世界能源發(fā)展趨勢(shì)、國(guó)家能源戰(zhàn)略及能源結(jié)構(gòu)大調(diào)整、國(guó)家海洋強(qiáng)國(guó)發(fā)展戰(zhàn)略的大背景下，發(fā)展海上浮動(dòng)核電站平臺(tái)對(duì)實(shí)現(xiàn)國(guó)家能源戰(zhàn)略、海洋強(qiáng)國(guó)、南海戰(zhàn)略具有重要的意義。國(guó)內(nèi)多家大型國(guó)有企業(yè)響應(yīng)國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略，積極開(kāi)展浮動(dòng)核電站平臺(tái)前期論證、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、概念設(shè)計(jì)等工作，在國(guó)內(nèi)掀起了浮動(dòng)核電站平臺(tái)研究的高潮。

中國(guó)船舶與海洋工程設(shè)計(jì)研究院作為國(guó)內(nèi)歷史悠久、規(guī)模大、實(shí)力強(qiáng)的綜合性船舶與海洋工程設(shè)計(jì)研究所，是國(guó)內(nèi)海洋工程總體設(shè)計(jì)的領(lǐng)先者，在很多領(lǐng)域創(chuàng)造了我國(guó)船舶工業(yè)的第一，積累了較為豐富的海洋工程研發(fā)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。針對(duì)前瞻性、戰(zhàn)略性新型海洋工程裝備——浮動(dòng)核電站平臺(tái)，在海洋工程、科研成果的基礎(chǔ)上，與中核工業(yè)集團(tuán)公司核動(dòng)力研究院聯(lián)合開(kāi)展浮動(dòng)核電站應(yīng)用論證分析及概念設(shè)計(jì)、關(guān)鍵技術(shù)研制等工作，為研制安全可靠、經(jīng)濟(jì)可行的浮動(dòng)核電站，工程實(shí)施提供技術(shù)支撐。

本文在分析浮動(dòng)核電站與陸上核電站的區(qū)別、浮動(dòng)核電站特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，分析浮動(dòng)核電站對(duì)載體平臺(tái)的基本要求，浮動(dòng)核電站設(shè)計(jì)需要考慮的外部事件，并對(duì)核電站載體平臺(tái)設(shè)計(jì)方法、安全設(shè)計(jì)等進(jìn)行分析，為浮動(dòng)核電站關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 浮動(dòng)核電站概述

1.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀［1，2］

20世紀(jì)50年代，美國(guó)首先提出在海上建設(shè)核電站的設(shè)想。1963年將核發(fā)電系統(tǒng)安裝于 “斯特吉斯”號(hào)駁船，1968年～1976年該核電船在巴拿馬運(yùn)河使用，為保障該運(yùn)河繁忙的通行任務(wù)提供充足的電力能源，1976年該船退役。

1993年，俄羅斯原子能委員會(huì)專(zhuān)家建議建造浮動(dòng)核電平臺(tái)，解決遠(yuǎn)東和西伯利亞地區(qū)能源供應(yīng)以及北極地區(qū)天然氣開(kāi)采電力需求，2001年原子能委員會(huì)宣布實(shí)施該計(jì)劃。在核動(dòng)力破冰船技術(shù)積累的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，該項(xiàng)目于2007年開(kāi)工建造“羅蒙諾索夫院士”號(hào)核電船（見(jiàn)圖1）。

項(xiàng)目最早在謝夫馬什造船廠建設(shè)，而后轉(zhuǎn)移至圣彼得堡“波羅的海造船廠”，后又因資金預(yù)算問(wèn)題停滯兩年多。新的建設(shè)合同于2012年12月由“俄羅斯核能康采恩公司”與“波羅的海造船廠”簽署，目前該船仍在建造中。該浮動(dòng)核電站型長(zhǎng)144 m、型寬30 m，排水量2.15萬(wàn)噸，造價(jià)約3億美元，設(shè)計(jì)發(fā)電能力70 MW，可以生產(chǎn)300 MW熱能。該浮動(dòng)核電站共有兩個(gè)反應(yīng)堆，使用年限為40年，可在不添加燃料的情況下連續(xù)運(yùn)營(yíng)12年。該浮動(dòng)核電站配備岸基設(shè)施，固定于港灣內(nèi)，并配備防波堤。該核電船是世界上唯一的在建海上核電船工程，但由于各種原因，完工日期屢次延遲。

法國(guó)DCNS公司與AREVA-TA、CEA合作，提出小型、模塊化水下核發(fā)電平臺(tái)——Flexblue概念方案（參見(jiàn)圖2）。該方案借鑒潛艇設(shè)計(jì)理念，浮動(dòng)平臺(tái)為圓柱筒，長(zhǎng)約100 m、質(zhì)量達(dá)12 000 t、電功率在50～250 MW（e），由水面船舶拖運(yùn)至工作海域，沉放于距岸幾公里、60 ～100 m水深的海底。該核電平臺(tái)最大優(yōu)點(diǎn)是可避免波浪、臺(tái)風(fēng)等海洋環(huán)境條件的影響。

麻省理工大學(xué)2014年針對(duì)深海海域提出了新型海上核電平臺(tái)——圓筒形核電平臺(tái)概念（見(jiàn)圖3）。

該海上浮動(dòng)核電站采用圓筒形FPSO外形，核反應(yīng)裝置布置于巨大的圓形艙室內(nèi)，采用多點(diǎn)系泊固定于海中。該型方案適用于深水，有利于系泊設(shè)計(jì)與安全。

