郭一丁，郭 健，譚 美

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064)

0 引 言

隨著我國(guó)核電產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，投產(chǎn)的機(jī)組逐步增多，乏燃料數(shù)量迅猛增長(zhǎng)，乏燃料運(yùn)輸成為當(dāng)前我國(guó)核燃料產(chǎn)業(yè)末端急需解決的問(wèn)題[1]。

目前，我國(guó)主要采用公路運(yùn)輸?shù)姆绞剑\(yùn)輸受到多方面因素影響導(dǎo)致能力有限。我國(guó)乏燃料后處理廠位于西北地區(qū)，而核電站多分布在沿海地區(qū)，參照國(guó)際經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)我國(guó)乏燃料運(yùn)輸數(shù)量大、距離遠(yuǎn)的情況，公海鐵聯(lián)運(yùn)是最佳方案[2]。海上運(yùn)輸方式采用乏燃料運(yùn)輸船，其具有容量大、安全性好等優(yōu)勢(shì)。英國(guó)、俄羅斯、日本等國(guó)家都研制有多艘乏燃料運(yùn)輸船，而我國(guó)在這方面相對(duì)薄弱。

1 乏燃料運(yùn)輸船現(xiàn)狀

早在1987 年，英國(guó)就完成了第5 艘PNTL 系列乏燃料運(yùn)輸船的下水。該船由日本三菱公司建造，全長(zhǎng)103.9 m，可容納24 個(gè)燃料組件運(yùn)輸容器。PNTL 系列乏燃料運(yùn)輸船之一Pacific Grebe 號(hào)如圖1 所示。

英國(guó)乏燃料運(yùn)輸船已多次遠(yuǎn)洋航行，將日本的商用核燃料運(yùn)送至法國(guó)和英國(guó)的港口，將玻化高放射性廢物（HLW）從法國(guó)運(yùn)輸至日本，將混合氧化物燃料（MOX）從英國(guó)和法國(guó)運(yùn)至日本，將日本和歐洲的研究堆乏燃料運(yùn)至美國(guó)，將二氧化钚從美國(guó)運(yùn)抵至歐洲[3]。

2006 年1 月，美國(guó)能源部全球威脅減少計(jì)劃主導(dǎo)的俄羅斯研究堆燃料回收項(xiàng)目（RRRFR），要求對(duì)全世界貯存在俄羅斯研究堆的高濃鈾乏燃料（SNF）運(yùn)回俄羅斯。ASPOL 決定對(duì)MCL 貨輪進(jìn)行乏燃料運(yùn)輸船改裝，MCL 貨輪于1990 年在新加坡建造，用于俄羅斯軍隊(duì)核導(dǎo)彈運(yùn)輸任務(wù)，后改造為貨船。2009 年俄羅斯完成了對(duì)MCL 運(yùn)輸船的調(diào)整，使其符合乏燃料的運(yùn)輸要求（見(jiàn)圖2）。MCL 運(yùn)輸船全長(zhǎng)95 m，船寬15.8 m，型深7.8 m，設(shè)計(jì)吃水6.31 m，排水量6 325 t，最大航速15 kn[4]。

圖 2 俄羅斯MCL 運(yùn)輸船F(xiàn)ig.2 Photograph of the russian vessel MCL trader

2009 年4 月15 日，韓國(guó)大鮮造船交付了韓國(guó)首艘放射性物質(zhì)專(zhuān)用運(yùn)輸船，該船長(zhǎng)78.6 m、寬15.8 m，載重量為2 600 t[5]。

2012 年10 月25 日，荷蘭Damen 造船集 團(tuán)1 艘核燃料運(yùn)輸船下水。該船全長(zhǎng)99.5 m，寬18.6 m，設(shè)計(jì)吃水4.5 m，入級(jí)英國(guó)勞氏船級(jí)社，定員21 人，航速為12 kn。主要承擔(dān)從瑞典核電站到SKB 公司之間乏燃料的運(yùn)輸（見(jiàn)圖3）[5]。

