核電廠大范圍損傷管理導則研究現狀

余 蘊，趙 博，喻新利，孫金龍，種毅敏

(1.中國核電工程有限公司，北京100840；2. 環境保護部核與輻射安全中心，北京100082)

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核電廠大范圍損傷管理導則研究現狀

余 蘊1，趙 博1，喻新利1，孫金龍1，種毅敏2

(1.中國核電工程有限公司，北京100840；2. 環境保護部核與輻射安全中心，北京100082)

火災、地震、水淹、極端天氣條件等超設計基準外部事件可能造成核電廠大范圍損傷，不僅使得電廠的系統與設備大面積失效，還導致正常的應急體系無法運轉。目前，國內外都在開展應對核電廠大范圍損傷的研究，以完善核電廠的縱深防御體系，降低大范圍損傷事故產生的后果。本文調研了國內外核電廠大范圍損傷的研究現狀，分析了美國核電廠的大范圍損傷管理導則、靈活多樣的處理策略及臺灣地區核電廠的斷然處置措施，并對國內大范圍損傷管理導則的研究與開發提出了一些思路與建議。

核電廠；大范圍損傷；EDMG；FLEX；外部災害

根據核動力廠設計安全規定，核電廠的狀態分為正常運行、預計運行事件與事故工況[1]，核電廠針對各種狀態開發相應規程，提高核電廠的縱深防御能力。對應形成的運行規程與導則有：正常運行規程(NOP)、異常運行規程(AOP)、應急運行規程(EOP)和嚴重事故管理導則(SAMG)[2]。其中，EOP與SAMG都是根據核電廠的狀態或事故進展來確定應對手段或緩解策略的，而這些多是針對設計基準的內部事件和外部事件的，以及選定的嚴重事故序列，對于超過設計基準的外部事件來說有一定的局限性。超過設計基準的外部事件盡管其發生的概率極低，但可能引發大范圍損傷，不僅僅大范圍面積影響核電廠緩解系統和設備，還會影響電廠的控制與監測功能(如：主控室喪失)，從而使得現有的EOP與SAMG難以執行。

福島核電站核事故中，地震及其誘發的超過設計基準的海嘯導致主控室的控制和監測能力喪失，嚴重事故管理導則未能全面發揮作用，已經制定的SAMG未能覆蓋核電廠大范圍損傷的情況，而導致了事故的進一步惡化，最終造成了大量放射性物質外泄的嚴重后果，這說明了制定大范圍損傷管理導則的必要性。

針對極端外部事件造成核電廠大范圍損傷的事故管理，國際原子能機構(IAEA)在核安全導則NS-G-2.15中已有明確要求。美國、中國臺灣、西班牙、南非等國家或地區，均提出了需要開發大范圍損傷管理導則的要求，或業已制定相關管理導則，國內監管部門也提出相關管理要求，各研究機構也相繼開始了大范圍損傷事故應對策略的研究。在此背景下，本文調研了國內外大范圍損傷管理導則的研究現狀，重點分析美國核電廠的大范圍損傷管理導則(EDMG)、靈活多樣的處理策略(FLEX策略)、中國臺灣核電廠的斷然處置措施等，對國內核電廠大范圍損傷管理導則的研究與開發提出了一些思路與建議。

1 國際研究現狀

目前，美國核電廠針對火災或爆炸造成的大范圍損傷均已制定EDMG，針對極端自然災害可能導致的大范圍損傷開發了FLEX策略(靈活多樣的處理策略)，這兩種應對核電廠大范圍損傷的策略是國際上大范圍損傷管理導則的主流導向與重要參考。

在美國核電廠制定EDMG之后，臺灣地區核電廠也開發了類似的初始響應EDMG。福島核事故后，針對重大地震與海嘯，臺灣電力公司提出了斷然處置的概念(URG)，臺灣地區核電廠也積極建立了斷然處置措施的規程[3]。

國際原子能機構(IAEA)發布的核電廠安全標準中提出，事故管理需要考慮外部事件引起的大范圍損傷風險，如喪失主控室與遠程停堆站、喪失對系統和設備的控制[4]；南非、西班牙等核電廠也已經制定了EDMG；法國建立了核快速響應體系FARN(Nuclear Rapid Response Force)[5]；韓國也提出了制定EDMG以應對極端外部災害造成的大范圍損傷，并且正在進行EDMG的開發工作[6]。