韓國(guó)提出重力座底式海洋核電平臺(tái)概念（GBS），該方案將浮船塢型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)作為核發(fā)電裝置的載體平臺(tái)，載體平臺(tái)坐落在特定水深海域預(yù)制的海底基座上（見(jiàn)圖4）。這種核電站概念是陸上核電站與浮動(dòng)核電站的中間一種，既避免部分海洋環(huán)境條件對(duì)載體平臺(tái)影響（平臺(tái)載體不會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)、沉沒(méi)、整體失效、系泊問(wèn)題），又有效減小地震影響，但目前仍無(wú)法避免海嘯影響。

2005年，中國(guó)海洋石油總公司針對(duì)渤海稠油開(kāi)采、南海油氣資源開(kāi)發(fā)對(duì)能源等需求，開(kāi)始呼吁并組織實(shí)施核電站在海上應(yīng)用論證。2007年，中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院基于陸用小型堆ACP100提出適用于海洋環(huán)境的ACP100S（見(jiàn)圖5），并開(kāi)展了系列的技術(shù)攻關(guān)、研制、試驗(yàn)等工作。目前，中核集團(tuán)中國(guó)核動(dòng)力研究院聯(lián)合中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，針對(duì)渤海稠油油田熱開(kāi)采所需的熱能、電力需求，開(kāi)展ACP25S和ACP100S小型堆在海上油田開(kāi)發(fā)中的適用性研究及論證工作。

1.2 浮動(dòng)核電站優(yōu)勢(shì)與設(shè)計(jì)難點(diǎn)

浮動(dòng)核電站漂浮在海水中，相當(dāng)于一個(gè)極大的冷卻水池，更容易實(shí)現(xiàn)核反應(yīng)堆系統(tǒng)的自然安全性和非能動(dòng)安全性設(shè)計(jì)，體現(xiàn)了固有安全設(shè)計(jì)理念；同時(shí)浮動(dòng)核電站有效地規(guī)避了地震、海嘯等外部事件的影響，具有陸上核電站無(wú)法企及的優(yōu)勢(shì)［1，2］：

（1）核安全性更高，體現(xiàn)了固有安全設(shè)計(jì)理念，對(duì)環(huán)境、人員傷害更低；

（2）機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、靈活方便；

（3）有巨量的海水作為冷卻劑；

（4）不占用過(guò)多陸地面積，可批量化、標(biāo)準(zhǔn)化，比陸地建造成本更低；

（5）適應(yīng)海域廣，并不受基礎(chǔ)建設(shè)的限制，可適應(yīng)于遠(yuǎn)海、近海、沿海等海域。

浮動(dòng)核電站的載體平臺(tái)是核電站的基礎(chǔ)支撐平臺(tái)，載體平臺(tái)的性能及安全性直接決定和影響核發(fā)電系統(tǒng)的核安全、運(yùn)行效率，另外也為工作人員提供舒適的生活和工作環(huán)境的重要保障。浮式海洋平臺(tái)與陸地地基存在顯著不同，這將引入核電站的海上適應(yīng)性、載體平臺(tái)安全性、考慮核安全、人員安全的分析技術(shù)等方面新的技術(shù)難題。

對(duì)于載體平臺(tái)來(lái)說(shuō)，與海洋工程裝備的技術(shù)難點(diǎn)主要體現(xiàn)在：

（1）浮式載體平臺(tái)的性能及安全是核電站核安全的重要保障。與陸上核電廠的地基相比，浮動(dòng)核電站雖然規(guī)避了地震、海嘯外部事件，但也引入新的外部事件，會(huì)意外增加風(fēng)險(xiǎn)，如極端海洋環(huán)境條件、碰撞、載體失效等；同時(shí)，載體平臺(tái)所受的環(huán)境載荷更為復(fù)雜、外部事故事件及載體平臺(tái)失效模式更多、載體平臺(tái)與核發(fā)電系統(tǒng)的耦合作用更為顯著，載體平臺(tái)的性能及安全對(duì)浮動(dòng)核電站的重要性更為顯著。

（2）為了保證核電站作業(yè)效率，惡劣海況下浮式載體平臺(tái)的系泊定位問(wèn)題尤為重要。

（3）海洋環(huán)境下平臺(tái)系泊系統(tǒng)的浮式載體平臺(tái)空間受限，系統(tǒng)繁多并與船舶系統(tǒng)的接口較多，統(tǒng)籌規(guī)劃合理布局尤為重要，同時(shí)輻射防護(hù)、實(shí)體防護(hù)、人員工作環(huán)境、電力外輸?shù)确矫媾c陸上核電廠顯著不同。

（4）相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)未健全，目前僅有20世紀(jì)80年代IMO［3］出版的《核動(dòng)力商船安全法則》，并不適用于海上浮動(dòng)核電平臺(tái)設(shè)計(jì)；不管利用確定論安全分析還是概率論安全分析，均要考慮載體平臺(tái)在極端海洋環(huán)境、外部事件的安全性及對(duì)核反應(yīng)系統(tǒng)的影響；概率安全分析時(shí)除了要考慮核風(fēng)險(xiǎn)外，還需考慮人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)，使問(wèn)題更復(fù)雜。