2 乏燃料運(yùn)輸船概念設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)需求

根據(jù)國(guó)防科工局組織編寫(xiě)的《核電站乏燃料處理基金2011-2020 年使用規(guī)劃》，2016 年我國(guó)乏燃料年運(yùn)輸總量就已達(dá)600 組[6]?！笆濉?期間，我國(guó)核電站將有超過(guò)3 000 組乏燃料需要外運(yùn)到后處理廠，運(yùn)輸需求急劇增加。我國(guó)2013-2020 年間核電站乏燃料當(dāng)年產(chǎn)量和乏燃料產(chǎn)生累積量如表1 所示。

圖 3 SKB 乏燃料運(yùn)輸船F(xiàn)ig.3 Photograph of the SKB spent fuel transport ship

表 1 2013-2020 年間核電站乏燃料當(dāng)年產(chǎn)量和乏燃料產(chǎn)生累積量（單位tHM）Tab.1 Production and cumulative amount of nuclear power plant spent fuel from 2013 to 2020 (Unit tHM)

由表1 可知，2016 年，需要外運(yùn)的乏燃料將快速增加，而我國(guó)目前的運(yùn)輸方式為公路運(yùn)輸，以大亞灣核電站為例，從核電站裝料運(yùn)到西北某處理廠每次大約3 個(gè)月時(shí)間。但公路運(yùn)輸會(huì)受到氣候、公眾活動(dòng)的影響，實(shí)際運(yùn)輸時(shí)間往往嚴(yán)重超出，每年僅能完成2 次運(yùn)輸任務(wù)，最多運(yùn)輸104 組乏燃料組件，運(yùn)輸能力十分有限[3]。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)可持續(xù)發(fā)展角度，我國(guó)急需改變運(yùn)輸方式，建立公海鐵聯(lián)運(yùn)的新模式。我國(guó)鐵路運(yùn)輸能力強(qiáng)，因此需要著重加大力度發(fā)展海上運(yùn)輸，設(shè)計(jì)我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的乏燃料運(yùn)輸船。

2.2 母型船對(duì)比分析

經(jīng)過(guò)調(diào)研，目前國(guó)內(nèi)沒(méi)有乏燃料運(yùn)輸船，國(guó)外比較成熟、先進(jìn)的乏燃料運(yùn)輸船有俄羅斯的MCL 乏燃料運(yùn)輸船和英國(guó)的PNTL 系列乏燃料運(yùn)輸船。充分參考國(guó)外應(yīng)用成熟的乏燃料運(yùn)輸船設(shè)計(jì)特點(diǎn)，基于母型船法設(shè)計(jì)，降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)和難度。

1）主要參數(shù)

Pacific Grebe 號(hào)和MCL 號(hào)運(yùn)輸船主要要素對(duì)比如表2 所示。

表 2 主要參數(shù)對(duì)比Tab.2 Main parameters comparison

2）貨艙布置

Pacific Grebe 號(hào)乏燃料運(yùn)輸船設(shè)置4 個(gè)貨艙區(qū)（見(jiàn)圖4），每個(gè)貨艙內(nèi)設(shè)計(jì)中間活動(dòng)甲板，將貨艙分為上下兩層，每一層均可裝載乏燃料容器，容器布置考慮了船舶穩(wěn)性和重量平衡。

圖 4 Pacific Grebe 號(hào)乏燃料運(yùn)輸船貨艙布置Fig.4 Photograph of the Pacific Grebe holds plan

