船用核动力装置核安全事件的分级方法

杨广圣，陈宝，刘伯新，时浩，蔡琦

1海军工程大学核能科学与工程系，湖北武汉 430033

2海军驻北京地区舰船设备军事代表室，北京 100176

3中国人民解放军92730部队，海南三亚 572016

船用核动力装置核安全事件的分级方法

杨广圣1，陈宝2，刘伯新3，时浩1，蔡琦1

1海军工程大学核能科学与工程系，湖北武汉 430033

2海军驻北京地区舰船设备军事代表室，北京 100176

3中国人民解放军92730部队，海南三亚 572016

在船用核动力装置运行的过程中，由于情况较核电厂系统复杂且环境更为恶劣，对于核安全事件的应急处理较为紧迫，又由于通信能力有限，因而船用核动力装置比核电厂更需要简洁而准确的事件报知能力，以便指挥体系以及技术支援体系能够迅速做出正确决策，制定并采取一系列救援和善后措施。针对船用核动力装置的事故特点，为解决各级决策者在异常工况下难以准确掌握事件严重程度的问题，围绕核动力装置的安全功能，寻找评价核事件后果的依据，结合《国际核和放射事件分级表（INES）》的成熟经验，建立一个统一的规则体系来描述事件的相关性质（尤其是安全上的重要性），使各方面通过简洁的沟通信息就能够获得对事件的共同理解，形成船用核动力装置核安全事件的分级方法。

船用核动力装置；核事件分级；运行安全；事故处置

0 引 言

在船用核动力装置运行的过程中，由于时间紧迫并且通信能力有限，船用核动力装置比核电厂更需要简洁而准确的事件分级报知能力，以便指挥体系以及技术支援体系能够迅速做出正确的决策，制定并采取一系列救援和善后措施。在核事件分级方面，《国际核和放射事件分级表（INES）》根据核事件的放射性后果将核电厂发生的核事件分为7个等级［1］。这种分级方法已被各国广泛采用。但是，单纯地按照放射性后果对核事件分级不能满足船用核动力装置核事件分级的需求。船用核动力装置的安全特性更加复杂，评价其核事件的影响不能只考虑放射性后果，必须根据船用核动力装置的安全特点，兼顾放射性安全与动力安全，开展核事件的分级研究。关于船用核动力装置的核事件分级已有国军标，但原有国军标对于船用核动力装置的核事件分级方法较为粗糙，不能综合考虑并反映核事件造成的后果，仍有改进余地。故本文将根据不同的核事件分类分级方法及其特点，针对船用核动力装置的核安全特性，详细讨论评价船用核动力装置核事件严重程度的依据，确定分级方法。

1 核电厂核事件分类分级的方法

1970年美国标准学会按反应堆事故的放射性后果以及发生频率f（次/年），将核电站运行工况分为以下4类［2］：

1）正常运行与瞬态（f＝1）。主要包括核电站的正常运行、允许范围内的负荷变化以及带有允许偏差的极限运行。

2）预期运行事件（3×10-2≤f＜1）。指在最坏的情况下会使反应堆紧急停堆，但不会产生更严重后果的事件。

3）稀有事故（10-4≤f＜3×10-2）。可造成反应堆停堆并产生放射性释放的事故，但放射性污染不会危害到隔离半径以外的公共区域。

4）极限事故（10-6＜f＜10-4）。导致大量放射性物质释放、对环境造成污染的事故［3］。这种分类方法主要针对在核动力装置设计过程中遇到的安全评价问题，对不同工况采用不同的验收准则。

切尔诺贝利核事故后，各国公众强烈要求及时获得有关核电厂运行及事故情况的通报。但是，由于对核设施发生的事件缺少统一的分级标准，再加上公众对核事件的恐惧和专业知识的缺乏，往往导致核设施发生的事件被曲解或夸大地加以宣传。针对这种情况，一些国家相继建立了简化的、能够使各界共同理解核事件严重程度的指标。1990年初，国际原子能机构（IAEA）和经济合作与发展组织（OECD）的核能局（NEA）成立了国际专家组，讨论制定国际性核事件分级标准的基本原则。专家组为此进行了一系列的讨论，并吸取了法国和日本的经验，最终制定了INES［4］。该分级表根据3个准则，将核电厂发生的核事件分成了7个等级，该准则是：准则1“人和环境”，评定为2～7级；准则2“设施的放射屏障和控制”，评定为 2～5 级；准则 3“纵深防御”，评定为 1～3级。并将3个准则列于1张表中，评定级别规范、准确、简明，级别对应关系良好。在这3个准则中，“人和环境”准则和“设施的放射屏障和控制”准则是从放射性安全的角度分析核事件的影响，“纵深防御”准则是从装置抵御核事故能力的角度来分析核事件的影响［5］。