（5）浮動(dòng)核電站的設(shè)計(jì)壽命、海洋環(huán)境對(duì)鋼結(jié)構(gòu)物及核電系統(tǒng)裝備的腐蝕、作業(yè)及換料模式與陸上核電廠有顯著不同。因此，只有采用科學(xué)、合理的設(shè)計(jì)技術(shù)來(lái)解決設(shè)計(jì)關(guān)鍵問(wèn)題，才能有效降低浮動(dòng)核電站的風(fēng)險(xiǎn)，提高其安全性，充分發(fā)揮浮動(dòng)核電站的優(yōu)勢(shì)。

2 浮動(dòng)核電站外部事件分析

浮動(dòng)核電站由于載體不同，將導(dǎo)致核安全關(guān)注的外部事件會(huì)與陸上核電廠有很大差異。陸上核電站重點(diǎn)關(guān)注地震、海嘯、墜物、臺(tái)風(fēng)等極端環(huán)境條件對(duì)核電站系統(tǒng)的損傷［4］；而海上核電站需要考慮復(fù)雜的海洋環(huán)境條件（風(fēng)、浪、流、臺(tái)風(fēng)、冰）、船舶碰撞、直升機(jī)墜機(jī)等載荷下平臺(tái)的安全性及其核電站安全性。但正是因?yàn)閺?fù)雜的海洋環(huán)境，以及核電站系統(tǒng)對(duì)安全的高要求，使得浮式平臺(tái)載體的設(shè)計(jì)難度、對(duì)安全的要求等方面遠(yuǎn)高于常規(guī)海洋結(jié)構(gòu)物，載體平臺(tái)的重要性也遠(yuǎn)高于陸上核電站地基。載體平臺(tái)主要考慮以下幾方面：

（1）平臺(tái)總體運(yùn)動(dòng)及性能

平臺(tái)總體運(yùn)動(dòng)及性能除了需要滿足船舶相關(guān)法規(guī)規(guī)范要求，還直接影響人員工作、居住的舒適性，影響了核反應(yīng)系統(tǒng)運(yùn)行安全，決定了核電站的運(yùn)行效率。

（2）載體平臺(tái)強(qiáng)度及安全性

要保障載體平臺(tái)全壽命期內(nèi)的結(jié)構(gòu)安全，如屈服、屈曲強(qiáng)度；疲勞強(qiáng)度、腐蝕問(wèn)題（陸上核電站的設(shè)計(jì)壽命為60年，船舶設(shè)計(jì)壽命通常為25年）、極限強(qiáng)度等要滿足強(qiáng)度要求，同時(shí)也要考慮載體平臺(tái)在海洋環(huán)境下的船體梁變形、局部變形、振動(dòng)、噪聲等對(duì)核動(dòng)力裝置、蒸汽輪機(jī)、高溫高壓管系、工作人員的影響；還有大型裝備系統(tǒng)的基座強(qiáng)度及振動(dòng)問(wèn)題等。

（3）平臺(tái)系泊安全

電力外輸作業(yè)對(duì)平臺(tái)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)及安全有特殊要求，設(shè)計(jì)方案既能滿足海洋環(huán)境條件、電力外輸要求，又能兼顧核電站外輸作業(yè)效率。

2.1 海洋環(huán)境條件

海洋工程作業(yè)條件是海洋工程設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，作業(yè)條件是指海洋工程裝備所在作業(yè)海域的海洋環(huán)境條件和作業(yè)載荷，作為對(duì)應(yīng)工況下的設(shè)計(jì)載荷極限值。海洋環(huán)境載荷主要指風(fēng)、波浪、流等環(huán)境條件，其中浪和流通常以重現(xiàn)期或年概率的極值表示環(huán)境載荷極值。根據(jù)海洋平臺(tái)的功能、用途、作業(yè)模式等，整個(gè)生命周期內(nèi)分拖航、安裝、作業(yè)、生存、事故等工況，規(guī)范對(duì)各工況的環(huán)境條件有相應(yīng)的規(guī)定。對(duì)于浮動(dòng)核電站設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮生存、作業(yè)、事故、拖航等工況。

2.1.1 生存工況

該工況為可能遭遇最?lèi)毫拥臉O端環(huán)境，在該工況下核反應(yīng)堆停堆，停止對(duì)外供電服務(wù)作業(yè)，平臺(tái)總體性能（穩(wěn)性、抗沉性）、結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度、系泊等滿足平臺(tái)安全要求。海洋工程通常以百年一遇（或年概率為10-2）極端環(huán)境條件作為生存工況海洋條件，對(duì)于浮式核電站建議以萬(wàn)年一遇（或年概率為10-4）極端環(huán)境條件作為生存工況的海洋環(huán)境條件。

2.1.2 作業(yè)工況

浮動(dòng)核電站安全運(yùn)行、電力、淡水外輸作業(yè)正常所對(duì)應(yīng)的工況，該工況下平臺(tái)運(yùn)動(dòng)性能、系泊等滿足核電站安全運(yùn)行要求，結(jié)構(gòu)屈服、屈曲強(qiáng)度滿足結(jié)構(gòu)安全要求。海洋工程通常以十年一遇（或年概率為10-1）環(huán)境條件作為作業(yè)工況海洋條件，對(duì)于浮式核電站建議以百年一遇（或年概率為10-2）環(huán)境條件作為作業(yè)工況海洋條件。

2.1.3 事故工況

浮動(dòng)核電站遭受事故損傷后的環(huán)境條件，用于評(píng)估平臺(tái)損傷或進(jìn)水后的總體性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，以保證能安全拖回基地維修。海洋工程通常以一年一遇環(huán)境條件作為事故工況海洋條件，對(duì)于浮式核電站建議以十年一遇（或年概率為10-1）環(huán)境條件作為事故后的海洋環(huán)境條件。

