齊厚博，牛風雷，玉 宇，王升飛

（華北電力大學 核科學與工程學院，北京 102206）

世界范圍內在運行的核電站大多建于地上，不僅占地面積廣、對電站周圍環(huán)境要求嚴格，且一旦出現核事故，放射性物質隨大氣擴散，將造成嚴重的后果。將核電站建于地下則能彌補以上不足，地下核電站相對于傳統(tǒng)核電站有著更好的安全性和經濟性，國際上已有國家成功建設并運行了地下核電站。近年來，中國也開始了對地下核電站的初步探索，但目前國內現有的地下核電站資料相對較少，缺乏對其安全性和可行性科學具體的理論分析及經驗指導，因此迫切需要開展地下核電站的探索性研究，進而實現我國在地下核電站領域研究的突破。本文分析各地下核電站方案的可行性，并對可行方案使用多判據決策分析（MCDA）技術進行綜合評估及優(yōu)選，為我國地下核電站建造類型的選擇提供理論依據。

1 地下核電站設計方案及可行性分析

1.1 隧道式地下核電站

目前國際上已有的隧道式地下核電站沒有傳統(tǒng)意義上的安全殼，而是用堅硬的巖石代替，形成天然的安全屏障，從而降低了建造成本，巖石可選用強度較大的花崗巖、層狀巖、穹頂巖等，采用肋狀結構，以拱形的巖石作支撐。隧道式地下核電站用隧道將乏燃料儲存池、處理池和反應堆相連通，使得乏燃料的處理和運輸均在地下進行，提高了過程的安全性，并且核電站整體采用就地建造、就地退役的方式，以降低成本［1］。地下核電站燃料循環(huán)由開式循環(huán)和閉式循環(huán)構成，新增加的開式循環(huán)由一系列反應堆、特殊的儲存設備、高放廢物儲存池組成。開閉兩循環(huán)的結合提高了地下核電站的廢物處理能力［2］。

國外已有的隧道式地下核電站應用的實例充分說明了隧道式地下核電站的設計方案的可行性，我國地質資源豐富，巖石種類多樣，符合建設要求，因此傳統(tǒng)的建造方案在我國依然是可行的。

1.2 隧道式地下核電站改進方案

日前，有學者提出了將隧道式地下核電站蒸汽發(fā)生器的位置提高，置于地面，從而加大蒸汽發(fā)生器與壓力容器間的距離，設想利用兩者間的高度差提供的壓頭實現一回路的自然循環(huán)，取代主泵的作用，降低成本。本文以AP1000為研究對象，進行熱工水力學的計算以驗證其可行性。

利用一回路的自然循環(huán)，則驅動壓頭完全由高度差和密度差產生，公式如下。

式 中：d 為 通 道 直 徑；ρ為 流 體 密 度；v 為 流 體 速度；l為通道長度，ξ為通道表面絕對粗糙度。

加速壓降：

式中：v1、v2分別為流體在截面1、2處的速度；G 為質量流密度，G＝ρv；ρ1、ρ2 分別為流體在截面1、2處的密度。

局部壓降（用于彎管）：

式中，K 為形阻系數，由實驗測定。

則由守恒關系得：

式中：Δρ為壓力容器出口冷卻劑與蒸汽發(fā)生器出口冷卻劑密度差；h 為蒸汽發(fā)生器與壓力容器間的高度差。

為計算方便，忽略局部壓降，只考慮加速壓降和摩擦壓降，并將冷卻劑從壓力容器到蒸汽發(fā)生器的循環(huán)過程分為4部分進行計算。圖1為地下核電站一回路循環(huán)流動示意圖。

圖1 地下核電站一回路循環(huán)流動示意圖Fig.1 Primary loop flow diagram of underground nuclear power plant

以AP1000為計算對象，在粗略計算中，對于AP1000的冷卻劑管道只計算1 個回路，且只計算回路中的1個冷管道和1個熱管道，取蒸汽發(fā)生器最長的傳熱管進行計算，并假設該傳熱管長為26m。為保證自然循環(huán)，本文分別選取蒸汽發(fā)生器與壓力容器的高度差為1 000m及2 000m 進行計算，并設蒸汽發(fā)生器與壓力容器間傳熱彎管為1／4 圓弧，將AP1000相關數據［3］代入各式可得結果如下。

