趙 雷

（生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心，北京 100082）

民用核燃料設(shè)施構(gòu)筑物指民用核燃料生產(chǎn)、加工、貯存和后處理設(shè)施的構(gòu)筑物，包括新建鈾純化、鈾轉(zhuǎn)化、鈾濃縮、核燃料元件制造、離堆乏燃料貯存、后處理等核燃料循環(huán)設(shè)施構(gòu)筑物［1-4］。依據(jù)我國核安全法規(guī)《民用核燃料循環(huán)設(shè)施安全規(guī)定》（HAF301-1993）的要求，這類構(gòu)筑物的核安全標(biāo)準(zhǔn)包括兩方面的要求，即廠址安全要求和設(shè)計建造安全要求，其核心目的是確保構(gòu)筑物在壽期內(nèi)，有效防范外部災(zāi)害風(fēng)險，避免放射性污染的發(fā)生。導(dǎo)致放射性災(zāi)害發(fā)生的最直接外部災(zāi)害就是地震。目前，我國對于除核電廠之外的其他核設(shè)施，并沒有統(tǒng)一的構(gòu)筑物安全分類級別標(biāo)準(zhǔn)可以參照，在選址、設(shè)計以及老舊設(shè)施的維修加固等方面往往根據(jù)以往的經(jīng)驗進(jìn)行處理，缺乏理論依據(jù)和法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的支撐。

1 現(xiàn)狀

美國燃料循環(huán)設(shè)施構(gòu)筑物的選址和設(shè)計具有完備的安全標(biāo)準(zhǔn)體系；國際原子能組織（International Atomic Energy Agency，簡稱IAEA）頒布的《除核電廠之外的其他核設(shè)施設(shè)計中對外部事件（以地震為主）的考慮》（TECDOC-1347）給出了該類構(gòu)筑物的安全分級原則；我國在長期的實踐過程中積累了大量實踐經(jīng)驗，但內(nèi)容缺乏整理和彼此銜接。

1.1 美國燃料循環(huán)設(shè)施構(gòu)筑物安全標(biāo)準(zhǔn)

美國燃料循環(huán)設(shè)施構(gòu)筑物的選址設(shè)計具有完備的安全標(biāo)準(zhǔn)，其構(gòu)筑物設(shè)計思想是基于結(jié)構(gòu)性能開展設(shè)計［5-9］。其結(jié)構(gòu)設(shè)計的主旨是抗震設(shè)計，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的分級依據(jù)ANSI/ANS-2.26-2004中定義了20個抗震設(shè)計基準(zhǔn)（Seismic Design Basis，簡稱SDB），具體見表1。其中SDC-1和SDC-2對應(yīng)的結(jié)構(gòu)類型及設(shè)計要求在其他規(guī)范中規(guī)定（ASCE7），沒有在核設(shè)施規(guī)定中進(jìn)行要求。SDC-3、SDC-4、SDC-5的劃分則是依據(jù)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和構(gòu)件（Structures，Systems and Components，簡稱SSCs）失效后果的嚴(yán)重程度進(jìn)行分類的，把所有燃料循環(huán)設(shè)施構(gòu)筑物按結(jié)構(gòu)安全性能要求分為12個級別，根據(jù)安全級別確定選址要求；再根據(jù)廠址特征，按照對應(yīng)級別的要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能設(shè)計。其中安全性能的級別依據(jù)主要是依據(jù)SSCs失效后果的嚴(yán)重程度進(jìn)行分類的，具體依據(jù)建筑物在地震作用下的結(jié)構(gòu)損傷情況、人員可能傷亡數(shù)量和核泄漏風(fēng)險等量化標(biāo)準(zhǔn)，對建筑物和構(gòu)筑物進(jìn)行分級，再根據(jù)不同等級選擇設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，參見表2。其目的是為了控制設(shè)計過程，使得與安全和環(huán)保相關(guān)的SSCs性能可接受。針對SSCs的失效進(jìn)行了細(xì)致的劃分，其描述為永久大變形、永久中等變形、永久小變形和彈性變形，以變形應(yīng)變值進(jìn)行控制，永久大變形意味著頻臨倒塌，數(shù)據(jù)源自材料特性、受力體系模型分析和實驗結(jié)果綜合評估的結(jié)果，參見表3。

