張永發(fā),童節(jié)娟,蔡 琦,周 羽

(1.清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院,北京 100084;2.海軍工程大學(xué)船舶與動(dòng)力學(xué)院,湖北 武漢 430033)

安全目標(biāo)是核動(dòng)力裝置安全評(píng)價(jià)的重要指標(biāo),是開展評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)和前提。從內(nèi)涵上講,安全目標(biāo)是為了說明“什么樣的安全才是足夠的安全”的問題,即為建立核電廠安全性和經(jīng)濟(jì)性之間的平衡確定可操作、可量化的標(biāo)準(zhǔn)。

本文以探索和研究船舶核動(dòng)力裝置安全目標(biāo)為契機(jī),對(duì)國(guó)際上現(xiàn)有的安全目標(biāo)體系進(jìn)行了梳理,并就其中某些重要內(nèi)容進(jìn)行了分析,然后在此基礎(chǔ)之上,結(jié)合船舶核動(dòng)力裝置特點(diǎn),對(duì)建立其安全目標(biāo)的宗旨、框架、內(nèi)容等進(jìn)行了分析,并提出了若干建議。

本文第1節(jié)簡(jiǎn)要介紹IAEA和NRC兩個(gè)安全目標(biāo)體系。第2小節(jié)主要結(jié)合船舶核動(dòng)力裝置的特點(diǎn),分析其安全目標(biāo)制定中的注意事項(xiàng)以及可能的體系與內(nèi)容。第3小節(jié)對(duì)本文內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)和歸納。

1 核電廠現(xiàn)有安全目標(biāo)體系及其分析

IAEA和NRC所提出的核電廠安全目標(biāo)體系是目前被國(guó)際核工業(yè)界普遍采用和借鑒的,雖然它們?cè)诎踩繕?biāo)的具體表述和體系結(jié)構(gòu)上有所差異,但是對(duì)于安全目標(biāo)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)和理解是一致的,即認(rèn)為安全目標(biāo)應(yīng)當(dāng)是整個(gè)安全管理體系的一個(gè)重要組成部分,對(duì)于有效地提高核電廠運(yùn)行安全的管理水平來(lái)說,建立和實(shí)施安全目標(biāo)是一個(gè)有吸引力的途徑。它的本質(zhì)是為了說明“什么樣的安全才是足夠的安全”的問題,同時(shí)它們都承認(rèn),安全目標(biāo)不是要消除風(fēng)險(xiǎn),而是控制風(fēng)險(xiǎn),比如75-INSAG-3中的技術(shù)安全目標(biāo)就是對(duì)核電廠控制風(fēng)險(xiǎn)所采取措施的闡述。可以說安全目標(biāo)既是核電廠安全運(yùn)行期望的結(jié)果,又是提高安全水平的一種手段和工具。下面分別就兩個(gè)機(jī)構(gòu)的安全目標(biāo)定義進(jìn)行介紹。我國(guó)核電廠的安全目標(biāo)研究和應(yīng)用情況大致是：對(duì)于現(xiàn)有核電廠,我國(guó)核安全監(jiān)管當(dāng)局并未在有關(guān)的法律法規(guī)中規(guī)定明確的安全目標(biāo),在實(shí)際操作中一般參考當(dāng)前國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)和美國(guó)核管會(huì)(NRC)所給出的安全目標(biāo)定義,安全目標(biāo)所規(guī)定的數(shù)值一般僅作為概率安全評(píng)價(jià)(PSA)的參考值。

1.1 國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)

IAEA有關(guān)核電廠安全目標(biāo)的表述主要體現(xiàn)在 75-INSAG-3“Basic Safety Princip les for Nuclear Power Plants”[2]和它的修改版 75-INSAG-12[3],以及 IAEA-N o.NS-R-1[4]和 IAEANo.NS-G-1.2[5]中,詳細(xì)內(nèi)容和變更情況可以見表1。

表1 IAEA安全目標(biāo)體系構(gòu)成及演變Table1 The IAEA safety goal system and its evolution