1）高度差為1 000m，經計算得：

由于壓力容器中傳熱損失較為復雜，現取大亞灣核電站中壓力容器總壓降0.307 6 MPa為參考值，由總方程式解得v＝1.703 6m／s，流量Q＝0.835m3／s。

2）高度差為2 000m，計算過程同上，最后可得流速v＝2.2m／s，熱管段流量Q＝1.08m3／s。

高度2 000m 在施工設計中已經很高，且在計算中還忽略了局部壓降和加速壓降等諸多損失，但即便在這種情況下通過計算可得在高度2 000m 時熱管段的流量Q＝1.08m3／s比正常情況下的11.207 m3／s仍要小1 個數量級，流量過小會使得傳熱不足，使回路存在危險，所以經過論證可知，單純的通過提高蒸汽發(fā)生器的高度、去掉主泵來建立一回路自然循環(huán)的設想不可行。

1.3 水電核電結合式地下核電站

將核電站移至山中與水電站相結合，將提高水電核電聯合電站的發(fā)電效率，有效緩解華中地區(qū)的缺電問題。陸佑楣提出的在三峽地區(qū)建設地下核電站的設計方案具有一定的可行性［4］。方案將核島部分置于地下，常規(guī)島置于地面，核島產生的高溫高壓蒸汽可通過布置在隧道內的管道輸向常規(guī)島，同時核電站的核島可利用三峽水電站的庫水作為冷卻水，節(jié)省水循環(huán)的耗能。將水電站和核電站組合，核電站將承擔電力負荷的基本負荷，水電站則承擔電力負荷曲線中的腰荷和峰荷，從而形成強大而又無排放的清潔電源［4］，切實解決水電站受季節(jié)和氣候影響導致的發(fā)電量不穩(wěn)定問題。

三峽庫區(qū)地形較為復雜，巖石種類繁多［4］。地質特征為三峽水電站附近建設地下核電站提供了物質前提。且三峽水電站附近耕地較少，生存生產條件惡劣，故建設地下核電站時無需考慮耕地與居民生活等問題。地下核電站與水電站相結合，不僅解決了地下核電站的冷卻水問題，同時水電站水庫與地下核島的高度差使得非能動安注成為可能。中國目前已有很多地下水電站實例，具備了地下廠房建造技術，且抗震能力符合要求［4］，具備建造此類地下核電站的條件。

1.4 煤礦采空區(qū)地下核電站

我國是煤炭大國，試想將地下核電站建于廢棄的地下煤礦中，則既可充分再利用廢棄資源，又降低了地下核電站的開鑿成本。由于埋藏在地下的礦體被掘空后可能發(fā)生裂隙和斷移，造成采空圍巖失穩(wěn)，故此類地下核電站建造時不僅需采取有效措施修復礦體周圍巖石避免其斷移，還要具有與地面核電站相同的安全殼結構。核反應堆采用直徑幾m 的小型堆，電站整體占地面積較小。此外，設計將壓力容器置于硼酸水中，當壓力容器損壞后，仍有含硼水作為中子吸收劑及冷卻劑，球形的含硼水容器外面由1層不銹鋼和鋼筋混凝土材料包裹，整個裝置嵌在由活性炭和干水泥構成的混合物中。一旦不銹鋼和鋼筋混凝土材料破裂，活性炭仍可吸附放射性氣體，成為防止放射性氣體外逸的最后一道防線。同時，干水泥可阻止從壓力容器中泄漏的放射性液體，起到了多層保護的作用，使電站的安全性得以充分的保證。該方案核電站的整體建造海拔降低，可充分利用水的重力作用為核島的冷卻提供保障。

我國煤礦分布廣泛，地下煤礦的占地面積較廣，其面積滿足地下核電站所需。調查顯示，平均開采深度已超過400m，并將進一步加深，深度可達到冷卻水的非能動安注要求［5］。地下煤礦的采煤廢水及礦井水的年排水量約達22億m3［5］，可有效解決內陸地下核電站的冷卻水問題。

2 基于多判據決策分析的地下核電站建設方案優(yōu)選

為綜合多種因素對上述地下核電站方案進行優(yōu)選，研究運用多判據決策分析技術，以地下核電站的安全性、經濟效益、對環(huán)境的影響、施工的困難程度為評價指標，在多種地下核電站方案中篩選出最優(yōu)的設計方案。MCDA 技術是一種科學、客觀、有效的決策分析工具，能幫助決策者系統(tǒng)合理地解決復雜的決策問題，可收集、儲存及處理定量的數據［6］。目前，已有國內外學者對MCDA技術進行了大量探索研究，并將其成功應用于各種決策分析問題中，使樣本排序結果更加合理與客觀［7］。