但是，单纯地按照放射性后果对核事件进行分级不能满足船用核动力装置核事件分级的需求。因为与核电厂相比，船用核动力装置的安全特性更加复杂，评价其核事件的影响不能只考虑放射性后果，必须根据船用核动力装置的安全特点，兼顾放射性安全与动力安全，开展核事件的分级研究。

2 船用核动力装置的核安全特性

与核电厂相比，船用核动力装置有着鲜明的特点。这些特点对装置在事故状态下的响应以及运行人员的事故处置措施等都有着重大的影响，是确定船用核动力装置核安全事件分级方法时必须考虑的重要因素。

2.1 结构特点

由于船体舱室空间狭小、设备密集，使得船用核动力装置极易发生叠加故障，事故响应过程具有较强的不确定性。在船用核动力装置中，相关安全系统的设计受到船用舱室空间的限制，自动化程度有限。当船用核动力装置发生事故后，能否最大限度地控制事故后果，依赖于操作人员的正确判断和干预。

2.2 使命特点

由于使命任务的不同，保障核电厂的安全集中体现在保证反应堆和安全壳的安全上，因为核电厂把控制放射性物质的释放作为核安全的根本目标，只要发生可能导致放射性物质不可控释放的事故都允许关闭反应堆。然而，船用核动力装置的安全性问题有着更为复杂的影响因素，船用总体的安全性与核动力装置的安全性有着密切的联系。

2.2.1 反应堆的安全与船体总体的安全相互依赖

船体是核动力装置的运行平台，它包容了核动力装置的所有设备，船体的安全是保障核动力装置安全的前提；而核动力装置是船体的动力源，是保证船体完成其使命任务的关键，核动力装置的安全是保障船体安全的重要条件。两者的安全性之间相互依赖，彼此影响。一方面，船体所面临的安全问题也会影响核动力装置的安全；另一方面，在特殊航道航行的过程中，若核动力装置发生安全问题可能会引起反应堆快速停闭而使得船体丧失主动力，进而可能导致船体和核动力装置同时损毁的严重后果。

2.2.2 维持动力输出与保障反应堆安全之间的矛盾

与核电厂的情况不同，船用核动力装置是一个独立运动的平台，在海上很难从外界获得有效的应急支持，一切行为的动力保障都必须由船体本身来提供，因此装置在海上运行的过程中不能轻易地停闭反应堆。当船体遇到紧急情况时，允许船用核动力装置在超技术设计规范的工况下运行，甚至冒着轻度损伤的危险维持动力输出的能力，对于保障整个船体的安全是有利的。这涉及到如何最大限度地发挥船用核动力装置的固有安全性的问题，应当系统地开展运行安全的研究工作。以控制放射性物质泄漏为最终目标，以保障核动力装置的动力输出能力为主要条件，站在保障船体整体安全性的高度决定事故的处置措施，是船用核动力装置区别于陆基核电厂的重要特点。

2.3 使用特点

运行工况变化频繁也是船用核动力装置区别于陆基核电厂的主要特点之一。反应堆输出的功率必须满足船体动力负荷大幅度频繁变化的需求，航行状态下的航速变化必然需要反应堆的输出功率相应地变化。因此，分析频繁变化的负荷对设备和管路的影响，给出负荷变化速率的限定值，对保证船用核动力装置的运行安全有着重要的意义［6］。

3 船用核动力装置核事件分级的方法

核动力装置可能发生的始发事件涉及到多个系统，并从不同的方面影响装置的安全运行。而用统一的标准尺度来衡量事件的后果是核事件分级所要解决的首要问题。电厂核动力装置对人和环境的主要威胁是潜在的放射性物质的释放，而多层纵深防御措施是保障核安全的关键。因此评价核事件的严重程度时主要考虑事件产生的放射性释放量，以及对装置纵深防御能力的影响。在这方面，INES的核事件分级方法已经相当成熟，所给出的分级标准能够准确地评价核事件对放射性安全的影响。