我國國家核安全局在《核動力廠嚴重事故管理(報批稿)》[7]中指出，事故管理的范圍應該考慮由火災、水淹、地震和極端氣象條件造成的大范圍破壞。國內各研究機構也都在進行大范圍損傷管理導則的研究與開發。

2 相關導則介紹與分析

2.1 美國EDMG導則

2001年，美國發生“9·11”恐怖襲擊爆炸事件，在恐怖襲擊造成的大火和爆炸等極端事件條件下，核電廠可能發生大范圍損傷，常規的事故管理程序失效，核電廠沒有適用的應急響應指南。因此，事故后，針對由重大火災和爆炸導致的核電廠大范圍損傷，美國核管會(NRC)要求核電廠開發導則和策略，以維持和恢復堆芯冷卻，安全殼完整性和乏池冷卻[8]。這一要求促使美國核能所(NEI)等機構開始研究大范圍損傷的事故管理，提出了EDMG方法和框架，所有核電廠均據此開展EDMG，并且接受NRC審查[9]。

EDMG的邊界條件為主控室無法進入，且主控室與遠程停堆站喪失對核電廠狀態的控制能力，導致EOP與SAMG無法使用，需要采用EDMG作為響應導則。根據NEI的研究，將EDMG分為兩部分：初始響應EDMG和技術支持中心(TSC)EDMG。初始響應EDMG旨在正常運行和應急響應的指揮與控制之間提供一個橋梁，如圖1[10]所示。通過建立場內外的應急通訊和初始緩解策略，以增強電廠的指揮和控制能力，并對核電廠的主要建筑物及設備進行初始損傷評價，為TSC EDMG提供良好的使用條件。

圖1 初始響應EDMG流程圖Fig.1 Initial Response EDMG Flowchart

TSC EDMG關注火災和爆炸事故下電廠所需的緩解策略，用于增強電廠的綜合響應能力。策略分為三階段實行，階段1用于增強消防響應能力，階段2是乏池冷卻策略，階段3為反應堆和安全殼的應對措施，具體如表1[10]所示。

表1 技術支持EDMG的三階段策略|Table1 Three-Phases Strategies in TSC EDMG

由于主控室與遠程停堆站控制能力的損傷，已安裝設備難以準確而有效的投入運行，從而EDMG的策略執行主要依賴于移動設施。EDMG與常規事故管理規程不同之一是對核電廠指揮與控制結構的重建，旨在當正常的指揮和控制結構癱瘓使得EOP與SAMG無法使用時，作為響應導則被使用。

2.2 FLEX策略

福島核事故的起因就是超過設計基準的海嘯，淹沒了核電廠的應急電源和電力分配系統。交流電源的電源故障嚴重損害了保障堆芯冷卻和安全殼完整性的重要安全功能，最終導致堆芯熔化的嚴重事故的發生。福島核事故表明，外部事件可能影響多個電廠或同時影響一個電廠的多臺機組，需要有充足的資源及可靠的系統、通訊和檢測設備，以及有效組織資源的配給和事故的應對。福島核事故后，美國核管會提出了加強極端外部事件應對能力的要求，在此背景下，針對超過設計基準的外部災害，NEI提出了FLEX策略，以提高電廠的綜合應對能力，其開發流程和框架如圖2[11]所示。

圖2 FLEX策略開發流程圖Fig.2 Flex Strategy Develop Flowchart

根據核電廠概率安全分析結果，長時間的喪失交流電源(ELAP, extended loss of ac power)和喪失最終熱阱(LUSH, loss of ultimate heat sink)是核電廠面臨的主要風險。因此，根據對超過設計基準的外部事件可能對核電廠造成的影響的分析，在FLEX中，假設超設計基準外部事件對反應堆最顯著的影響是ELAP和LUSH。FLEX策略的目標是利用已安裝設備、場內移動設備和預先存放的場外資源，建立可處理同時發生的ELAP與LUSH事故的能力，以防止堆芯和乏池燃料損壞，維持安全殼屏障的完整性。

FLEX策略包括四方面內容：(1) 用于恢復電廠重要安全功能的移動設備；(2) 根據電廠可能發生的外部災害，對移動設備的存儲和保護；(3) FLEX策略(已安裝設備、移動設備的緩解策略)的實施規程；(4) 程序控制，即：移動設備的試驗與維修，定期人員培訓等。