表1 抗震設(shè)計基準(zhǔn)分類Table 1 Seismic design criteria

表2 抗震性能設(shè)計分類（基于SSCs失效后果的嚴(yán)重性）Table 2 Category of seismic performance design（Basis on failure result of SSCs）

表3 極限狀態(tài)下變形極限Table 3 Ultimate deformation under limit state

根據(jù)概率安全評估的思路，美國能源部1994年在DOE-STD-1020中給出一種把概率地震危險性分析和結(jié)構(gòu)易損性方法相結(jié)合，根據(jù)構(gòu)筑物的性能要求選取地震輸入和設(shè)計準(zhǔn)則的方法。該方法就是基于性能的抗震設(shè)計方法，即在結(jié)構(gòu)可靠性目標(biāo)下，依據(jù)性能要求選擇結(jié)構(gòu)類型并進(jìn)行抗震設(shè)計。美國土木工程協(xié)會按照該方法的基本理論并結(jié)合核電的安全性要求，為核電廠的SSCs確定了抗震性能目標(biāo)，參見表3。美國ASCE/SEI43-05是針對核設(shè)施的抗震設(shè)計規(guī)范，對核設(shè)施的設(shè)計沿用了上述方法。按照該方法，要求SSCs能達(dá)到以下目標(biāo)：（1）以安全停堆地震動為設(shè)計基準(zhǔn)時，SSCs的失效概率要小于1%；（2）以1.5的安全停堆地震動為設(shè)計基準(zhǔn)時，SSCs的失效概率要小于10%。為確保以上目標(biāo)的實現(xiàn)，根據(jù)抗震性能要求，完成的抗震設(shè)計：一是根據(jù)場地的地質(zhì)條件，通過概率地震危險性分析得出一致的概率風(fēng)險反應(yīng)譜；二是根據(jù)不同抗震設(shè)計分類的性能指標(biāo)，選取合理的設(shè)計系數(shù)。

表4 SSC的目標(biāo)性能指標(biāo)Table 4 Target performance goals for SDCs

該方法在考慮SSCs的抗震能力的同時，給出該性能在特定失效概率條件下滿足設(shè)定的年超越概率，其特點在于較傳統(tǒng)的抗震設(shè)計方法，該方法能體現(xiàn)出結(jié)構(gòu)的抗震裕量。核設(shè)施首選的結(jié)構(gòu)體系應(yīng)具備足夠的強度和延性以承受設(shè)計基準(zhǔn)地震，在此基礎(chǔ)上具有足夠的剛度來控制層間位移。以此完成結(jié)構(gòu)的性能設(shè)計，達(dá)到抗震要求。

1.2 IAEA的相關(guān)建議

IAEA在《除核電廠之外的其他核設(shè)施設(shè)計中對外部事件（以地震為主）的考慮》（TEC?DOC-1347）給出了劃分安全分類級別的原則。鑒于各成員國的核設(shè)施選址原則和規(guī)范設(shè)計方法的不同，該文件未提供進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法要求。

IAEA在1985年出版的《有限放射性儲量核設(shè)施的抗震設(shè)計》（TECDOC-348）中首次提出關(guān)于核設(shè)施的抗震分類方法。該文件頒布了與工程廠址規(guī)避地震的選址方法和工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的抗震設(shè)計原則。該導(dǎo)則于2003年升版為《除核電廠之外的其他核設(shè)施設(shè)計中對外部事件（以地震為主）的考慮》（TECDOC-1347）［10］。除對地震問題的考慮外，還拓展到其他外部事件。在TECDOC-1347中指出，核設(shè)施的安全要求是根據(jù)設(shè)施的放射性儲量、環(huán)境釋放的潛在影響以及與外部事件相關(guān)的放射性風(fēng)險的其他特征等因素確定的，在設(shè)計中根據(jù)這些因素的影響綜合考慮后，對核設(shè)施使用不同的設(shè)計基準(zhǔn)事件超越概率值。TECDOC-1347描述了除核動力廠之外核設(shè)施的安全分級原則，其具體的分級原則根據(jù)地震風(fēng)險嚴(yán)重程度控制的原則，廠址外部事件的概率需按照外部事件特定危害程度進(jìn)行評價，外部事件產(chǎn)生放射性后果的概率大小取決于源項（設(shè)施）與事件兩方面的特性［10］。