續(xù)表

1.2 美國(guó)核管會(huì)(NRC)

美國(guó)NRC對(duì)于安全目標(biāo)的制定和研究在1979年三哩島事故之后,得到大力推動(dòng)。下面以其發(fā)布的3個(gè)版本的核電廠安全目標(biāo)政策聲明為依據(jù),介紹美國(guó)在核電廠安全目標(biāo)問題上的發(fā)展歷程,以及其所制定安全目標(biāo)的基本內(nèi)容。詳細(xì)可以見表2。

表2 美國(guó)NRC安全目標(biāo)體系及其演變Table2 The NRC sa fety goal system and its evolution

續(xù)表

為了能夠在實(shí)際分析中對(duì)安全目標(biāo)進(jìn)行評(píng)估,目前核電廠一般采用其他輔助目標(biāo)作為安全評(píng)價(jià)的判斷依據(jù),下面對(duì)基本安全目標(biāo)、輔助安全目標(biāo),以及它們的關(guān)系等進(jìn)行介紹。

基本目標(biāo)與輔助目標(biāo)(或安全目標(biāo)及其導(dǎo)出值)

NRC關(guān)于安全目標(biāo)最終政策聲明[1]中所采用的個(gè)人和社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)的定量健康目標(biāo)(QHO)屬于高層基本目標(biāo),這類目標(biāo)與安全管理的最終目的是保護(hù)公眾的健康與安全的原則是一致的。但是,由于個(gè)人和社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估存在很大的不確定性,通常采用其他類型的安全目標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià),目前最廣泛采用的是堆芯損壞頻率(CDF)限值和放射性早期釋放頻率(LERF)。為了與基本目標(biāo)相區(qū)別,一般稱這類目標(biāo)為輔助安全目標(biāo)。如上所述,在NRC的安全目標(biāo)框架內(nèi),將CDF定義為輔助安全目標(biāo)(10-4/堆?年),而將放射性物質(zhì)通過安全殼向環(huán)境大量釋放的頻率作為電廠的安全性能指南(10-6/堆?年)。

從這里可以看出,我們平常所說的概率安全目標(biāo)其實(shí)是個(gè)人和社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)的定量健康目標(biāo)的輔助目標(biāo),或稱為導(dǎo)出值。

2 船用核動(dòng)力裝置安全目標(biāo)制定中若干問題的研究

船舶核動(dòng)力裝置的安全性一直以來(lái)都受到世界各國(guó)的關(guān)注,但是關(guān)于其安全目標(biāo)體系的研究還比較少,只在有關(guān)的設(shè)計(jì)文件中對(duì)于裝置安全性做了一般性的原則規(guī)定。它們一般強(qiáng)調(diào)船上人員和公眾的安全,在反應(yīng)堆所有運(yùn)行工況下都應(yīng)當(dāng)保證人員所受的電離輻射都保持在合理可行盡量低的水平。為此,船舶核動(dòng)力裝置在設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行和維護(hù)過程中都應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持高標(biāo)準(zhǔn)、高質(zhì)量,以確保安全目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

隨著對(duì)裝置安全性要求的進(jìn)一步提高,以及核電廠安全目標(biāo)體系研究經(jīng)驗(yàn)的積累,使得船舶核動(dòng)力裝置安全目標(biāo)體系的研究變得更加必要和可行。本節(jié)從安全目標(biāo)的宗旨、框架、內(nèi)容、實(shí)現(xiàn)手段和未來(lái)應(yīng)用領(lǐng)域等方面對(duì)其進(jìn)行探索,并提出一些建議和意見。

