核應(yīng)急處置中消防降溫工程裝備國內(nèi)外現(xiàn)狀分析

李偉 楊剛 張濤 姚子龍

0 引言

核能具有清潔、環(huán)保、低耗等優(yōu)點，并在當(dāng)前能源結(jié)構(gòu)多維度優(yōu)化、能源安全保障以及氣候變化的改善應(yīng)對中發(fā)揮重要的作用。目前我國在建核電機組數(shù)量世界第一，運營機組規(guī)模世界第四。據(jù)公開信息顯示，除了沿海地區(qū)的在建核電站，被稱為內(nèi)陸三大核電項目的湖南桃花江核電站、湖北咸寧大畈核電站、江西彭澤核電站也早已進入考察論證。隨著核電機組的不斷發(fā)展更新和投入運行，放射源、射線裝置的數(shù)量也隨之持續(xù)增加，核技術(shù)的利用活動愈發(fā)頻繁，因此核應(yīng)急響應(yīng)體系建立是核能安全利用的重要保障[1]。若因不可抗拒的自然災(zāi)害和無法預(yù)料的生產(chǎn)安全事故等因素導(dǎo)致相關(guān)核設(shè)施失控，所產(chǎn)生的危害將極其嚴重，如歷史上對核安全利用產(chǎn)生重大影響的三哩島核事故、切爾諾貝利核事故、以及目前時刻讓世人所關(guān)注的福島核事故等[2]。為了充分保障核能的安全利用，我國高度重視核安全與放射性污染防治工作，以習(xí)近平同志為核心的黨中央明確提出理性、協(xié)調(diào)、并進的中國核安全觀，并將核安全納入國家總體安全體系，寫入《國家安全法》，進一步明確了核安全與放射性污染防治工作的戰(zhàn)略定位和重大任務(wù)。同時，國家相繼出臺了《核安全與放射性污染防治“十三五”規(guī)劃及2025年遠景目標(biāo)》《中國的核應(yīng)急》白皮書等文件，明確強調(diào)必須持續(xù)加強和改進核應(yīng)急準備與響應(yīng)工作，不斷提升中國核安全保障水平。到目前為止，我國的核電設(shè)施均安全有序運行，未發(fā)生特別重大事故，安全生產(chǎn)過程中各類含輻射的廢棄物也及時得到收貯，有效保障了生產(chǎn)和環(huán)境的安全。但是，由于輻射放射源的衰變時效相當(dāng)長，對于歷史遺漏的放射性廢物、乏燃料的存儲等所存在的安全風(fēng)險不可忽視。此外，世界核安全形勢復(fù)雜，這些都對我國核應(yīng)急保障能力的提升，核應(yīng)急工程裝備的發(fā)展提出了更大的挑戰(zhàn)[3]。

本文針對核應(yīng)急處置過程中使用的消防車、泵車、直升機以及智能機器人等消防降溫工程裝備的國內(nèi)外發(fā)展典型狀況進行分析，明確我國在發(fā)展此類裝備方面存在的不足，探討了應(yīng)該采取的應(yīng)對措施，以期為核應(yīng)急處置中相關(guān)消防降溫裝備保障能力建設(shè)和發(fā)展需求提供借鑒參考。

1 降溫冷卻在核應(yīng)急處置中的重要作用

相比其他?；飞a(chǎn)安全事故的處置，核事故的處置更具難度和挑戰(zhàn)性。在核事故中，除了核設(shè)施中的高溫高壓容器易產(chǎn)生爆炸、燃燒等危害，其最大的特點是會產(chǎn)生核泄漏，而核泄漏導(dǎo)致局部環(huán)境具有強輻射，不僅會對救援人員產(chǎn)生危害，還會直接影響機械化裝備的效能，即在核輻射作用下，若無耐輻射防護，常規(guī)機械化裝備的電子元器件及相關(guān)控制系統(tǒng)極其容易失效，從而無法實施救援處置，還會變成處置通道上的障礙物[4]。因此，在核事故應(yīng)急處置中，不僅需要常規(guī)的消防救援工程裝備，還需針對強輻射環(huán)境下的無人化耐輻射裝備協(xié)同才可完成相關(guān)救援處置任務(wù)。此外，核事故中因反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)損壞、高溫高壓相關(guān)設(shè)施的損壞，極易引起燃燒、爆炸等災(zāi)害。為了防止和抑制從破壞的系統(tǒng)中釋放出放射性物質(zhì)，也需要對相關(guān)反應(yīng)堆設(shè)施進行冷卻降溫，如日本在處理“福島核事故”中，通過采用高壓水槍注水和直升機澆水的方式對核電站機組進行冷卻，降低核反應(yīng)堆的溫度，從而使危機得到有效控制。可見，在核事故應(yīng)急處置中迫切需求相關(guān)消防降溫類工程裝備進行救援處置。