然而船用核动力装置的安全性问题不仅涉及到放射性物质的释放，还涉及到其他任务的完成。因此船用核动力装置核安全事件分级研究的任务主要体现在以下2个方面：

1）根据INES的分级方法，合理地利用实际装置中的监测手段，评价船用核动力装置核事件的放射性影响；

2）确定一个与INES级别相对应的尺度来评价核事件对任务的影响。

评价船用核动力装置核事件的严重程度时，主要考虑的是放射性后果、纵深防御能力和动力输出能力，参考INES的分级方法，船用核动力装置核事件的分级准则可以确定为以下3个：放射性安全、纵深防御以及动力输出。

3.1 放射性安全

INES中对放射性后果的评价标准已经相当完善并被广泛认可，确定“放射性安全”准则时可沿用INES的做法［7］。此外，为便于运行人员在事故处置的过程中了解放射性后果的严重程度，提高分级方法的可执行性，“放射性安全准则”还应当给出舱室辐射监测系统各测量值的定级尺度。

3.1.1 环境释放

根据INES的描述，若事件引起的环境释放量超过1016Bq131I的当量，则应定为7级；若环境释放量超过1015Bq131I的当量，事件最低应定为6级；若环境释放量超过1014Bq131I的当量，事件的最低定级为5级；若环境释放量超过1013Bq131I的当量，事件的最低定级为4级。

即假设环境释放量为Q环，考虑环境释放给出的定级为S环，则可得到

3.1.2 个人剂量

若个人出现致命的确定性效应，最低应定为4级；若个人出现非致命的确定性效应或者1名工作人员的有效剂量超过法定年全身剂量限值的10倍，最低应定为3级；若1名公众成员所受照射的有效剂量超过10 mSv或者1名工作人员受到的照射超过法定年剂量限值，最低应定为2级；若1名公众成员受到的照射超过法定年剂量限值或者1名工作人员受到的照射超过剂量约束值，最低应定为1级。对于个人受照剂量的评价模式和剂量限值，可参考GJB1067.1-91和GJB1067.4-91中的相关规定［8-9］。

即假设工作人员受到照射的个人有效剂量为Hw，公众成员受到照射的个人有效剂量为Hp，考虑个人剂量给出的定级为S个人，则可得到

3.1.3 堆芯损伤的程度

若反应堆中有超过1%的燃料熔化或堆芯释放的放射性物质超过总量的1%，最低应定为5级；若堆芯释放的放射性物质超过总量的0.1%，最低应定为4级。

即假设堆芯的放射性物质释放量与堆芯放射性物质总量的比值为Q堆，考虑堆芯损伤给出的定级为S堆，则可得到

3.1.4 工作区中的辐射剂量

船用核动力装置的舱室辐射监测系统可为运行人员掌握工作区的辐射照射情况提供可信的数据支持。辐射监测系统的各测量参数大多设置了相关的“报警值”和“干预值”。若某一参数的测量值超过其报警值，说明核动力装置的放射性包容能力在某一方面存在着缺陷，事件最低定级应为1级；若某一参数的测量值超过其干预值，此时运行人员必须采取相应的干预措施，事件最低定级应为2级。

即假设Vi为辐射监测系统中某个参数的测量值，为辐射监测系统中某个参数的报警值，为辐射监测系统中某个参数的干预值，考虑工作区辐射剂量率给出的定级为S区，则可得到

按照“放射性安全”准则给出的事件级别S放应为上述4个级别的最大值，即

3.2 纵深防御

从纵深防御的角度考虑，影响级别评定的因素有：始发事件的预期频度、安全功能的可运行性以及是否挑战装置的基本安全功能［10］。

3.2.1 始发事件的发生概率

预期事件即发生频率f≥10-2的始发事件。包括：反应堆保护停堆；主给水流量丧失；由于安全阀或卸压阀的意外动作，致使反应堆冷却剂系统压力下降；稳压器正常或辅助喷淋冷却造成反应堆冷却剂系统压力意外下降；不妨碍反应堆受控停堆和降温的反应堆冷却剂系统泄漏；不妨碍反应堆受控停堆和降温的蒸汽系统泄漏；除反应堆冷却剂泵转子卡死外，反应堆冷却剂强迫流动完全丧失或中断。