基于外部事件危害和設(shè)施自身風(fēng)險及可能對周圍環(huán)境的影響等因素，TECDOC-1347中提出了對核設(shè)施的下述風(fēng)險分級方法：

1類（高度危害）：具有顯著的廠外放射性污染潛在后果；

2類（中度危害）：具有明顯的廠內(nèi)放射性污染潛在后果，并具有高度臨界危害；

3類（低度危害）：具有明顯的廠內(nèi)放射性污染潛在后果；

4類（常規(guī)危害）：“工業(yè)風(fēng)險”，常規(guī)的工業(yè)廠房。

TECDOC-1347的2.5節(jié)描述了與外部事件相關(guān)的物項分類。為了確定在任一外部事件情況下所需考慮的物項及相關(guān)要求，作為合理的設(shè)計基礎(chǔ)，這些信息可通過工廠所有物項的外部事件分級過程來構(gòu)成。

為了這一目的，SSCs可分為（物項分類）：

外部事件1級（EEC1）：安全系統(tǒng)屬于外部事件安全組或在外部事件中及之后與外部事件安全組中物項有相互作用的安全系統(tǒng)；

外部事件2級（EEC2）：安全系統(tǒng)不屬于外部事件安全組，以及在外部事件中及之后與外部事件1級物項無相互作用的安全系統(tǒng)；

外部事件3級（EEC3）：能夠削弱EEC1與EEC2物項的固有功能或運行人員作用的非安全重要物項。

TECDOC-1347中給出的不同風(fēng)險級別核設(shè)施的外部事件超越概率。其中1類核設(shè)施遭遇地震的平均超越概率為萬年一遇，二類的平均超越概率為2500年，3類、4類分別為1000年和667年。

1.3 我國的工程實踐

我國在廠址安全要求方面和設(shè)計建造安全要求方面通過多年的實踐積累，在廠址安全評價和建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計等領(lǐng)域均形成了標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。但如何把這些規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)合理的運用到燃料循環(huán)設(shè)施的建設(shè)中，形成一套對應(yīng)理論體系，仍需要對一些環(huán)節(jié)進(jìn)行補充完善。

在廠址安全要求方面，我國廠址地震危險性分析是概率論方法和確定論方法相結(jié)合，對廠址的地震風(fēng)險能夠較為全面地反映。根據(jù)不同工程對工程場地地震安全性評價的深度和所需提供參數(shù)要求的不同，將場地地震安全性評價工作分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級：Ⅰ級要求進(jìn)行地震危險性概率分析、保守的地震危險性確定性分析、能動斷層的確定、設(shè)計地震動參數(shù)估計和詳細(xì)地震地質(zhì)安全性評價。該級要求適用于核電廠和特殊重要的大壩工程。Ⅱ級要求進(jìn)行地震危險性概率分析及地震小區(qū)劃。Ⅲ級要求地震危險性概率分析、場地設(shè)計地震動參數(shù)估計和一般地震地質(zhì)安全性評價。核燃料循環(huán)設(shè)施構(gòu)筑物依據(jù)其抗震分類可歸屬在Ⅱ級和Ⅲ級工作。Ⅳ級要求應(yīng)依據(jù)現(xiàn)行中國地震區(qū)劃圖使用規(guī)定進(jìn)行設(shè)防。