2.3 臺灣地區斷然處置措施(URG)

針對類似福島的地震和海嘯復合式災難，臺灣地區核電廠開發了斷然處置措施，以及時有效地進行極端災害的緊急救援，其簡要流程圖如圖3[12]。

圖3 斷然處置措施流程圖Fig.3 Flowchart of URG

在發生由復合型災難導致的喪失電源與最終熱阱時，應急組織應當及時啟動斷然處置措施，并且進行策略的就地準備操作。在確認短時間內無法恢復應急冷卻時，將場內外消防水與各類水源注入反應堆，可能由于不純凈水的注入導致事故后反應堆無法使用，而斷然處置的最終策略為寧可廢棄核電廠，也要防止放射性物質的大量釋放[13]。斷然處置措施的主要特點如下：

(1) 在極端災害條件下，電廠狀態參數的有效性無法保證，斷然處置措施由于其策略的果斷性，能夠及時有效地控制放射性的泄漏；

(2) 斷然處置措施的實行也主要依賴于福島后增設的移動設備；由于移動設備相關策略需要進行管線布置、閥門動作，耗時較長，所以斷然處置措施中提前準備可能執行的策略，以實現快速救援。

2.4 幾種緩解策略的比較分析

目前國際上并沒有統一大范圍損傷的定義，上述EDMG、FLEX策略及URG從不同角度定位了大范圍損傷。

美國EDMG從規程體系的完整性出發，當控制室喪失使得EOP與SAMG無法運轉時，EDMG可作為補充手段，并且強調指揮與控制功能的重建；FLEX策略與URG都是考慮極端外部事件造成的ELAP和LUSH，FLEX策略著重于針對各類災害來提高電廠的設備可靠性、合理化移動設備的部署與管理，URG的宗旨則是斷然注水、降壓，不惜一切來防止堆芯損傷與放射性物質大量釋放。

雖然三個導則的定位不一，但是導則中對于事故的緩解都沒有局限于策略本身，對策略執行的指揮控制、策略相關設備的管理、策略的準備工作等給予了高度的關注。在處理極端外部事件造成的大范圍損傷時，需要比內部事件應對考慮更多的因素。另外，三個導則中都重點強調了移動設備的使用，是由極端外部事件的大范圍損傷特點決定的。

在福島核事故后，國內核電廠也均進行了大量的設計改進，增加了移動注水泵、移動電源等移動設施，并且在事故規程中完善了移動設備相關的策略、規程及設備存儲方案等。這些福島核事故后改進項與FLEX策略的應對思路相似，針對極端外部事件導致的大范圍損傷，應充分利用福島核事故后改進項中的策略。

3 國內EDMG開發思路

國內EDMG的開發也還尚未有確定的適用范圍與功能定位，目前主要有兩種方向。其一，將EDMG定位為SAMG的支持性導則，從指揮與控制恢復、場內外通訊恢復、場內移動設備調用與場外支援等四方面協助SAMG對嚴重事故進行有效的緩解。其二是開發相對獨立的EDMG，與美國提出的大范圍損傷管理理念相一致，在EOP與SAMG無法使用時協助應急響應。第一種思路通過快速救援機制，以實現SAMG對于嚴重事故的快速有效的緩解；第二種EDMG從大范圍損傷的特性、應急響應體系完善性的角度來增強核電廠的縱深防御體系?？偟膩碚f，兩種理念都更注重現有資源的整合與優化利用，針對現有核電廠的改動較少，考慮了大范圍損傷情況下指揮與控制受損的特點，分析電廠多樣化的通訊與控制手段、新增的移動設施及其策略、場外應急救援組織等。但不論哪一種方式都將彌補和覆蓋由于EOP和SAMG考慮不足的地方。

4 國內EDMG開發的問題與建議

核電廠大范圍損傷的管理是目前國際核工業關注和研發的重點，國外很多運行電廠已制定相關導則，對于核電廠應急體系的完善、運行安全性的提高起到積極作用。我國EDMG的開發應當基于國內核電廠的實際情況，本文結合初步的工程實踐，從完善我國核電廠事故管理體系的角度提出以下問題和建議：

(1) 需要明確大范圍損傷的定義，建議從規程完整性來考慮，即不僅僅是電廠的系統設備大面積受影響，而且電廠的指揮與控制(主控室、遠程停堆站)受損，造成現有事故管理程序不可用。