2.1.4 拖航工況或航行工況

浮動(dòng)核電站自建造基地拖航或自航至作業(yè)海域過(guò)程中遭受的海洋環(huán)境條件。海洋工程通常以一年一遇環(huán)境條件作為拖航工況的海洋環(huán)境條件，對(duì)于浮式核電站建議以十年一遇（或年概率為10-1）環(huán)境條件作為拖航工況海洋條件。

2.2 外部事故

地震對(duì)于浮式結(jié)構(gòu)物的直接影響很小，地震引起的海嘯為長(zhǎng)波，深海中波高小于1 m，波長(zhǎng)數(shù)百公里，通常被風(fēng)浪和涌浪所覆蓋，海嘯主要對(duì)水深變淺區(qū)域的結(jié)構(gòu)物或岸基結(jié)構(gòu)的破壞力較大［4］，對(duì)遠(yuǎn)海浮式結(jié)構(gòu)物的影響也很小，可以忽略不計(jì)。對(duì)于深遠(yuǎn)海浮式結(jié)構(gòu)物規(guī)避了地震和海嘯外部事件的影響，這也是浮動(dòng)核電站主要優(yōu)越性體現(xiàn)之一。

浮動(dòng)核電站主要考慮的外部事故有：極端海洋環(huán)境條件（包括臺(tái)風(fēng)、龍卷風(fēng)）、船舶碰撞、船舶擱淺、船舶艙室油氣爆炸、火災(zāi)、直升機(jī)墜機(jī)、吊裝墜物、外部飛射物等，除了要考慮這些外部事故對(duì)核安全的影響，還要考慮對(duì)載體平臺(tái)安全的影響，以及事故后的載體平臺(tái)的剩余強(qiáng)度問(wèn)題。另外，外部事故還包括與核電站環(huán)境無(wú)關(guān)的外部蓄意破壞，如蛙人、船舶碰撞、空中飛行物等蓄意破壞活動(dòng)，對(duì)于這類(lèi)蓄意的人為破壞，主要采取合理高效的海上安保系統(tǒng)及防護(hù)系統(tǒng)予以制止。

3 浮動(dòng)核電站安全評(píng)價(jià)

浮動(dòng)核電站與陸上核電廠一樣，是以核安全為最總目標(biāo)，核電站建立并保持對(duì)放射性危害有效防御，以保護(hù)人員、社會(huì)和環(huán)境免受危害。核電站安全性評(píng)價(jià)主要采用兩種方法：一種是依據(jù)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故的確定論評(píng)價(jià)法，另一種是概率安全評(píng)價(jià)法（簡(jiǎn)稱(chēng)PSA）［8-11］。

3.1 確定論安全分析

確定論評(píng)價(jià)法是核電廠發(fā)展史上長(zhǎng)期使用的方法，其基本思想是根據(jù)縱深防御原則，除了核反應(yīng)堆設(shè)計(jì)得盡可能安全可靠外，還設(shè)置多重的專(zhuān)設(shè)安全設(shè)施，以便在一旦發(fā)生最大假想事故情況下，依靠安全設(shè)施，將事故后果減至最輕程度。

設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故是指核電站按確定的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則在設(shè)計(jì)中采取針對(duì)性措施的那些事故工況。用于考驗(yàn)安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)裕度，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故的選擇主要依據(jù)工程判斷、設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，目前陸上核電站的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故已基本定型，對(duì)于浮動(dòng)核電站，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故要綜合考慮海洋環(huán)境條件、外部事故等方面對(duì)核安全的影響，同時(shí)要考慮載體平臺(tái)的安全，因此將極端海洋環(huán)境條件、船舶碰撞、船舶擱淺、船舶艙室油氣爆炸、火災(zāi)、直升機(jī)墜機(jī)、吊裝墜物等外部事故作為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故。

式中：hz為不同開(kāi)挖深度斜拱加載引起的圍護(hù)樁水平位移增量最大值深度，m；Z為斜拱加載時(shí)基坑開(kāi)挖深度，m。

海洋工程設(shè)計(jì)基于極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)技術(shù)是與核電廠確定論安全分析方法相類(lèi)似的一種分析技術(shù)，極限狀態(tài)是指結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中部分構(gòu)件或整體結(jié)構(gòu)失效，導(dǎo)致喪失其應(yīng)有的設(shè)計(jì)功能所對(duì)應(yīng)的狀態(tài)［5-7］?；跇O限狀態(tài)設(shè)計(jì)能明確考慮平臺(tái)的各種可能失效模式以及對(duì)核電站核安全的影響，可考慮全壽命周期內(nèi)各種事故載荷，是海洋工程設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)和主流。極限狀態(tài)有以下四種極限狀態(tài)：

（1）使用極限狀態(tài)SLS（Serviceability Limit State）

主要考慮由于平臺(tái)整體、局部變形、運(yùn)動(dòng)、振動(dòng)、噪聲等達(dá)到極限而影響或?qū)е聼o(wú)法正常運(yùn)行。浮動(dòng)核電站使用極限狀態(tài)主要涉及：核發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備安全運(yùn)行對(duì)載體平臺(tái)加速度、位移等運(yùn)動(dòng)性能、船體梁變形、局部變形、振動(dòng)要求；電力外輸對(duì)系泊性能的要求；船員及工作人員對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)性能、振動(dòng)、噪聲的要求；船舶系統(tǒng)設(shè)備對(duì)運(yùn)動(dòng)、變形、振動(dòng)等要求。