在設(shè)計建造安全要求方面，我國建構(gòu)筑物設(shè)計規(guī)范的制定遵循結(jié)構(gòu)工程可靠度理論，判定結(jié)構(gòu)在施工和使用中的狀態(tài)是以可靠和失效兩種狀態(tài)來區(qū)分的。建筑結(jié)構(gòu)可靠與失效的界限叫做建筑結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)?！督ㄖY(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB50068-2001）明確給出了結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)的定義?！督ㄖ拐鹪O(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）是在可靠度設(shè)計思路的基礎(chǔ)上編制的，而GB50011-2010《抗震設(shè)計規(guī)范》的2016版是在2010版的基礎(chǔ)上進(jìn)行局部修訂而成。近年來，也引進(jìn)了一些與核燃料循環(huán)設(shè)施構(gòu)筑物相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，如《核安全相關(guān)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》（NB/T 20256-2013），主要內(nèi)容譯自美國ASCE4-98規(guī)范。《核安全相關(guān)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》和《核設(shè)施結(jié)構(gòu)基于性能抗震設(shè)計方法》目前尚未正式出版。

2 存在問題

我國核燃料循環(huán)設(shè)施構(gòu)筑物在建造過程中，經(jīng)常出現(xiàn)以設(shè)計經(jīng)驗進(jìn)行處理的情況，主要原因是核燃料循環(huán)設(shè)施構(gòu)筑物沒有按照風(fēng)險級別進(jìn)行安全分類。

按照風(fēng)險級別進(jìn)行安全分類，即相當(dāng)于確定了在不同地震風(fēng)險下的抗震性能，依據(jù)此構(gòu)筑物的性能要求，可以確定該結(jié)構(gòu)的正常使用狀態(tài)和極限狀態(tài)。目前供參考的標(biāo)準(zhǔn)有《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》（GB50223-2008）；《鈾燃料元件廠設(shè)計準(zhǔn)則》（EJ/T 808—2007）；《核燃料后處理廠安全設(shè)計準(zhǔn)則》（EJ-877-94）；《核燃料后處理廠建（構(gòu)）筑物系統(tǒng)和部件的分級準(zhǔn)則》（EJ/T 939—95）等標(biāo)準(zhǔn)。顯然這些標(biāo)準(zhǔn)沒有完全涵蓋所有核燃料循環(huán)設(shè)施，特別是我國《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》（GB50223-2008）與燃料循環(huán)設(shè)施構(gòu)筑物的類別劃分難以有機地聯(lián)系起來。環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心于2014年完成了技術(shù)見解《不同風(fēng)險類別核燃料循環(huán)設(shè)施抗震設(shè)防要求（構(gòu)筑物部分）》的初稿［11］，給出了構(gòu)筑物分類建議，分類方式以抗震一類、二類等形式給出，但工作并未進(jìn)一步推進(jìn)。

3 建議

以風(fēng)險分級辦法確定結(jié)構(gòu)安全分級，通過結(jié)構(gòu)分級原則確定廠址選擇要求，再根據(jù)廠址條件和結(jié)構(gòu)分級的性能要求確定設(shè)計方案，就能夠把廠址安全要求和設(shè)計建造安全要求有機的結(jié)合起來。

（一）以風(fēng)險分級確定燃料循環(huán)設(shè)施構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)安全分級。在技術(shù)見解《不同風(fēng)險類別核燃料循環(huán)設(shè)施抗震設(shè)防要求（構(gòu)筑物部分）》的基礎(chǔ)上，對核燃料循環(huán)設(shè)施構(gòu)筑物進(jìn)行了分類。但分類中強調(diào)了設(shè)防烈度的選取，對廠址安全評估強調(diào)不夠，需要進(jìn)一步完善。

（二）針對擬建新廠址，根據(jù)廠址內(nèi)最重要構(gòu)筑物的分類級別，與廠址地震安全性評估級別（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級）建立對應(yīng)關(guān)系，開展廠址安全評估，確定相關(guān)廠址地震參數(shù)。

（三）對已建核燃料循環(huán)設(shè)施構(gòu)筑物應(yīng)在壽期內(nèi)開展定期評估，確保其安全運行。我國有不少老舊設(shè)施，按新的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)去要求顯然是不合適的。建議對老舊設(shè)施在壽期內(nèi)定期開展結(jié)構(gòu)安全檢查評估，及時發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)行修繕加固。有隱患的應(yīng)停止使用。