可能事件是发生频率10-2＞f≥10-4的始发事件。包括：小破口失水事故、蒸汽发生器的1根传热管完全断裂和反应堆冷却剂通过多个安全阀或卸压阀喷放。

不大可能的事件是发生频率f＜10-4的始发事件。包括：大破口失水事故；单个控制棒弹出以及蒸汽系统管道大破口。

用K表示始发事件的频度，则

3.2.2 安全功能的可运行性

安全功能的可运行性包含了很宽的范围。为了寻找一种较为清晰的评价尺度，可将其分成4类：

1）完全满足要求：安全系统的所有部件都是完好的，安全功能没有丧失。

2）满足最低运行限值要求：安全系统的可运行性能够维持反应堆带功率运行，但冗余性可能丧失。

3）刚刚满足要求：安全系统可能发生大范围故障，但能刚好实现受到挑战的安全功能。

4）不满足要求：安全系统不能实现受到挑战的安全功能［11］。

用C表示安全功能的可运行性，则

根据INES的分级标准，当始发事件对核动力装置的基本安全功能构成挑战时，始发事件频度与安全功能可运行性的所有组合情况可用分级矩阵 A1表示

式中，A1各元素的值即为所对应情况下事件的级别，其中数值1.5表示该情况下既可将事件定为1级也可定为2级；同理，数值2.5表示该情况下既可将事件定为2级也可定为3级。

当始发事件没有对核动力装置的基本安全功能构成挑战时，需要特定安全系统动作的潜在始发事件的频度与安全功能可运行性的所有组合情况，可用分级矩阵A2表示

式中，A2各元素的值即为所对应情况下事件的级别，其中数值1.5表示该情况下既可将事件定为1级也可定为2级。

3.2.3 附加因素

在某些特殊的情况下，可能会存在一些附加因素而需要将某事件的级别定得比前面的基本定级高一级。符合这种条件的主要附加因素有3个：共因故障、安全文化问题以及装置的薄弱环节。即使某一事件在不考虑这些附加因素时本身没有什么安全意义，但因为有了这些因素就有可能把它定为1级。在考虑附加因素时应注意：即使考虑所有的附加因素，事件的级别也只能提高1级。此外，按照纵深防御准则确定的事件级别不能超过3级。

3.3 动力输出

在船体的安全受到外部威胁时，如果核动力装置的动力输出能力完全丧失，这种情况下极易发生船体损坏，产生难以估量的后果。由于该种情况可能会导致多人受伤或死亡，根据INES的定级尺度，事件级别应定为4级。如果核动力装置的动力输出能力不能完全满足任务的需求，但是能够满足应急状态下的功率需求，则在很大程度上为反应堆的安全提供了保障，事件级别应定为3级。如果核动力装置丧失部分动力，但剩余的动力输出能力可以满足任务需求，此时因情况紧急多变，完成后续任务的能力受到威胁，事件定级为2级。当船体的安全没有受到外部威胁，若核动力装置完全丧失动力输出能力，则完成后续任务的能力将受到一定的影响，事件定级为1级。

假设按照动力输出准则给出的事件级别为S动，则可得到

3.4 定级程序

经过前文的讨论，参考INES的定级方法，可以确定船用核动力装置核安全事件分级表（表1）以及定级程序（图1）。

在应用船用核动力装置核安全事件分级表对某一事件进行等级评定之前，首先要判断该事件是否影响核安全，若对核安全没有影响，则不能使用本分级表评价其严重程度。若有影响，则先分别按照放射性安全、动力输出和纵深防御3个准则，从3个角度给出该事件的3个基本定级，然后选取3者的最高级别作为最终定级，最后还应检查所确定的级别是否与表1描述的一致，若不一致应重新定级［12］。

表1 船用核动力装置核安全事件分级表Tab.1 Nuclear event scale of marine nuclear power plants

图1 定级程序Fig.1 Rating procedure

4 结 语

船用核动力装置核安全事件分级工作的本质是：建立统一的规则体系来描述事件的相关性质（尤其是安全上的重要性），使各方面通过简洁的沟通信息就能够获得对事件的共同理解。本文首先阐述了不同的核事件分类分级方法及其特点，

然后针对船用核动力装置的核安全特性，详细讨论了评价船用核动力装置核事件严重程度的依据，确定了分级方法。本文的研究成果可为船用核动力装置运行支持体系服务，也可为核事件的统计分析以及核动力装置的运行经验反馈提供有力的支持，便于促进和加强各相关单位之间的技术交流，提高船用核动力装置的核安全水平。

［1］International Atomic Energy Agency.The international nuclear and radiological event scale user's manual［R］.Vienna：International Atomic Energy Agency，2009.