2 核事故消防降溫類應(yīng)急裝備國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r

2.1 消防車輛裝備

對于核事故消防降溫應(yīng)急處置，首先可快速響應(yīng)和調(diào)度的還是常備的消防工程車輛。例如在福島核事故中，日本政府先后出動了1輛高壓噴水車、11輛高壓消防車、30輛經(jīng)特殊改造的消防車對核電站機組進行注水降溫作業(yè)[5]。同時，在福島核事故應(yīng)急處置中，澳大利亞政府向日本政府援助了一種特制的遠程操控高壓水泡，用以冷卻核反應(yīng)堆，通過遠程操控避免輻射風(fēng)險。同類型裝備中，典型的如美國霸王龍高壓壓縮空氣泡沫消防車，該車兼具壓縮空氣泡沫和高層供水兩種功能，擁有可裝載9600L水和600L泡沫的儲料罐，相關(guān)產(chǎn)品在我國的消防部門也有購置和使用。

在核事故相關(guān)反應(yīng)堆設(shè)施的降溫應(yīng)急處置中，需要長時持續(xù)的降溫，消防車儲液罐容量有限，并且有時無法滿足大展臂長距注水降溫的需求。泵車在已發(fā)生的核事故應(yīng)急處置中可被改裝進行注水降溫。例如日本福島核事故后，美軍出動2輛泵車參與應(yīng)急救援，該類型泵車曾參加過1986年切爾諾貝利事故的水泥封蓋，其臂展長近62.0m，能在距離目標(biāo)3.2km外遙控操作。在參與切爾諾貝利事故時，該泵車進行了核輻射防護改裝，即在駕駛室匹配了鉛質(zhì)外殼保護駕駛員，相關(guān)觀測窗口加涂鉛質(zhì)釉用以同時保護操作人員和敏感的視頻攝像頭等光學(xué)元件。在福島核事故中，德國也派出了相關(guān)泵車參與救援，該泵車車身全長約15m，每小時可注水約100t，該類型的裝備在原蘇聯(lián)切爾諾貝利核事故封堆中也曾有過應(yīng)用，其臂架頂端安裝有攝像頭，工作人員可通過攝像頭傳回的視頻信息在100-300m外對其折疊式臂架進行遙控操作，從爆炸形成的反應(yīng)堆廠房洞口向廢料池注水。韓國企業(yè)也生產(chǎn)相關(guān)帶無線遙控和大排量的泵車裝備。

我國企業(yè)也推出了在核事故應(yīng)急時適用于非核輻射區(qū)域的消防車類裝備，包括大跨度（62m）高噴消防車、重型粉劑高噴消防車、重型搶險救援車、超高壓供水消防車（供水高度400m）、沖鋒消防車（集滅火、偵察、檢測、運輸?shù)裙δ転橐惑w的無人駕駛消防車）等。雖然消防車類的裝備國內(nèi)有不少生產(chǎn)企業(yè)，但是目前在公開可查資料范圍內(nèi)還鮮見專門針對核事故考慮耐輻射的消防車類裝備。泵車類的產(chǎn)品，國內(nèi)雖然起步晚，但是經(jīng)過發(fā)展，目前我國泵車研制水平已邁入世界前列，2007年推出了臂架高度達66m，泵送排量200m3/h，泵送壓力12MPa的泵車，2012年推出了有7節(jié)臂架的101-7RZ泵車，臂架最長的泵車高度達到101m，最大泵車輸送量達到245m3/h。日本福島核事故后，我國企業(yè)捐贈大型泵車用于核電站注水降溫。該泵車通過加裝噴水管和縮小口徑，使泵車臂由原來的62m加長至67m，提高了噴口壓力和噴射距離，還安裝了濃度測量儀、360°攝像機等設(shè)備，采用遠程無線遙控技術(shù)，使工作人員能隨時測量核輻射濃度和在2km以外對泵車實施遙控操作。國內(nèi)泵車在眾多性能指標(biāo)方面早已超過老牌國外企業(yè)，但是在產(chǎn)品可靠性、油耗等方面還需進一步提升。