(2) EDMG的適用范圍不一定要局限于自然災害，對于火災、爆炸等造成的大范圍損傷，甚至是沒有發生外部災害，但EOP與SAMG無法使用時也可選擇使用EDMG來進行響應。

(3) EDMG導則可以分為三個子導則：指揮與控制導則、控制室恢復導則與事故管理導則。指揮與控制導則用于對電廠應急響應組織與人員、通訊、場外資源等進行總體控制與部署；控制室恢復導則用于指導大范圍損傷情況下控制室的評價與恢復；事故管理導則用于指導大范圍損傷情況下反應堆狀態的緩解。當控制室恢復后，則可以選擇退出EDMG。

(4) 國內核電廠大多為多機組廠址，由于極端外部事件導致的大范圍損傷在空間上的廣延性，建議國內核電廠基于多機組來開發EDMG；另外，外部災害可能導致的各種大范圍損傷狀況，很難確定有包絡工況，制定EDMG時應保持靈活性，適當增加備用方案，從而以最佳的人員、設施和控制力來成功應對事故。

(5) EDMG中的緩解策略應當主要為支持系統相對獨立、可靠性高的移動設備相關的策略：一回路、二回路應急注水，安全殼應急噴淋，乏池應急冷卻等。在技術支持中心決定實施策略之前，增加移動設備相關策略的準備事項，從而達到快速救援的目的。

[1] 國家核安全局.核動力廠設計安全規定 [R].2004

[2] 徐紅. AP1000外部災害情形下乏燃料池緩解策略研究[J]. 原子能科學技術，2012(46增).

[3] 梁國興. 臺灣核能電廠斷然處置措施介紹[R]. 北京：2013年核電廠嚴重事故專題研討會.

[4] No. NS-G-2.15: Severe Accident Management Programs for Nuclear Power Plants[R]. Vienna: IAEA, 2009.

[5] Woody Epstein. Words of History and Bits of Advice[R]. HeiFei: 1stAsia-Pacific Youth Practioners’ PRA Forum.

[6] Joon-eon Yang. Fukushima Daiichi Accident Lessons Learned and Future From the Risk Perspectives[R]. Nuclear Engineering and Technology, 2014(46-1).

[7] 國家環境保護部. 核動力廠嚴重事故管理(報批稿)[R].

[8] NRC. 10CFR50.54(hh)B.5.b[R]. USA: NRC, 2009.

[9] NRC. The Evolution of Mitigating Measures For Large Fire and Explosions[R]. USA: NRC, 2009.

[10] NEI 06-12: B.5.b Phase 2 & 3 Submittal Guideline, Revision 2&3 [R]. USA: NEI, 2006.

[11] NEI 12-06: Diverse and Flexible Coping Strategies (FLEX) Implementation Guide [R]. USA: NEI, 2012.

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[13] 鐘曉龍等.龍門核電站復合式災難下斷然處置的有效性分析[J]. 廈門大學學報，2014(53).

Research Status of Extensive Damage Management Guidelines in Support of Nuclear Power Plant

YU Yun1，ZHAO Bo1，YU Xin-li1，SUN Jin-long1，CHONG Yi-min2

(1.China Nuclear Power Engineering Co. Ltd. Beijing, 100840 China; 2.Nuclear and Radiation Safety Center, Ministry of Environmental Protection, Beijing 100082 China)

Beyond design basis external events (e.g. fire, seismic, flood, and extreme weather) may lead to extensive damage in nuclear power plants, not only causing multi-failure of systems and equipment, but affecting the ability of normal command and control, which results in un-applicability of procedures and guidance. Currently, it’s an international trend to research the management of extensive damage to enhance defence-in-depth, as well as lessen the aftermath associated with extensive damage events. The research status of extensive damage in support of nuclear power plants both domestic and abroad is introduced, typical guidelines including Extensive Damage Management Guidelines, Diverse and Flexible Strategy and Ultimate Response Guidance are analyzed, ideas and advice for developing EDMG applicable to domestic nuclear power plants is proposed in this paper.

Nuclear Power Plant; Extensive Damage; Extensive Damage Management Guidelines; Diverse and Flexible Strategy; External Hazards

2016-03-14

余 蘊(1993—)，女，江西南昌人，助理工程師，工學碩士，現從事嚴重事故管理研究

TL364+.4

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0258-0918(2017)03-0422-05