［2］International Atomic Energy Agency.Accident analysis for nuclear power plants［R］.Vienna：International Atomic Energy Agency，2002.

［3］U.S.NRC.Reactor safety study：an assessment of accident risks in U.S.commercial nuclear power plants：WASH-1400［R］.Vienna：International Atomic Energy Agency，1975.

［4］ 朱继洲，单建强，王学容.核电厂安全运行对策研究［J］.核科学与工程，2001，21（1）：15-20.

ZHU Jizhou，SHAN Jianqiang，WANG Xuerong.Research on the measures for safe operation of nuclear power plant［J］.Nuclear Science and Engineering，2001，21（1）：15-20.

［5］International Atomic Energy Agency.Developments in the preparation of operating procedures for emergency conditions of nuclear power plants：IAEA-TEC-DOC-341［R］.Vienna：International Atomic Energy Agency，1985.

［6］张大发.船用核反应堆运行管理［M］.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2010.

［7］张禄庆.INES简介及我国推行INES的方式初探［J］.核动力工程，1992，13（5）：13-17.

ZHANG Luqing.Introduction of the international nuclear event scale and preliminary proposal of INES's implementation in China［J］.Nuclear Power Engineering，1992，13（5）：13-17.

［8］中国核动力研究设计院.潜艇核动力设施辐射防护安全规定总则：GJB1067.1-91［S］.北京：国防科学技术工业委员会，1991.

［9］中国核动力研究设计院.潜艇核动力设施辐射防护安全规定工作人员个人剂量测量与评价：GJB1067.4-91［S］.北京：国防科学技术工业委员会，1991.

［10］ 张禄庆.核电厂应急操作规程的现状及其发展趋势［J］.核动力工程，1993，14（4）：310-313.

ZHANG Luqing.Present situation and devolopment trend of NPP emergency operating procedure［J］.Nuclear Power Engineering，1993，14（4）：310-313.

［11］International Atomic Energy Agency.Development and review of plant specific of plant specific emergency operating procedures［R］.Vienna：International Atomic Energy Agency，2006：6-11，25-33，66-82.

［12］ 冷瑞平.国际核事件分级的辅助导则——国际核事件分级咨询委员会第2次会议报告［J］.辐射防护通讯，1995，15（4）：60-64.

Classification method of nuclear events for marine nuclear power plants

YANG Guangsheng1，CHEN Bao2，LIU Boxin3，SHI Hao1，CAI Qi1
1 Department of Nuclear Science and Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China
2 Naval Ship Equipment Representative Office in Beijing，Beijing 100176，China
3 The 92730thUnit of PLA，Sanya 572016，China

Due to the lack of time and limited communicative capacity during operation,the nuclear powered ship requires more concise and accurate event reporting capability than common nuclear power plants,which ensures the actual conditions of the marine nuclear power plant can reach multiple parties quickly.This paper focuses on the events reporting problem of marine nuclear power plants∶by combining with the mature experience of the international nuclear and radiological event scale（INES）,a unified system of rules is established,and the classification standards helping different parties to realize the severity of nuclear events are formed.The research work is of great significance to the safety assurance of marine nuclear power plants.

marine nuclear power plant；nuclear event classification；operation safety；nuclear event disposal

U664.15

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2015.06.014

http∶//www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20151110.1026.030.html 期刊网址：www.ship-research.com

杨广圣，陈宝，刘伯新，等.船用核动力装置核安全事件的分级方法［J］.中国舰船研究，2015，10（6）：95-100.Yang Guangsheng，Chen Bao，LIU Boxin，et al.Classification method of nuclear events for marine nuclear power plants［J］.Chinese Journal of Ship Research，2015，10（6）：95-100.

2015-06-27 网络出版时间：2015-11-10 10∶26

杨广圣，1967年生，男，硕士，高级工程师。研究方向：核动力工程

时浩，1992年生，男，博士生。研究方向：舰船反应堆安全分析。E-mail：772726431＠qq.com

蔡琦（通信作者），1961年生，男，博士，教授。研究方向：舰船反应堆可靠性工程及安全分析

胡文莉］