2.2 航空消防裝備

核事故發(fā)生后，救援通道可能因爆炸、燃燒等形成障礙物導(dǎo)致陸裝工程裝備無法通行，在未進行清障處理前的消防降溫處置則需要相關(guān)航空消防裝備進行實施。例如在福島核事故中，日本自衛(wèi)隊動用了CH-47支奴干直升機進行注水降溫。CH-47支奴干直升機是美國研制的多功能中型運輸直升機，具有全天候飛行能力，能在惡劣的高溫、高原氣候條件下執(zhí)行任務(wù)[6]。美國研制的S-64“空中吊車”直升機，該型直升機攜帶裝有滅火劑的吊桶，可執(zhí)行森林火災(zāi)撲救等相關(guān)救援工作。美國研制的S-70“火鷹”直升機，除了可吊裝水桶進行滅火，其機腹下還加裝了額外的滅火裝置。俄羅斯為消防滅火設(shè)計研制了卡-32雙發(fā)通用直升機，其抗風(fēng)能力較強，可應(yīng)用于森林消防、城市消防、搜索救援、復(fù)雜高層建筑安裝和海上作業(yè)等。俄羅斯的米-26（T）重型消防直升機載有特殊的水容器，該容器的設(shè)計能夠使直升機在空中懸停狀態(tài)下從湖泊、河流中吸水進行重新裝填，以節(jié)省時間，使直升機能夠更快地穿梭往返于水源地和火場之間，增強滅火效率。法國也研制了一種名為AS350B1“松鼠”（水炸彈）的多用途小型消防直升機，該機型備有一個水容量為800kg的水箱，可進行空中投水滅火，該型號直升機除滅火外還可承擔(dān)偵察、巡邏及空中聯(lián)絡(luò)等任務(wù)。

我國在消防直升機自主研發(fā)方面發(fā)展相對緩慢。2013年，我國首款民用直升機AC313（在直-8基礎(chǔ)上研制）才投入商業(yè)化運行，由其改裝的消防型AC313（13t級）則是到2015年才進入武警森林部隊服役。目前我國也只是在15t級以下級別的中型機上取得了進展，但是還不能滿足航空消防需求（10t以下級別難以滿足航空消防需求）[7]。因此，亟需研制出更大級別的，類似米-26（20t級）這樣的重型直升機，這不僅是核事故消防降溫應(yīng)急處置的需求，也是我國整個直升機行業(yè)所亟待突破的難題。

2.3 智能消防機器人裝備

核設(shè)施場所基本都是相對密封和狹小的空間，當(dāng)發(fā)生核事故時，大型的裝備很難快速進入縱深內(nèi)部對相關(guān)設(shè)施進行消防降溫，同時由于事發(fā)地內(nèi)部可能存在強輻射，因此需要智能化機器人裝備對縱深的局部區(qū)域進行消防降溫，避免內(nèi)部小范圍的遺留的明火演變成大危害[8]。當(dāng)前，國內(nèi)外還鮮見推出專門針對核事故的消防智能機器人產(chǎn)品。但是通過調(diào)研，國外在消防機器人方面有一定的進展工作，對于核事故的消防機器人，可以在已有的消防機器人基礎(chǔ)上進行耐輻射改造使用[9]。美國研制的薩邁特遙控消防機器人可在非常安全的距離觀察火場情況，并可隨時調(diào)整機器人行進狀態(tài)和遙控水炮噴射方向進行滅火，并且其設(shè)計動力可持續(xù)使用8h。美國開發(fā)的Pandora消防偵察機器人采用履帶車輪驅(qū)動平臺，可以越過大的障礙物、溝、臺階和路階等，裝備有微型攝像機和立體聲系統(tǒng)，能在復(fù)雜的災(zāi)害現(xiàn)場進行探測和搜救。美國研制的CHARLI-2消防機器人，其具備使用消防軟管、投擲滅火器手榴彈、攀爬梯子的能力。法國研制的Colossus滅火機器人可在1000ft外操作，通過六個鋰電池為兩個電動馬達提供動力，可將機器人推至2.2mile/h，還能夠穿越困難的地形并攜帶1200lb物體，其具有防水和防火功能，可幫助消防隊員操作消防水帶，移動設(shè)備或?qū)麊T運送到安全地點，在巴黎圣母院火災(zāi)時其參與了相關(guān)滅火工作。