（2）承載力極限狀態(tài)ULS（Ultimate Limit State）

主要指結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度喪失而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)崩潰的極限狀態(tài)。主要失效模式為：平臺(tái)結(jié)構(gòu)、設(shè)備基座、管道連接等構(gòu)件的屈曲、屈服失效，以及整個(gè)船體梁失效等。

（3）疲勞極限狀態(tài)FLS（Fatigue Limit State）

主要考慮重復(fù)載荷作用下結(jié)構(gòu)疲勞裂紋的產(chǎn)生及疲勞壽命。主要涉及：核反應(yīng)一回路、二回路設(shè)備疲勞、管系疲勞、主要大型設(shè)備基座疲勞、平臺(tái)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)疲勞。陸上核電廠的設(shè)計(jì)壽命通常為60年，而船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)壽命通常為25年，這為疲勞設(shè)計(jì)帶來(lái)較大的挑戰(zhàn)。

主要考慮浮式結(jié)構(gòu)物外部事故（船舶碰撞、船舶擱淺、船舶艙室油氣爆炸、火災(zāi)、直升機(jī)墜機(jī)、吊裝墜物、核泄漏）載荷下的結(jié)構(gòu)損傷強(qiáng)度及損傷后的結(jié)構(gòu)總強(qiáng)度、剩余強(qiáng)度。應(yīng)用于浮動(dòng)核電站，不僅分析平臺(tái)結(jié)構(gòu)在意外載荷下的強(qiáng)度以及安全，也要評(píng)估核發(fā)電系統(tǒng)以及設(shè)備在意外載荷下的核安全性。

3.2 概率安全分析

概率安全分析（PSA）又稱(chēng)概率風(fēng)險(xiǎn)分析［8-11］，是20世紀(jì)70年代以后發(fā)展起來(lái)的一種系統(tǒng)工程方法。它采用系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)技術(shù)（故障樹(shù)、事件樹(shù)等分析方法）和概率風(fēng)險(xiǎn)分析方法對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的各種可能事故的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程進(jìn)行全面分析；同時(shí)在準(zhǔn)確反應(yīng)核電站實(shí)際狀態(tài)的基礎(chǔ)上，對(duì)核設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，從而獲得各種不希望發(fā)生事件的發(fā)生頻率及后果，并發(fā)現(xiàn)核電站設(shè)計(jì)及運(yùn)行中存在的薄弱環(huán)節(jié)提出措施和建議。PSA方法為核電廠的設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行、維修、人員行為、堆芯損壞事故物理進(jìn)程，以及對(duì)公眾健康與安全的潛在影響等進(jìn)行綜合分析提供一種有效的手段。核電站概率安全評(píng)價(jià)應(yīng)用中分三個(gè)級(jí)別：

（1）一級(jí)PSA

對(duì)核電站進(jìn)行系統(tǒng)和安全系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析，確定造成堆芯損壞的事故系列，并作出定量化分析，求出各事故序列的發(fā)生概率，給出反應(yīng)堆每運(yùn)行年發(fā)生堆芯損害的概率。通過(guò)該分析可得到核電站設(shè)計(jì)中的弱點(diǎn)，提出防止堆芯損壞的途徑。

（2）二級(jí)PSA

一級(jí)PSA結(jié)果加上安全殼響應(yīng)的評(píng)價(jià)。分析堆芯融化物理過(guò)程和安全殼響應(yīng)特性，包括分析安全殼在堆芯損壞事故下所受的載荷，安全殼失效模式，熔融物質(zhì)與混凝土的相互作用，放射性物質(zhì)在安全殼內(nèi)釋放和遷移。結(jié)合一級(jí)PSA結(jié)果確定放射性從安全殼釋放的頻率。通過(guò)該分析可得到各種堆芯損壞事故序列造成放射性釋放的嚴(yán)重性，找出設(shè)計(jì)上的弱點(diǎn)，并對(duì)緩解堆芯損壞事故后果的途徑和事故處理提出具體意見(jiàn)。

（3）三級(jí)PSA

二級(jí)PSA結(jié)果加上場(chǎng)外后果的評(píng)價(jià)。分析放射性物質(zhì)在環(huán)境中的遷移，求出核電廠廠外不同距離處放射性濃度隨時(shí)間的變化。結(jié)合二級(jí)PSA的結(jié)果按公眾風(fēng)險(xiǎn)的概念確定放射性事故造成的廠外后果。該分析能夠?qū)蠊徑獯胧┑南鄬?duì)重要性做出分析，也能對(duì)應(yīng)急響應(yīng)計(jì)劃的制定提供支持。

風(fēng)險(xiǎn)分析起源于核電工業(yè)，近年來(lái)，在船舶與海洋工程得到較廣泛應(yīng)用［12-20］，如船舶工程中使用綜合安全評(píng)估法開(kāi)展目標(biāo)型規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)制定；海洋工程中利用量化風(fēng)險(xiǎn)分析評(píng)估、確定、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，以降低人員傷亡、環(huán)境污染、財(cái)產(chǎn)損失的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于浮動(dòng)核電站中的概率安全分析的基本方法和思路等是與陸上核電廠相同的，主要不同之處在于：

（1）外部始發(fā)事件

陸上核電廠的外部始發(fā)事件主要包括地震、洪水、海嘯、大風(fēng)和飛機(jī)墜落；而海上浮動(dòng)核電站的外部始發(fā)事件主要包括極端海洋環(huán)境條件（包括臺(tái)風(fēng)、冰）、船舶碰撞、船舶擱淺、船舶艙室油氣爆炸、火災(zāi)、直升機(jī)墜機(jī)、吊裝墜物等。