(1)宗旨

安全關(guān)注的中心問題是人的生命健康,船舶核動(dòng)力裝置也不例外,從人員與裝置的關(guān)系出發(fā),人員一般劃分為工作人員(或職業(yè)人員)和社會(huì)公眾;從造成人員健康危害的原因可以分為放射性和非放射性兩大類。對(duì)于船舶核動(dòng)力裝置而言,保障工作人員的生命健康是第一位的,因?yàn)樗麄兊纳鏍顩r直接影響船舶的總體安全,對(duì)于社會(huì)公眾的影響大小由于受到事故類別、所處的外部環(huán)境(當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐臍庀笏臈l件等)等影響,具有極大的不確定性,很難進(jìn)行有效評(píng)估,所以考慮其對(duì)環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)更加可行(可以先不直接考慮對(duì)公眾健康的影響);另外,對(duì)于核動(dòng)力裝置而言,放射性危害是要防范的主要危害源,但非放射性危害也同樣非常重要,在對(duì)核動(dòng)力裝置的安全評(píng)估中應(yīng)該給予相當(dāng)?shù)闹匾暋?/p>

綜上所述,船舶核動(dòng)力裝置安全目標(biāo)的宗旨應(yīng)該是通過有效的方式促使船舶運(yùn)行達(dá)到很高的安全標(biāo)準(zhǔn),將船舶運(yùn)行對(duì)工作人員健康(包括放射性和非放射性兩類原因)和環(huán)境(主要是指放射性危害)的風(fēng)險(xiǎn)降低到合理可行盡量低的水平。

(2)框架與內(nèi)容

根據(jù)⑴中關(guān)于安全目標(biāo)宗旨的描述可以看到,船舶核動(dòng)力裝置的安全目標(biāo)除了強(qiáng)調(diào)放射性安全的高度重要性之外,還應(yīng)當(dāng)重視非放射性安全的影響,因此對(duì)于安全目標(biāo)的內(nèi)容來(lái)說,定性、定量目標(biāo)均與核電廠存在一定的差異。本文對(duì)船舶核動(dòng)力裝置安全目標(biāo)的框架與內(nèi)容做了如下一些初步探索和建議。

本文建議船舶核動(dòng)力裝置的安全目標(biāo)表述可以參考IAEA安全目標(biāo)體系,主要包括定性描述的總目標(biāo)及輔助目標(biāo)(簡(jiǎn)稱為定性目標(biāo)),以及采用定量描述的概率安全目標(biāo)(簡(jiǎn)稱為定量目標(biāo))兩部分。其中定性目標(biāo)部分與IAEA相比基本相同,只是在內(nèi)涵理解上,船舶核動(dòng)力裝置更強(qiáng)調(diào)事故影響的長(zhǎng)期性和綜合性。這主要是由于核動(dòng)力裝置作為船舶動(dòng)力而與船體產(chǎn)生密切的耦合關(guān)系而導(dǎo)致的。但它的概率安全目標(biāo)體系與核電廠有較大的差異。

概率安全目標(biāo)是衡量反應(yīng)堆是否達(dá)到定性安全目標(biāo)要求的重要標(biāo)準(zhǔn),它本身也是安全目標(biāo)體系的重要組成部分。對(duì)于核電廠來(lái)說,概率安全目標(biāo)一般分為兩個(gè)部分,一是堆芯損傷頻率;二是早期大量放射性釋放頻率。

船用反應(yīng)堆作為船舶的動(dòng)力源,是一個(gè)移動(dòng)的特殊核設(shè)施?？紤]它的安全性時(shí),不但要考慮運(yùn)行、停堆、事故等工況,而且還必須考慮船舶所在的位置。綜合考慮船體安全和反應(yīng)堆安全的因素,可以將船舶運(yùn)行分為兩種情況：一遠(yuǎn)海航行;二近海航行或港口備航。對(duì)這兩種情況在概率安全目標(biāo)內(nèi)容上應(yīng)該分別考慮。