全船設(shè)有2 個(gè)貨艙，分別配置1 臺(tái)吊機(jī)，具有自裝卸貨功能（見(jiàn)圖5）。No.1 貨艙位于船首部，采用罐式集裝箱密封裝運(yùn)具有INF-2 級(jí)的乏燃料。No.1 貨艙是船舶重點(diǎn)設(shè)計(jì)及控制區(qū)域，需要滿足公眾或船員的輻射防護(hù)要求。No.2 貨艙靠近尾部主機(jī)艙、生活區(qū)和駕駛甲板，考慮對(duì)人員的輻射安全，該貨艙僅裝載常規(guī)貨品，作為No.1 貨艙與人居處所的隔離。

2.3 設(shè)計(jì)結(jié)論

通過(guò)比較英國(guó)與俄羅斯的乏燃料運(yùn)輸船，主要存在以下區(qū)別：

1）裝卸方式

俄羅斯MCL 方案采用設(shè)置貨艙吊機(jī)的設(shè)計(jì)，降低了對(duì)碼頭設(shè)施的要求，靈活性較好；

英國(guó)Pacific Grebe 方案不設(shè)置貨艙吊機(jī)，對(duì)碼頭設(shè)施提出了較高的要求，靈活性較低。

2）運(yùn)輸容器型式

俄羅斯MCL 方案采用罐式集裝箱乏燃料運(yùn)輸容器，通過(guò)箱角與貨艙固定，便于裝卸貨操作；

英國(guó)Pacific Grebe 方案采用圓筒式乏燃料運(yùn)輸容器，通過(guò)基座與貨艙固定，裝卸操作較復(fù)雜。

3）運(yùn)輸貨品級(jí)別

按照INF 規(guī)則，俄羅斯MCL 可運(yùn)輸INF-2 級(jí)活度的放射性物質(zhì)，英國(guó)Pacific Grebe 號(hào)可運(yùn)輸INF-3 級(jí)活度的放射性物質(zhì)，從運(yùn)輸貨品范圍來(lái)看MCL 不及Pacific Grebe。

目前我國(guó)相關(guān)資源配置情況如下：

1）核電站使用的乏燃料運(yùn)輸容器是由美國(guó)設(shè)計(jì)，西班牙建造的NAC-STC 型容器，該容器經(jīng)中核清原公司引進(jìn)。容器參數(shù)如表3 所示。

圖 5 MCL 號(hào)運(yùn)輸船貨艙布置Fig.5 Photograph of the MCL holds plan

表 3 NAC-STC 容器主要參數(shù)Tab.3 Main parameters of NAC-STC

2）核電站布置在南北沿海一帶，涉及到港口眾多，碼頭設(shè)施層次不齊，對(duì)乏燃料運(yùn)輸船具有自主裝卸貨功能提出了要求。

3）除了陸上核電站，海洋核動(dòng)力平臺(tái)有海上運(yùn)輸放射性廢固運(yùn)輸需求，需要設(shè)置獨(dú)立的貨艙用于裝運(yùn)不同放射性活度的放射性物質(zhì)。

因此，乏燃料運(yùn)輸船型選擇以英國(guó)乏燃料運(yùn)輸船為母型，在運(yùn)輸容器及裝載方式上參考英國(guó)的圓筒型乏燃料運(yùn)輸容器模式，設(shè)置多個(gè)貨艙滿足多種貨品裝載需求，同時(shí)配置自攜式貨艙吊機(jī)滿足不同層次的碼頭設(shè)施水平。

綜合上述設(shè)計(jì)分析，提出乏燃料運(yùn)輸船概念設(shè)計(jì)參數(shù)如表4 所示。

乏燃料運(yùn)輸船的外形及總體布置如圖6 所示。

3 功能定位與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 功能定位

乏燃料運(yùn)輸船為運(yùn)輸放射性物質(zhì)的焊接結(jié)構(gòu)鋼質(zhì)運(yùn)輸船，主要用于解決海上核設(shè)施乏燃料運(yùn)輸問(wèn)題，同時(shí)服務(wù)于濱海核電站與后處理廠之間的轉(zhuǎn)運(yùn)，避免陸上運(yùn)輸對(duì)周邊人員聚居區(qū)、交通主干線的影響。本文所設(shè)計(jì)運(yùn)輸船屬于放射性物質(zhì)運(yùn)輸船，除了具備普通運(yùn)輸船的功能外，還應(yīng)具備以下特殊功能：