（2）風(fēng)險(xiǎn)呈現(xiàn)

陸上核電站核主要用每堆年發(fā)生嚴(yán)重堆芯損壞的概率和每堆年發(fā)生大量放射性物質(zhì)釋放事件的概率兩個(gè)技術(shù)安全目標(biāo)；而對(duì)于浮動(dòng)核電站，除了上述技術(shù)安全目標(biāo)外，船員、工作人員生命安全也是重要的評(píng)價(jià)衡準(zhǔn)，需要考慮海洋工程風(fēng)險(xiǎn)分析中評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，這使得浮動(dòng)核電站概率安全評(píng)估更加復(fù)雜，也是成為一個(gè)新穎的課題研究方向。

4 平臺(tái)核電站載體平臺(tái)安全性設(shè)計(jì)初探

4.1 對(duì)平臺(tái)載體的基本要求

我國(guó)在核電應(yīng)用方面總的指導(dǎo)思想是“安全發(fā)展核電”。為了充分發(fā)揮海上浮動(dòng)核電站的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)海上核電站電力、能源、淡水供應(yīng)功能，確保核安全，其安全性應(yīng)高于陸地核電站的安全等級(jí)。核電站對(duì)海洋平臺(tái)基本要求如下：

（1）具備足夠大、封閉、連續(xù)的艙室空間，用于布置核發(fā)電裝置及其系統(tǒng)、船舶設(shè)備及系統(tǒng)，能夠發(fā)揮核反應(yīng)堆的固有安全，體現(xiàn)縱深防御原則。

（2）平臺(tái)結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度能夠抵抗各種可能的載荷，包括碰撞、爆炸、擱淺、墜物等事故載荷及極端環(huán)境載荷；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壽命與核動(dòng)力裝置相匹配。

（3）極端海洋環(huán)境、外部事故事件等工況下平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)、加速度不超過(guò)核反應(yīng)裝置極限值。

（4）堆心位于海平面以下或配備水箱，到達(dá)第三代核動(dòng)力裝置非能動(dòng)安全保障要求。

（5）核動(dòng)力艙室要滿足防護(hù)要求，一般核反應(yīng)堆艙六面需要雙層結(jié)構(gòu)。

（6）電力、淡水、熱水/汽外輸安全方便。（7）配備海上安保系統(tǒng)。

（8）設(shè)計(jì)、建造、安裝技術(shù)成熟，便于工程實(shí)施；運(yùn)行、維護(hù)、換料安全方便。

4.2 浮式平臺(tái)選型分析

浮式載體平臺(tái)是核反應(yīng)堆系統(tǒng)、蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)、核輔助系統(tǒng)等基礎(chǔ)支撐平臺(tái)，是核發(fā)電系統(tǒng)核安全及高效作業(yè)的重要保障。浮式平臺(tái)要選擇技術(shù)成熟的海洋工程平臺(tái)類(lèi)型，還要考慮核電站的基本要求，充分發(fā)揮海上浮動(dòng)核電站的優(yōu)勢(shì)。浮式平臺(tái)的選型主要有兩種思路，一種是以工程上成熟的浮式海洋平臺(tái)型式為基礎(chǔ)開(kāi)展海上核電站平臺(tái)設(shè)計(jì)，另一種是設(shè)計(jì)新型的浮式平臺(tái)型式滿足核發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。

目前國(guó)內(nèi)外技術(shù)較為成熟的浮式平臺(tái)［21］有：半潛式平臺(tái)、Spar平臺(tái)、張力腿平臺(tái)（TLP）、單船體型（FPSO、鉆井船等）。張力腿平臺(tái)（TLP）是深水順應(yīng)式平臺(tái)的一種典型型式，是半潛式平臺(tái)的延拓，目前工程實(shí)際應(yīng)用水深在147～1 425 m海域。Spar平臺(tái)是一種浮式柱狀結(jié)構(gòu)，通過(guò)錨泊系統(tǒng)錨固于海底，目前工程實(shí)際應(yīng)用水深在588～2 382 m海域。半潛式平臺(tái)由上部模塊、浮體、下立柱等構(gòu)成，具有良好的抗風(fēng)浪能力和穩(wěn)定性，實(shí)際使用的半潛式平臺(tái)適應(yīng)水深80～2 414 m。浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置FPSO作為一種浮式生產(chǎn)裝置，具有倉(cāng)儲(chǔ)能力大、適應(yīng)海域水深廣、有效載荷大等優(yōu)點(diǎn)，F(xiàn)PSO噸位從5萬(wàn)噸～30萬(wàn)噸，水深從18～1 500 m。四種浮式結(jié)構(gòu)物的主要性能定性對(duì)比表如表1所示。前三種型式的主要不足在于很難滿足核反應(yīng)堆系統(tǒng)、蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)對(duì)封閉、連續(xù)的艙室空間的要求，若增加平臺(tái)外形尺寸滿足空間需求，其經(jīng)濟(jì)性大大降低，安全性也成為新問(wèn)題。單船體型浮式結(jié)構(gòu)物與浮動(dòng)核電站基本要求吻合較好，俄羅斯在建“羅蒙諾索夫”號(hào)浮動(dòng)核電平臺(tái)工程實(shí)例也證實(shí)該型平臺(tái)作為海上核發(fā)電站的載體平臺(tái)的可行性。