首先,討論第一種情況,即遠(yuǎn)海航行。建議概率安全目標(biāo)可以由以下兩個(gè)部分組成,一是用“船舶長(zhǎng)時(shí)間喪失主動(dòng)力”(核動(dòng)力裝置長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法工作)代替“堆芯損傷”;二用“放射性物質(zhì)大量釋放頻率”代替“早期大量放射性釋放頻率”。這樣做的理由主要有以下兩點(diǎn),一是因?yàn)閷?duì)于遠(yuǎn)海航行的船舶來(lái)說,它的安全性嚴(yán)重依賴于主動(dòng)力,一旦長(zhǎng)時(shí)間(該時(shí)間值由特定船舶的設(shè)計(jì)特性決定,比如應(yīng)急動(dòng)力的持續(xù)時(shí)間、反應(yīng)堆重啟所需要的條件等)喪失主動(dòng)力,船舶將處于自由漂浮狀態(tài),受到潮流沖擊、觸礁、撞擊的可能性將大大增加。即使動(dòng)力裝置在事故后安全停閉反應(yīng)堆,但由于后續(xù)船體事故(如翻船、沉沒等)仍然可能導(dǎo)致反應(yīng)堆最終的不安全,從而對(duì)環(huán)境和社會(huì)造成重大影響,所以,選擇“船舶長(zhǎng)時(shí)間喪失主動(dòng)力”能夠比較合適地反映人們對(duì)核動(dòng)力船舶安全的認(rèn)識(shí)和感受。二是對(duì)于遠(yuǎn)海航行的船舶來(lái)說,由于遠(yuǎn)離陸地,一旦發(fā)生核事故之后,除了采用有限的船內(nèi)應(yīng)急措施之外,很難采取有效辦法來(lái)緩解其對(duì)船外的影響,而且由于遠(yuǎn)離社會(huì)公眾,因此也不涉及進(jìn)行人員疏散和防護(hù)等早期應(yīng)急響應(yīng)措施,所以對(duì)于船舶核動(dòng)力裝置來(lái)說,是否為早期大量放射性釋放[8-9]對(duì)事故后果的影響并不大,因此考慮“放射性物質(zhì)大量釋放頻率”是比較合適的。

接下來(lái),討論第二種情況,即近海航行或港口內(nèi)備航。一方面由于靠近陸地或位于港口內(nèi),如果船舶發(fā)生事故,比較容易獲取外部支援以緩解事故,或者可以僅依靠應(yīng)急動(dòng)力返回安全區(qū)域進(jìn)行維修和事故處理等;另一方面如果反應(yīng)堆發(fā)生核事故,釋放的放射性物質(zhì)會(huì)對(duì)周邊公眾造成直接影響,因此這種情況與核電廠反應(yīng)堆事故比較類似?？梢圆捎门c核電廠相同的概率安全目標(biāo)。即考慮“堆芯損傷”和“早期大量放射性釋放頻率”兩個(gè)目標(biāo)值。

關(guān)于船舶核動(dòng)力裝置的詳細(xì)安全目標(biāo)體系及內(nèi)容可以參見表3。

對(duì)于概率目標(biāo)定量數(shù)值的確定,應(yīng)注意以下問題。

第一,概率目標(biāo)值的確定應(yīng)該以定性目標(biāo)為出發(fā)點(diǎn),結(jié)合裝置自身特性和運(yùn)行環(huán)境來(lái)確定。定量的概率安全目標(biāo),應(yīng)該要能夠保證定性目標(biāo)的實(shí)現(xiàn),在有較大不確定性的情況下,定量目標(biāo)應(yīng)該有足夠的保守性。核電廠所確定的10-4/堆?年(堆芯損傷頻率)和 10-5/堆?年(早期大量放射性釋放),不宜照搬到船舶的安全目標(biāo)中來(lái)。

表3 船舶核動(dòng)力裝置安全目標(biāo)體系Table 3 The sa fety goal system ofmarinenuclear power installation

