◎本刊主筆 季天也

中國成立核設(shè)施建構(gòu)筑物安全專業(yè)委員會讓核電站的安全殼堅不可摧

◎本刊主筆 季天也

作為大型工業(yè)設(shè)施，核電站同樣離不開土建工程蓋起來的廠房、操作間等建筑設(shè)施。然而，核電站廠房住的是一類特殊“居民”——極其“高能”的核反應(yīng)堆。要讓它安安穩(wěn)穩(wěn)、兢兢業(yè)業(yè)地工作，和它配套的房子勢必得在舒適性、可靠性和安全性上狠下功夫。2016年5月22日，中國核學(xué)會核安全分會專門在北京成立了“核設(shè)施建構(gòu)筑物安全專業(yè)委員會”，以便解決該領(lǐng)域的技術(shù)問題。和普通工業(yè)建筑相比，反應(yīng)堆“住”的房子有什么特別之處？

俯瞰反應(yīng)堆安全殼就像一個大水泥墩（見圖中紅圈），它是核電站最醒目且安全要求最嚴的建筑。圖為美國佛羅里達州的圣露西核電站。

“核島”的安全最重要

讀來有點拗口的“核設(shè)施建構(gòu)筑物安全專業(yè)委員會”的日常工作，主要由環(huán)保部核與輻射安全中心的下屬土建機構(gòu)承擔(dān)。該委員會吸納了業(yè)內(nèi)外22家理事單位的專家，搭建起一個核工程建構(gòu)筑物領(lǐng)域科技工作者的交流平臺，開展學(xué)術(shù)交流，解決我國核設(shè)施建構(gòu)筑物的安全問題。

核電站的廠房建筑，分為“核島”“常規(guī)島”“BOP（生活、辦公和電站輔助設(shè)施）”三大區(qū)域。核島容納的是核電站的核心設(shè)備，常規(guī)島則使用核島所提供的蒸汽發(fā)電。

建設(shè)中的印度庫丹庫拉姆核電站的安全殼

核島和常規(guī)島的兩股冷卻水之間只能換熱，不能互相接觸，避免了放射性進入常規(guī)島系統(tǒng)，這叫作“工質(zhì)隔離”。具有“核電站心臟”之稱的核島，才是真正享受“特供房”待遇的主體，而常規(guī)島和BOP的各類設(shè)施與放射性不沾邊，對建構(gòu)筑物的安全要求相對低一些。

核島的建構(gòu)筑物主要包括：反應(yīng)堆廠房（安全殼）、核燃料廠房、排氣煙囪、電氣廠房和應(yīng)急柴油發(fā)電機房等，所有與核安全有關(guān)的廠房都布置在核島內(nèi)。核島是整個核電站的核心，而安全殼則是核島的核心。

安全殼的墻有一米厚

作為核電站的標(biāo)志性建筑物，反應(yīng)堆廠房“安全殼”里面，住著以反應(yīng)堆為首的許多涉核設(shè)施?！鞍踩珰ぁ笔怯射摻罨炷林傻陌肭蛐挝蓓?shù)膱A柱體建筑物。別看主體依然是水泥做的，安全殼所要承擔(dān)的責(zé)任和壓力卻是普通建筑物不可比擬的。以當(dāng)今主流的壓水式反應(yīng)堆為例，安全殼的直徑約40～50米，高約60米，混凝土墻的厚度可達1米，還有6毫米厚的不銹鋼內(nèi)襯確保整體密封性，活脫一個大號水泥罐。這樣的“體格”和防御能力是常規(guī)建筑物比不了的。這也是核電站中最與眾不同的建筑物。

《環(huán)境與生活》雜志2016年7月號的《“事故容錯燃料”讓核安全升級》一文提到，當(dāng)反應(yīng)堆停止運行后，核燃料源源不斷產(chǎn)生的“衰變熱”仍然需要持續(xù)冷卻。不然，反應(yīng)堆核芯（下簡稱堆芯）就會越來越熱，使反應(yīng)堆內(nèi)部壓力開始上升，生成易燃易爆的氫氣。因此按照設(shè)計，安全殼往往能耐500多千帕（相當(dāng)于標(biāo)準大氣壓5倍）的內(nèi)部氣壓，以免被這些瘋狂的氣體撐爆；同時也必須能扛住地震、海嘯、颶風(fēng)、滿載商用飛機的墜落等各種天災(zāi)人禍，它是反應(yīng)堆用來防止放射性物質(zhì)泄漏的最厚也是最后的一道安全屏障。