我國在2002年研制了“履帶式、輪式消防滅火機器人”，開啟了機器人在消防領(lǐng)域的應(yīng)用之路。隨后推出了智能防爆消防滅火偵察機器人，能夠深入爆炸、有毒有害、消防人員不易靠近的危險場所。研制的多功能滅火機器人可抗高溫，能在易燃易爆、有毒有害、放射性等惡劣環(huán)境下執(zhí)行消防任務(wù)[10]。目前國內(nèi)公司已開發(fā)了各種規(guī)格的滅火機器人，但是針對核輻射環(huán)境下的消防滅火機器人還較少。雖然個別單位推出了可在放射性環(huán)境下工作的滅火機器人，但其實際應(yīng)用性能還有待實踐檢驗。

3 我國發(fā)展核應(yīng)急消防降溫工程裝備的建議

通過調(diào)研分析發(fā)現(xiàn)，由于核事故消防降溫的應(yīng)急處置是小概率事件，但是相對其他?；冯U情災(zāi)害，核事故一旦發(fā)生，其在空間和時間上產(chǎn)生的危害都是巨大的，并且如若發(fā)生放射性物質(zhì)的泄漏，局部環(huán)境空間是難以在短時間內(nèi)完全恢復(fù)到原狀的。因此，隨著我國核工業(yè)事業(yè)的蓬勃發(fā)展，核安全的應(yīng)急保障裝備發(fā)展必不可少。目前可查文獻中，未見專門針對核事故的消防降溫體系化裝備，但是歐美日等國家因在歷史相關(guān)核事故中都有參與救援工作，并且核領(lǐng)域的工業(yè)發(fā)展相對走在前列，因此相關(guān)的核事故應(yīng)急處置裝備具有一定的積累和經(jīng)驗，不少消防降溫裝備直接或通過改裝或定制化參與核事故的應(yīng)急處置，在核應(yīng)急消防降溫裝備的耐輻射、機動性、智能化等方面掌握了比較先進的技術(shù)。

與發(fā)達國家相比，我國的核事故應(yīng)急處置裝備相對比較缺乏，雖有不少具有共性功能的消防類裝備，但是能否在輻射環(huán)境下發(fā)揮較大效能和具有可靠性，仍待商榷。以核事故消防降溫應(yīng)急處置裝備為典型，在共性技術(shù)研發(fā)方面有以下幾點需要思考。

3.1 輻射環(huán)境下裝備的可靠性設(shè)計

圍繞核事故中強輻射、高溫等極端環(huán)境要求，解決產(chǎn)品防護新材料、新結(jié)構(gòu)等耐輻射可靠性設(shè)計問題，以滿足消防降溫裝備在核事故應(yīng)急處置中的安全高效工作。

3.2 裝備的智能化及遠程操控技術(shù)發(fā)展

核事故在重點災(zāi)情區(qū)域存在強輻射危害，為避免救援人員傷亡，亟需無人化消防降溫工程裝備，即盡可能依托可自主完成相關(guān)應(yīng)急處置的智能化消防降溫裝備，并經(jīng)由遠程操控系統(tǒng)進行指揮。

3.3 裝備的成套化技術(shù)發(fā)展

在核事故應(yīng)急處置中，消防降溫處置往往需要空中、地面或外圍區(qū)域、內(nèi)部核心空間等多個維度協(xié)作展開，因此發(fā)展成套化的協(xié)作裝備是核事故應(yīng)急處置的必然需求。

3.4 裝備的評估方法體系

需要建立科學(xué)的核事故消防降溫應(yīng)急處置裝備的評估方法體系，可對裝備在輻射環(huán)境下的效能進行有效評價，并制定相關(guān)標(biāo)準，為裝備的研制確立指標(biāo)方向。

4 結(jié)語

核事故應(yīng)急處置中迫切需求相關(guān)消防降溫類工程裝備進行救援處置，避免更加嚴重的燃燒、爆炸等災(zāi)害發(fā)生。國外在核應(yīng)急消防降溫中通過消防車輛裝備、航空消防裝備、智能消防機器人裝備等進行多維度作業(yè)，積累了一定的經(jīng)驗，并掌握了該類裝備在耐輻射、機動性、智能化等方面比較先進的技術(shù)。我國在發(fā)展此類裝備方面還有不足，需要在現(xiàn)有消防工程裝備技術(shù)基礎(chǔ)上加強耐輻射能力、可靠性設(shè)計、智能化水平等核心技術(shù)的攻克，形成具有完全自主化的可適應(yīng)核安全應(yīng)急保障的創(chuàng)新裝備產(chǎn)品，提升我國核應(yīng)急保障能力。