第二,船舶核動(dòng)力裝置的概率安全目標(biāo)值還應(yīng)該與船舶的總體安全水平相協(xié)調(diào),比如考慮船舶遭遇海難或撞擊等的生存能力,動(dòng)力裝置的安全水平并不是越高越好,而應(yīng)該是與船舶總體安全水平保持協(xié)調(diào)。對(duì)船舶自身來(lái)說,其主要事故是碰撞和擱淺,它的風(fēng)險(xiǎn)水平可以通過統(tǒng)計(jì)分析方法和數(shù)學(xué)模型等方法[10]來(lái)進(jìn)行。統(tǒng)計(jì)分析方法,可以“全球離岸工程事故數(shù)據(jù)庫(kù)”(WORD)和MSIS數(shù)據(jù)庫(kù)等為基礎(chǔ),建立船舶碰撞和擱淺的故障樹或事件樹模型,根據(jù)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù),獲得最終的概率?；蛘呃秘惾~斯方法進(jìn)行評(píng)估。數(shù)學(xué)模型方法可以對(duì)具體航行區(qū)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,比如根據(jù)Fu jii的分析結(jié)果,得到在某海域船舶發(fā)生碰撞和擱淺的概率為0.5×10-4～2×10-4。

第三,盡量考慮設(shè)計(jì)的均衡性,與核電廠一樣,在制定船舶核動(dòng)力裝置的概率安全目標(biāo)時(shí),也應(yīng)該考慮到核動(dòng)力裝置本身(如一回路、二回路)與反應(yīng)堆艙室防護(hù)水平的協(xié)調(diào)性,使它們?cè)谠O(shè)計(jì)上保持均衡,但由于船舶的特殊性,對(duì)裝置的安全性,更側(cè)重于動(dòng)力裝置自身對(duì)事故的防御能力,因此還應(yīng)當(dāng)兼顧和突出動(dòng)力裝置的特殊安全要求。

第四,安全目標(biāo)所涵蓋的范圍應(yīng)以動(dòng)力裝置為邊界,應(yīng)與總目標(biāo)有密切的內(nèi)在聯(lián)系,有便于評(píng)估的特性(比如對(duì)環(huán)境損壞評(píng)估準(zhǔn)則的確定等)。比如,對(duì)于2級(jí)安全目標(biāo)數(shù)值的確定可以借鑒國(guó)際海事組織(IMO)關(guān)于油輪碰撞和擱淺的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算方法,根據(jù)類似于普通船舶的污染防止指標(biāo)[10](式(1))來(lái)確定所允許的大量放射性釋放頻率。

式中：P0、OM、OE為變更設(shè)計(jì)方案的船舶原油泄漏參數(shù)(主要是指零泄漏概率、平均泄漏量參數(shù)和最大泄漏量參數(shù));

POR、OMR、OER為IMO 提供的相應(yīng)尺寸船舶的原油泄漏參數(shù);

要求在船舶設(shè)計(jì)過程中,E≥1.0。

比如,大致可以按照如下步驟評(píng)估2級(jí)安全目標(biāo)數(shù)值：

①收集船舶事故和動(dòng)力裝置放射性釋放事故的有關(guān)數(shù)據(jù);

②根據(jù)事故類型,計(jì)算放射性釋放量;

③計(jì)算有關(guān)船舶放射性釋放的參數(shù);

④計(jì)算環(huán)境污染防止指標(biāo)(可以參考IMO對(duì)油輪環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的要求)。

(3)應(yīng)用領(lǐng)域

從核電廠的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看,安全目標(biāo)除了提出電廠安全運(yùn)行的期望水平之外,另一個(gè)重要作用就是作為提高和改進(jìn)電廠安全的手段和工具,而這一作用的實(shí)現(xiàn),一般都要依賴于PSA技術(shù)。但是目前船舶核動(dòng)力裝置的PSA工作尚處于起步階段,積累的可靠性數(shù)據(jù)也非常有限,因此在安全目標(biāo)的應(yīng)用領(lǐng)域上,側(cè)重點(diǎn)也存在一些差異。