1979年美國的三里島核事故，是人類核電史上第一起嚴重的核事故。工作人員的操作和判斷失誤造成了2號機組堆芯迅速熔毀，放射性物質(zhì)短時間內(nèi)接連突破了前兩道防線（燃料包殼和一回路壓力邊界）。但是安全殼還健在，慘烈的蒸汽爆炸和氫氣爆炸沒有發(fā)生，也沒有讓主要的放射性物質(zhì)逃過安全殼的屏蔽。當(dāng)然，為了給反應(yīng)堆泄壓，工作人員主動讓一部分帶有放射性的蒸汽排向環(huán)境中，造成了局部環(huán)境放射性超標(biāo)、工作人員受照劑量超標(biāo)，但是沒有人員傷亡，沒有民眾撤離，就連隔壁的1號機組也沒遭池魚之殃。

正是由于安全殼主體完好，才使三里島核事故在國際核事件分級中被列為5級，而沒有發(fā)展到后來的切爾諾貝利和福島那樣的7級核事故（最嚴重的一級）。后兩起事故中，福島第一核電站的安全殼被氫氣爆炸肢解，切爾諾貝利核電站則壓根沒有安全殼這個結(jié)構(gòu)。要知道，每一級核事故之間的嚴重程度，都相差約10倍。

設(shè)計防范大飛機沖撞

對于來自大飛機的沖撞，核電站歷來是設(shè)防的，我國也不例外。當(dāng)然，過去的考慮主要基于飛機失事。而美國“9·11”事件后，許多國家的核電供貨商在新一代核電站的開發(fā)中，已將防范大型飛機惡意撞擊納入設(shè)計考慮。美國西屋公司的一個重要改進，就是將安全殼外層構(gòu)筑物由鋼筋混凝土改為鋼板混凝土，即把水泥包裹在鋼板內(nèi)部而不是埋置鋼筋，以防飛機撞擊使水泥迸裂。

2015年8月4日，采用第三代反應(yīng)堆的山東海陽核電站2號機組的鋼制安全殼頂封頭吊裝就位。該頂封頭由4圈共64塊弧形鋼板拼裝而成，筒體內(nèi)徑近40米，內(nèi)高約11.5米，壁厚41.3毫米，吊裝總重量約790噸。 來源：國家核電技術(shù)有限公司官網(wǎng)

第三代核電機組AP1000的冷卻劑主泵鑄件，重達16噸。

【環(huán)境百科】

根據(jù)國標(biāo)《核電廠抗震設(shè)計規(guī)范》等文件資料，核電站建構(gòu)筑物的抗震設(shè)計共分為抗震Ⅰ類、抗震Ⅱ類和非抗震類3個類別。

抗震Ⅰ類：要求建構(gòu)筑物、系統(tǒng)和設(shè)備在安全停堆地震發(fā)生時結(jié)構(gòu)完好，同時還能保持特定的安全功能。最典型的建筑物就是安全殼、柴油發(fā)電機房等。

抗震Ⅱ類：建構(gòu)筑物、系統(tǒng)和設(shè)備的設(shè)計和實體布置，在安全停堆地震時只需自身完好，同時不損害Ⅰ類建構(gòu)筑物成員的完整性和安全性。放射性廢物廠房是這類建筑的代表。

非抗震類：即其他非安全相關(guān)的物項，只需要滿足常規(guī)建筑的抗震規(guī)范即可，這樣的設(shè)備主要集中在常規(guī)島和BOP區(qū)域。

（田野/整理）

核電站抗震類別

不過，作為一種新型建筑結(jié)構(gòu)，當(dāng)時鋼板混凝土的工程實踐還很少，在美國也沒有形成工業(yè)規(guī)范。所以，美國核管會對這種結(jié)構(gòu)提出了質(zhì)疑，并宣布不接受該結(jié)構(gòu)。于是，我國三門和海陽兩個采用西屋公司第三代機組AP1000的在建核電項目，仍然采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的屏蔽構(gòu)筑物。在后續(xù)AP1000項目以及隨后我國自主開發(fā)的華龍1號、CAP1400核電項目中，抵擋大型飛機惡意撞擊的設(shè)計已經(jīng)得到實現(xiàn)。

柴油發(fā)電機要“高高在上”

除了安全殼，也別忘了應(yīng)急柴油發(fā)電機廠房的重要性。倘若核電站因故斷電，驅(qū)動冷卻水循環(huán)的主泵就失去了動力，此時需柴油發(fā)電機介入，讓冷卻系統(tǒng)、控制棒等關(guān)鍵環(huán)節(jié)持續(xù)運轉(zhuǎn)，就能避免堆芯熔毀、蒸汽/氫氣爆炸、放射性物質(zhì)泄漏等一系列后續(xù)危險的發(fā)生。