表 4 乏燃料運(yùn)輸船參數(shù)Tab.4 Parameter of spent fuel transport ship

圖 6 乏燃料運(yùn)輸船總體布置圖Fig.6 Arrangement plan of spent fuel transport ship

1）自主裝卸放射性物質(zhì)容器；

2）對(duì)放射性物質(zhì)容器冷藏處置；

3）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)放射性物質(zhì)容器輻射；

4）人員的放射性去污；

5）沾染放射性的廢氣、廢液和廢固的處理；

7）對(duì)作業(yè)海域周界空中、水面、水下三維空間威脅目標(biāo)實(shí)施探測(cè)、預(yù)警、告警、拒止和驅(qū)逐；

8）事故應(yīng)急處理；

9）火災(zāi)防護(hù)、火災(zāi)監(jiān)測(cè)以及緊急滅火。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)乏燃料運(yùn)輸船的特殊功能定位和保證船舶安全運(yùn)行，船舶應(yīng)具備以下系統(tǒng)：

1）吊裝系統(tǒng)

系統(tǒng)配置2 臺(tái)120 t 的吊機(jī)，裝卸過(guò)程有專(zhuān)人操作吊機(jī)，并有指揮人員全程指揮，嚴(yán)格的執(zhí)行吊裝流程和操作規(guī)定。

2）貨艙環(huán)境控制系統(tǒng)

綜合INF 規(guī)則要求與英國(guó)乏燃料運(yùn)輸船的參數(shù)，貨艙環(huán)境溫度要控制在-40 ℃～+38 ℃。

典型的方案是在貨艙底部設(shè)置2 個(gè)強(qiáng)制循環(huán)空氣冷卻器，在較高的位置布置軸流式風(fēng)機(jī)。系統(tǒng)采用冗余設(shè)計(jì)模式，所有關(guān)鍵設(shè)備采用一用一備的方式。

3）輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

系統(tǒng)功能主要為監(jiān)測(cè)管理艙室、排出流、控制區(qū)進(jìn)出、個(gè)人劑量以及船舶靠港時(shí)對(duì)環(huán)境的輻射情況，確保乏燃料或放射性廢物安全、人員及環(huán)境輻射安全。乏燃料運(yùn)輸船設(shè)置的輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由船內(nèi)輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和船外周邊環(huán)境輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成。

4）放射性廢物管理系統(tǒng)

系統(tǒng)主要是對(duì)沾染放射性的 “三廢” 進(jìn)行處理和人員的洗消去污，主要有以下功能：

① 貨艙通風(fēng)和負(fù)壓產(chǎn)生的沾染放射性的廢氣，經(jīng)過(guò)濾系統(tǒng)處理后排放；

② 針對(duì)船舶貨艙產(chǎn)生的沾染發(fā)放射性的廢液，貯存在專(zhuān)門(mén)設(shè)置的壓載水艙內(nèi)，在船舶?？看a頭時(shí)駁運(yùn)至岸上特殊的廢液箱；

③ 對(duì)貨艙區(qū)產(chǎn)生的沾染放射性的廢固，設(shè)置屏蔽桶貯存，在碼頭時(shí)調(diào)離船舶；

④ 設(shè)置洗消系統(tǒng)，用于進(jìn)出貨艙區(qū)人員更衣洗浴、沾染檢測(cè)和消除、劑量監(jiān)測(cè)管理等需求。

5）實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)

主要是運(yùn)輸過(guò)程中核材料的實(shí)物保護(hù)，防止破壞分子非法轉(zhuǎn)移或破壞核材料。該系統(tǒng)由船舶周界警戒、防衛(wèi)、視頻監(jiān)控、出入口控制、入侵報(bào)警、人員定位、安保通信等子系統(tǒng)組成，具有以下功能：