地下核電站設計方案的優(yōu)選，基于“目標體系建立—評價指標權重識別—備選方案集生成—方案優(yōu)化和比選”的技術路線，具體步驟包括：1）建立地下核電站的安全性、經濟效益、對環(huán)境的影響、施工的困難程度4個調度評價目標；2）以問卷調查的方式，根據相關人員對調度評價指標重要性的判定，結合統(tǒng)計分析及模糊理論，獲得不同調度評價指標的權重；3）根據上文中對各種地下核電站設計方案的介紹，結合問卷調查結果，基于統(tǒng)計分析方法生成不同方案集合；4）運用MCDA 技術，對不同的設計方案進行逐一分析，篩選出最優(yōu)的設計方案。

在地下核電站設計方案優(yōu)選過程中，問卷調查是獲取信息的有效途徑，能較好地反映核電專家的意見與想法，從而幫助生成最優(yōu)的方案。設計的調查問卷表包括：1）地下核電站評價指標的重要性判定（設計為4個層次：非常重要、重要、中等重要和不重要）；2）專家打分表，通過不同核電專家對各評價指標的打分，經統(tǒng)計分析及求取平均分等方法，獲得不同評價目標的分數值，從而獲得各方案在不同評價指標角度的優(yōu)選排序。

2.1 基于模糊理論的多判據決策分析技術

1）權重確定方法

運用MCDA 技術進行決策備選方案的優(yōu)選時，需獲得不同屬性指標的權重。因此假設評價指標體系包括n 個屬性指標，而每個屬性指標又包含r個評價層次，則屬性指標的權重可表示為：

式中：Pjh為屬性指標j 在評價層次h 下的比例；WPh為評價層次h 模糊術語對應的確定數。WPh是可根據實際情況，人為賦予模糊術語以對應的確定數；也可是基于平均L-R 計分法［8］，將模糊術語轉化為對應的模糊集合，進一步轉化為確定數。

2）矩陣標準化方法

運用MCDA 技術進行決策備選方案的優(yōu)選時，需進行判別矩陣的標準化，以實現評價指標體系的規(guī)范化。在本文決策分析過程中，運用矢量標準化方法，可表示為：

式中：i為決策備選方案；j為屬性指標；xij為屬性指標值。

3）多判據決策分析方法

在使用MCDA 技術時，本文借助于多目標問題的理想解和負理想解對決策備選方案進行排序，確定決策備選方案排序的基本步驟［9］如下。

（1）構建標準化矩陣R＝｛rij｝：基于矢量標準化表達式（8），將判別矩陣轉化為標準化矩陣。

（2）構建加權標準化矩陣V＝｛vij｝：基于屬性指標的權重系數和標準化矩陣R，可得：

其中：wj為第j 個屬性指標的權重系數；rij為矢量標準化后的屬性指標值。

（3）確定理想解（IA）與負理想解（WA）：

其中：J1為效益型屬性指標數；J2為成本型屬性指標數。

（4）確定各決策備選方案的綜合評價值Ui：基于歐幾里德距離的求解方法，分別得到決策備選方案到理想解的距離（ISi）和到非理想解的距離（WSi），從而得到各方案的綜合評價值：

計算出Ui后，根據Ui確定決策方案的優(yōu)劣。Ui越大，對應的決策備選方案越好。

2.2 決策方案權重的生成及分析

在地下核電站的設計方案的優(yōu)選過程中，安全性、經濟效益、對環(huán)境的影響和施工的困難程度被選作方案篩選的評價指標。專家調查問卷的結果是確定地下核電站優(yōu)選方案的主要參考依據，基于問卷調查的統(tǒng)計結果，得到不同調度評價指標在不同評價層次下的比例；同時，賦予具有模糊特性的評價層次以確定的數值（設定非常重要為10分，重要為7.5分，中等重要為5分，不重要為2.5分，可忽視為0分），經專家打分，運用權重確定方法，可獲取各調度評價指標的權重（圖2）。

圖2 地下核電站評價指標權重Fig.2 Evaluation index weight of underground nuclear power plant

結果表明：不同調度評價指標的權重不同；安全性權重（0.278）最大，其次是對環(huán)境的影響權重（0.266）和經濟效益權重（0.229），施工困難程度權重（0.227）最小。權重的大小代表著地下核電站各指標的重要程度。