俄羅斯“羅蒙諾索夫”號(hào)浮動(dòng)核電船布置于港灣內(nèi)，并配備岸基工程已解決系泊及電力外輸?shù)葐?wèn)題，配備防波堤以緩解海洋波浪、海嘯等極端海況的影響，該方案在深遠(yuǎn)海開(kāi)闊海域的適應(yīng)性及安全性需要深入分析論證。國(guó)內(nèi)外積極研發(fā)新型浮式平臺(tái)，以適應(yīng)不同的海域環(huán)境條件，滿足核電站的要求及安全。如前文述及，美國(guó)麻省理工學(xué)院MIT提出圓筒形的核電站平臺(tái)、法國(guó)提出潛艇設(shè)計(jì)理念的Flexblue概念方案、韓國(guó)提出重力座底式海洋核電平臺(tái)概念（GBS）、國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)與院所也在積極開(kāi)展海上浮動(dòng)核電站研發(fā)工作。

4.3 載體平臺(tái)安全性設(shè)計(jì)

浮動(dòng)核電站的載體平臺(tái)是核電站的基礎(chǔ)支撐平臺(tái)，載體平臺(tái)的性能及安全性直接決定和影響核發(fā)電系統(tǒng)的核安全、運(yùn)行效率，另外也為工作人員提供舒適的生活和工作環(huán)境的重要保障；前面分析了浮動(dòng)核電站優(yōu)勢(shì)和技術(shù)難點(diǎn)，載體平臺(tái)科學(xué)合理的設(shè)計(jì)是充分實(shí)現(xiàn)、發(fā)揮浮動(dòng)核電站優(yōu)越性的前提和保障；浮動(dòng)核電站對(duì)平臺(tái)載體的性能、安全性要求與傳統(tǒng)的海洋工程存在顯著不同。因此，平臺(tái)載體的安全性在浮動(dòng)核電站安全設(shè)計(jì)中占有舉足輕重的重要地位，浮動(dòng)核電站載體平臺(tái)安全性評(píng)估也是一個(gè)新穎且頗具挑戰(zhàn)性的課題。

浮動(dòng)核電站載體平臺(tái)安全設(shè)計(jì)以核安全、人員安全和安全高效運(yùn)行為目標(biāo)，采用科學(xué)、合理、先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，需要綜合考慮建造、拖航工況、換料工況、作業(yè)工況、生存工況、退役等全壽命周期內(nèi)的安全性。本文在前期研究的基礎(chǔ)上，以單船體型載體平臺(tái)為例，基于極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，初步提出載體平臺(tái)安全性設(shè)計(jì)考量及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

4.3.1 總體布置及運(yùn)動(dòng)性能

（1）平臺(tái)主尺度論證分析

統(tǒng)籌綜合考慮各系統(tǒng)艙室空間、布置需求、平臺(tái)總體性能（完整穩(wěn)性、破艙穩(wěn)性、運(yùn)動(dòng)性能、快速性、抗沉性）、系泊性能以及非能動(dòng)性設(shè)計(jì)對(duì)吃水要求等。

（2）船體型線設(shè)計(jì)

綜合考慮平臺(tái)總體性能（穩(wěn)性、運(yùn)動(dòng)性能、快速性、抗沉性）、系泊性能、強(qiáng)度特性等，結(jié)合總布置規(guī)劃，針對(duì)核反應(yīng)堆艙對(duì)吃水的特殊要求，開(kāi)展線型設(shè)計(jì)及優(yōu)化分析。

（3）總體布置規(guī)劃

圍繞核發(fā)電系統(tǒng)作業(yè)、運(yùn)行流程及需求，統(tǒng)籌兼顧合理分艙，并優(yōu)化布置。優(yōu)先考慮核反應(yīng)堆艙、核輔助艙室、控制艙室、蒸汽輪機(jī)艙、應(yīng)急備用發(fā)電機(jī)艙及生活居住艙室，核反應(yīng)艙布置船舯區(qū)域，其余艙室布置于周?chē)?；船舶輔助系統(tǒng)艙室布置于艏艉區(qū)域，考慮系泊方案確定生活樓布置于遠(yuǎn)離核反應(yīng)堆艙、主風(fēng)向的上風(fēng)向；直升機(jī)位于生活樓頂部；船尾各系統(tǒng)艙室空間、布置需求；合理規(guī)劃逃生通道和路線等。

（4）系泊方案

綜合考慮核電站作業(yè)海域水深、海洋環(huán)境條件，核電站電力、淡水外輸要求以及平臺(tái)總體性能等進(jìn)行系泊方案設(shè)計(jì)，并對(duì)其分生存工況、作業(yè)工況分別進(jìn)行安全評(píng)估。

（5）總體性能分析評(píng)估

采用確定論安全分析方法，從使用極限狀態(tài)及相關(guān)法規(guī)要求的角度評(píng)估平臺(tái)作業(yè)工況下的總體性能；分析生存工況下載體平臺(tái)穩(wěn)性、抗沉性，事故極限狀態(tài)下的破艙穩(wěn)性，作業(yè)工況下平臺(tái)運(yùn)行速度加速度等。

4.3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能評(píng)估

（1）全船采用鋼質(zhì)全焊接結(jié)構(gòu)形式，雙底、雙殼結(jié)構(gòu)形式；核反應(yīng)堆艙區(qū)域設(shè)置雙層甲板、雙層艙壁，雙層殼寬度滿足規(guī)范要求，并開(kāi)展耐撞性設(shè)計(jì)；雙層甲板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既要滿足頻繁換料要求，又要滿足直升機(jī)、吊裝墜物撞擊強(qiáng)度要求。