由于柴油發(fā)電機和它的廠房在核電站中的角色很關(guān)鍵，所以就不能以常規(guī)的安全標(biāo)準來建了。每臺核電機組都設(shè)有不止一臺柴油發(fā)電機組，互為備用，而且每臺柴油發(fā)電機組及其相關(guān)的設(shè)備，都分別設(shè)置在獨立的廠房內(nèi)，任何一臺停機進行維護或檢修時，不影響其他機組的運行，關(guān)鍵時刻不掉鏈子。核電站正常運行工況下，柴油發(fā)電機組雖然不用，但也處在熱備用（合閘即可送電）狀態(tài)下，以備突發(fā)情況隨時供電。另外，為了防御海嘯，沿海核電站內(nèi)的柴油發(fā)電機往往都“住”在明顯高于當(dāng)?shù)乜煽厮坏牡胤剑M排風(fēng)口設(shè)在廠房約9米高（距廠房底部距離，而非海拔高度）的位置。

美國正在運往核島的反應(yīng)堆壓力容器來源：美國核能管理委員會（NRC）

然而，反例也不是沒有，比如日本福島第一核電站就敗給了超出預(yù)期的海嘯高度，結(jié)果應(yīng)急柴油發(fā)電機沒工作多久就“溺水而亡”，是造成這起七級核事故的重要節(jié)點之一。

三代核電站應(yīng)急冷卻不用電

2011年3月，由于強震的襲擊，日本福島第一核電站全廠斷電。這時候，廠內(nèi)的應(yīng)急柴油發(fā)電機自動啟動，為機組關(guān)鍵設(shè)備供電。按照設(shè)計，應(yīng)急柴油發(fā)電機可以支撐很長時間，原本足以在工作人員采取應(yīng)急措施之前“hold住”衰變熱。

然而，地震發(fā)生后幾十分鐘，海嘯來了。據(jù)當(dāng)時日本氣象和海事部門的測算，當(dāng)時正面撲向福島第一核電站高達15米，而海嘯防坡堤只修了5.7米。于是，柴油發(fā)電機被海嘯淹沒。

而未來主流的第三代核電站，壓根就不想再依賴電來冷卻反應(yīng)堆。這一代核電站改良了建構(gòu)筑物的設(shè)計：在反應(yīng)堆上方放一些水箱，如果遭遇全廠斷電，水箱閥門就會打開，使水在重力作用下流向反應(yīng)堆來實現(xiàn)堆芯冷卻。這種設(shè)計稱為“非能動余熱冷卻系統(tǒng)”，不需要任何外界干預(yù)，只需利用重力和壓力差就能維持72小時的冷卻效果，給工程人員騰出時間來處理事故。這是第三代核電站的重大突破和賣點。如此一來，反應(yīng)堆余熱的冷卻就告別了對電能的依賴，不僅安全性大大提升，還減少了電機和水泵的數(shù)量，省去了一些冗余的建構(gòu)筑物，經(jīng)濟性也大大提高了。福島核事故的教訓(xùn)，進一步凸顯了推廣第三代核電站的重要性。

“3·11”核泄漏事故前的福島第一核電站。其海堤（圖中上部）和柴油發(fā)電機廠房的布設(shè)低估了海嘯的高度，隨后到來的海嘯令廠內(nèi)大多數(shù)建筑泡在水中。

按最大震級設(shè)計抗震性能

抗震能力自然也是核電站設(shè)計的必修課。核電站的建筑共分為抗震Ⅰ類、抗震Ⅱ類和非抗震類3個級別（詳見“環(huán)境百科”欄目）。核電站在前期選址階段就要對地質(zhì)條件及地震的概率和強度做嚴格評估，避開地震帶，符合標(biāo)準才能開建。之后“入駐”的廠房和設(shè)備，會以這里可能發(fā)生的最大地震為基準，對建構(gòu)筑物進行抗震設(shè)計，這叫“安全停堆地震（SSE）”。它通常取當(dāng)?shù)貧v史上發(fā)生過的最大地震，再加上一定的安全裕量得出，保證在這個震級之內(nèi)足以正常關(guān)停反應(yīng)堆，以免引發(fā)險情。第三代核電站建構(gòu)筑物的抗震能力，也比當(dāng)下主流的第二代或第二代改進型核電站明顯加強。

作為大型核設(shè)施，核電站的安全關(guān)乎環(huán)境和人的生命健康，核電站的建筑和部件大到安全殼墻體，小到一節(jié)不足拇指大小的燃料芯塊，都享受著細致周到的特殊呵護，同時也受到嚴苛的技術(shù)約束。只有這樣，才能造就高效滿足用電需求的清潔能源。

本欄目責(zé)編/季天也jtyair2013@vip.163.com