2.3 優(yōu)選結果及分析

1）單項指標下的方案優(yōu)選及分析

專家調度問卷表回收后，利用統(tǒng)計學原理求取平均值，從而獲得各方案不同指標下的平均分數（表1）。

表1 各地下核電站方案在不同指標下的平均分數Table 1 Average score of each underground nuclear power plant under different indexes

表1的數據中，設定安全性、經濟效益、對環(huán)境的影響3項指標得分越高越優(yōu)，而施工困難程度指標得分越低越優(yōu)。由表1 的數據可知：在地下核電站的設計方案中，從安全性和對環(huán)境的影響角度分析，隧道式地下核電站最優(yōu)；從經濟效益角度分析，水電核電結合式核電站最優(yōu)；而從施工困難程度角度分析，煤礦采空區(qū)地下核電站的方案最優(yōu)。通過優(yōu)選結果可知，各地下核電站設計方案有著不同的優(yōu)點和側重，從不同的角度分析，會得出不同的優(yōu)選方案。

2）基于MCDA 技術的方案優(yōu)選及分析

經過綜合分析，將各方案的專家打分值制作成為矩陣，矩陣經過標準化及加權處理后得到了加權矩陣，繼而得到了各方案的理想解和非理想解，最后求得各方案的綜合評價值（Ui）如下：隧道式地下河電站，0.60；水電核電結合式地下河電站，0.53；煤礦采空區(qū)地下核電站，0.35。

本方法已定義綜合評價值越大，對應的決策備選方案越好。經過綜合分析安全性、經濟效益、對環(huán)境的影響、施工困難程度4 項指標后，由分析結果可知：1）隧道式地下核電站的綜合評價值（0.60）最大，說明該方案在綜合分析上是最佳的。在方案優(yōu)選的過程中，權重是重要的判斷因素，由于安全性和對環(huán)境影響兩個指標權重較大，故在這兩個指標下均較優(yōu)的隧道式地下核電站在綜合評定中得分較高，成為了最終綜合最佳方案。2）水電核電結合式地下核電站綜合評價值（0.53）排在第2位，說明在綜合分析上該方案是次于隧道式的優(yōu)選方案。雖然從經濟效益角度分析，該方案是最優(yōu)的，甚至專家打分的平均分遠高于另外兩種方案，但由于經濟效益的權重較小，使得其綜合分數不占優(yōu)勢。3）煤礦采空區(qū)地下核電站綜合評價值（0.35）排在最末位，說明經過綜合分析，該方案相對另外兩種方案較差。雖然在優(yōu)選過程中，該方案在施工困難程度上來講是最容易的，但由于施工困難程度的權重最小，該優(yōu)勢在綜合分析上體現得并不明顯。此外，從權重最大的安全性角度，非理想解又出現在此方案上，故綜合來看該方案的打分最低，且與另外兩種方案差距明顯。

最終的優(yōu)選結果表明：即便水電核電結合式地下核電站和煤礦采空區(qū)地下核電站相對于隧道式電站有了很大的創(chuàng)新和優(yōu)越性（例如經濟效益增強、施工困難程度減小等），但同時也帶來了很多弊端和技術難題，特別是降低了安全性以及增大了對環(huán)境的負面影響，故在最終的綜合優(yōu)選中被淘汰?？v觀整個方案優(yōu)選的過程，核電站建造及運行的首要保障是安全性和對環(huán)境的影響，脫離了這兩個最重要的指標，即使有很大的經濟利益或施工優(yōu)勢，該設計方案也不會成為最佳的方案。

3 結論

1）地下核電站在中國具有廣闊的研究前景，其中隧道式地下核電站、水電核電結合式地下核電站及煤礦采空區(qū)地下核電站經分析在國內現有條件下均可行。

2）以AP1000 為例進行熱工水力學計算可證實，增大蒸汽發(fā)生器與反應堆之間的距離，完全利用高度差提供的驅動壓頭實現自然循環(huán)的設計構想不可行。

3）對可行方案在安全性、經濟效益、對環(huán)境的影響及施工困難程度4 方面運用MCDA技術進行優(yōu)選，結果顯示各方案有不同的優(yōu)點及側重，但綜合4項指標分析后可得隧道式地下核電站為最佳方案。綜合優(yōu)選結果表明安全性和對環(huán)境的影響在地下核電站建造中較為重要。

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