（2）結(jié)構(gòu)材料和焊接應(yīng)符合船級(jí)社相關(guān)規(guī)范要求，根據(jù)設(shè)計(jì)壽命確定平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)及主要設(shè)備基座結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，疲勞安全系數(shù)不小于2，關(guān)鍵區(qū)域建議選取5。

（3）承載力極限狀態(tài)，考慮設(shè)計(jì)環(huán)境條件為萬(wàn)年一遇的生存工況評(píng)估船體梁極限強(qiáng)度，以百年一遇的作業(yè)工況及十年一遇的拖航工況來(lái)評(píng)估平臺(tái)結(jié)構(gòu)的屈服、屈曲強(qiáng)度，十年一遇的環(huán)境載荷作為事故工況評(píng)估平臺(tái)的剩余強(qiáng)度。

（4）船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估時(shí)，合理考慮核反應(yīng)堆、蒸汽輪機(jī)等大型設(shè)備及管道系統(tǒng)等與船體之間相互影響，既要評(píng)估船體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，也要評(píng)估相互影響。

（5）對(duì)船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行外部事故工況進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估結(jié)構(gòu)的安全性及對(duì)核反應(yīng)系統(tǒng)的影響；對(duì)關(guān)鍵設(shè)備、控制艙室等進(jìn)行振動(dòng)分析及抗振設(shè)計(jì)，對(duì)控制艙室、生活樓區(qū)域進(jìn)行振動(dòng)、噪聲評(píng)估及抗振降噪設(shè)計(jì)。

其他船舶系統(tǒng)，如消防系統(tǒng)、救生系統(tǒng)、壓載系統(tǒng)、備用發(fā)電系統(tǒng)、應(yīng)急發(fā)電系統(tǒng)、空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)等，參考海洋工程及陸上核電廠相關(guān)規(guī)范，根據(jù)浮動(dòng)核電站的特殊需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)其在海洋環(huán)境條件下的適應(yīng)性及安全，與船舶系統(tǒng)的接口問(wèn)題進(jìn)行研究，特別注重系統(tǒng)的安全性和可靠性。

5 結(jié) 論

（1）海上浮動(dòng)核電站是核電工程與海洋工程相結(jié)合的前瞻性高端工程裝備，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和廣闊的應(yīng)用前景。浮動(dòng)核電站的載體平臺(tái)是基礎(chǔ)支撐平臺(tái)，其性能及安全性直接決定和影響核發(fā)電系統(tǒng)的核安全、人員安全、運(yùn)行效率等。平臺(tái)載體的安全性在浮動(dòng)核電站安全設(shè)計(jì)中占有重要的地位。

（2）通過(guò)分析浮動(dòng)核電站與陸上核電廠的區(qū)別，對(duì)浮動(dòng)核電站外部事件、安全評(píng)價(jià)方法、核電站平臺(tái)的基本要求、載體平臺(tái)選型及平臺(tái)安全設(shè)計(jì)考慮等方面進(jìn)行初步分析，可為浮動(dòng)核電站載體平臺(tái)安全設(shè)計(jì)提供一定的技術(shù)指導(dǎo)。

（3）浮動(dòng)核電站技術(shù)難度高于陸上核電廠和高端海洋工程裝備，需要綜合運(yùn)用核電領(lǐng)域和海洋工程領(lǐng)域的先進(jìn)設(shè)計(jì)理念和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)兩項(xiàng)工程技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，組建具有國(guó)內(nèi)行業(yè)內(nèi)優(yōu)勢(shì)的卓越研發(fā)團(tuán)隊(duì)，系統(tǒng)地深入開(kāi)展浮動(dòng)核電站關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和研發(fā)，為我國(guó)海洋資源開(kāi)發(fā)、島礁軍民生產(chǎn)生活提供安全可靠、經(jīng)濟(jì)可行的新型海洋工程裝備。

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Safety design of carrier platform for fl oating nuclear power plant

ZHANG Yan-chang1JING Bao-jin1T ONG Bo1CHEN Zhi2
(1. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 20001 1, China; 2. Nuclear Power Institute of China ,Chengdu 610041,China)

Floating nuclear power plants (FNPP) has unique advantages and wide application prospect. The carrier platform for the FNPP plays an important role in bringing full advantages and ensuring the safety of FNPP. The advantages and design technological diff i culties of FNPP are discussed in this paper. It also discusses and analyzes the external event of FNPP, safety assessment method, basic requirements of the nuclear power plant, type selection of the platform, structure of the carrier platform, and overall safety design, etc. Suggestions and measures should be used to technically guide the safety design of the carrier platform of FNPP.

fl oating nuclear power plant(FNPP); fl oating offshore platform(FOP); design; safety assessment method; external event

P751，TL48

A

1001-9855（2017）03-0001-09

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.03.001

2017-01-12；

2017-03-05

張延昌（1977-），男，博士，副教授。研究方向：海洋工程結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、新式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、風(fēng)險(xiǎn)分析。

景寶金（1972-），男，碩士，研究員。研究方向：海洋工程設(shè)計(jì)、研發(fā)。

童 波（1983-），男，碩士，高級(jí)工程師。研究方向：海洋工程總體設(shè)計(jì)、研發(fā)。

陳 智（1974-），男，博士，研究員。研究方向：核反應(yīng)堆工程設(shè)計(jì)、研發(fā)。