首先,由于評(píng)估船舶總體安全水平的困難和放射性物質(zhì)對(duì)人員健康和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)影響的巨大不確定性,提出安全目標(biāo)(概率論安全目標(biāo)值)的具體數(shù)值尚需要經(jīng)歷很長(zhǎng)的過程才能實(shí)現(xiàn);其次,即使該數(shù)值確定,以目前可靠性數(shù)據(jù)積累的現(xiàn)狀,要有效地評(píng)估裝置安全水平也仍然比較困難。因此,船舶核動(dòng)力裝置安全目標(biāo)的使用應(yīng)該側(cè)重于相對(duì)數(shù)值的比較,以及安全目標(biāo)對(duì)安全內(nèi)容的關(guān)切。比如,以安全目標(biāo)為基本判斷準(zhǔn)則來(lái)改進(jìn)設(shè)計(jì)方案、修改維修計(jì)劃、變更試驗(yàn)和檢查周期等。

對(duì)于船舶核動(dòng)力裝置而言,安全目標(biāo)的另外一個(gè)重要應(yīng)用是著眼于保障主動(dòng)力不喪失而開展的運(yùn)行安全分析,它以安全目標(biāo)為準(zhǔn)則,結(jié)合裝置和人員的響應(yīng)特性,研究和制定可行的應(yīng)急預(yù)案,以提高船舶的生命力。

今后,隨著條件的日益成熟,可以逐步實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力裝置,甚至整個(gè)船舶的絕對(duì)安全水平的評(píng)估,并以此作為衡量動(dòng)力裝置或船舶安全水平的參考依據(jù)。

3 總結(jié)

本文總結(jié)和梳理了核電廠安全目標(biāo)體系的發(fā)展歷程和內(nèi)容體系,并對(duì)現(xiàn)有的兩大安全目標(biāo)體系(IAEA和NRC)進(jìn)行了簡(jiǎn)述,然后以核電廠安全目標(biāo)的研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ),結(jié)合船舶核動(dòng)力裝置的特點(diǎn),對(duì)建立船舶核動(dòng)力裝置的安全目標(biāo)體系進(jìn)行一些探索和思考,并在安全目標(biāo)的宗旨、框架、具體內(nèi)容(尤其是概率安全目標(biāo))、未來(lái)的應(yīng)用領(lǐng)域等方面提出了一些建議。本文將船舶所處區(qū)域劃分成遠(yuǎn)海航行和近海航行及港口備航兩種情況進(jìn)行討論,分別建立了相應(yīng)的概率安全目標(biāo)準(zhǔn)則。關(guān)于船舶核動(dòng)力裝置安全目標(biāo)的定量化數(shù)值還需要在綜合船舶總體安全水平、平衡設(shè)計(jì)等因素的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究才能得到。

[1] USNRC.Safety for the Operation of Nuclear Power Plants[J].Federal Register,1986,51(149：28044).

[2] IAEA.Safety Series 75-INSAG-3,Basic Safety Principles fo r Nuc lear Pow er Plants[R].1988.

[3] IAEA.Safety Series75-INSAG-12,Basic Safety Principles fo r Nuclear Power Plants[R].75-INSAG-3 Rev.1,1999.

[4] IAEA.Safety Standard s Series No.NS-R-1,Safety of Nu clear Pow er Plants：Design[R].2000.

[5] IAEA.Safety Standards Series No.NS-G-1.2,Safety Assessment and Verification for Nuclear Power Plan ts[R].2001.

[6] USNRC.Safety Goals for the Operation of Nuclear Pow er Plants[J].Federal Register,1982,47：7023.

[7] NSNRC.Safety Goals for the Operation of Nuclear Power Plants[J].Federal Register,1983,48：10772.

[8] 湯博.關(guān)于核電廠安全目標(biāo)的確定問題[J].核安全,2007,2：8-11.

[9] 戴立操.核電廠安全目標(biāo)及實(shí)現(xiàn)[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2004,30(3)：44-46.

[10]陳剛.船舶結(jié)構(gòu)碰撞與擱淺風(fēng)險(xiǎn)分析[D].上海交通大學(xué),2001.