① 限制與運(yùn)輸無(wú)關(guān)的人員在乏燃料運(yùn)輸船附近區(qū)域活動(dòng)，能及時(shí)探知未經(jīng)授權(quán)人員、材料、物品、船只進(jìn)入運(yùn)輸控制區(qū)；

② 能阻止或延遲未經(jīng)授權(quán)人員、物品、船只靠近乏燃料運(yùn)輸船，防止將未經(jīng)批準(zhǔn)的材料或物品帶入乏燃料運(yùn)輸船；

③ 防止內(nèi)部人員或外部人員采用內(nèi)外勾結(jié)的方式從乏燃料運(yùn)輸船內(nèi)非法竊取和破壞核材料；

④ 與響應(yīng)力量保持通信暢通，對(duì)突發(fā)事件能立即作出有效響應(yīng)，在當(dāng)?shù)毓膊块T(mén)或響應(yīng)力量到達(dá)之前能牽制和阻止入侵者的違法行動(dòng)。

6）應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)

根據(jù)國(guó)家相關(guān)規(guī)定，乏燃料運(yùn)輸船事故應(yīng)急可分為：非輻射事故應(yīng)急、潛在輻射事故應(yīng)急和輻射事故應(yīng)急3 種狀態(tài)。

系統(tǒng)根據(jù)3 種不同的應(yīng)急狀態(tài)制定不同的應(yīng)急方案，并建立、健全海上應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制，成立海上應(yīng)急響應(yīng)小組、配備應(yīng)急響應(yīng)物資。

發(fā)生事故后，根據(jù)國(guó)家和地方有關(guān)環(huán)保法規(guī)分析造成事故的原因，并結(jié)合實(shí)際情況提供技術(shù)方面的處理措施，及時(shí)安排人員進(jìn)行應(yīng)急響應(yīng)行動(dòng)，發(fā)揮應(yīng)急作用，承擔(dān)海上應(yīng)急響應(yīng)、搶險(xiǎn)救災(zāi)、支持保障、善后處理等應(yīng)急工作。

7）火災(zāi)監(jiān)測(cè)和消防系統(tǒng)

系統(tǒng)由防火、火災(zāi)探測(cè)報(bào)警和滅火等3 部分組成。

船舶防火主要是通過(guò)劃分防火區(qū)域和布置防火結(jié)構(gòu)阻止火災(zāi)蔓延，確保人員能安全脫險(xiǎn)，船舶根據(jù)規(guī)范劃分為數(shù)個(gè)防火主豎區(qū)。

火災(zāi)探測(cè)報(bào)警主要是在船舶大部分艙室采用分布智能式船用感煙探測(cè)器和感溫型探測(cè)器。在特殊部位，如廚房等部位僅設(shè)置感溫型火災(zāi)探測(cè)器；蓄電池室設(shè)置防爆紫外、紅外感光探測(cè)器和防爆感煙探測(cè)器；貨艙內(nèi)部采用耐輻照感煙探測(cè)器和耐輻照感溫探測(cè)器的組合，并借用視頻監(jiān)控措施對(duì)火災(zāi)報(bào)警予以確認(rèn)。

船舶滅火系統(tǒng)要根據(jù)不同區(qū)域特點(diǎn)選擇合適的滅火方式，特別地，貨艙除設(shè)有氣體滅火裝置外，還在貨艙頂部設(shè)置水噴淋系統(tǒng)。

4 結(jié) 論

我國(guó)乏燃料運(yùn)輸未來(lái)需求量大，發(fā)展海上運(yùn)輸勢(shì)在必行。本文提出了乏燃料運(yùn)輸船的總體方案概念設(shè)計(jì)，旨在為我國(guó)乏燃料運(yùn)輸船設(shè)計(jì)建造提供技術(shù)參考。