核电厂大范围损伤管理导则研究现状

余 蕴，赵 博，喻新利，孙金龙，种毅敏

(1.中国核电工程有限公司，北京100840；2. 环境保护部核与辐射安全中心，北京100082)



核电厂大范围损伤管理导则研究现状

余 蕴1，赵 博1，喻新利1，孙金龙1，种毅敏2

(1.中国核电工程有限公司，北京100840；2. 环境保护部核与辐射安全中心，北京100082)

火灾、地震、水淹、极端天气条件等超设计基准外部事件可能造成核电厂大范围损伤，不仅使得电厂的系统与设备大面积失效，还导致正常的应急体系无法运转。目前，国内外都在开展应对核电厂大范围损伤的研究，以完善核电厂的纵深防御体系，降低大范围损伤事故产生的后果。本文调研了国内外核电厂大范围损伤的研究现状，分析了美国核电厂的大范围损伤管理导则、灵活多样的处理策略及台湾地区核电厂的断然处置措施，并对国内大范围损伤管理导则的研究与开发提出了一些思路与建议。

核电厂；大范围损伤；EDMG；FLEX；外部灾害

根据核动力厂设计安全规定，核电厂的状态分为正常运行、预计运行事件与事故工况[1]，核电厂针对各种状态开发相应规程，提高核电厂的纵深防御能力。对应形成的运行规程与导则有：正常运行规程(NOP)、异常运行规程(AOP)、应急运行规程(EOP)和严重事故管理导则(SAMG)[2]。其中，EOP与SAMG都是根据核电厂的状态或事故进展来确定应对手段或缓解策略的，而这些多是针对设计基准的内部事件和外部事件的，以及选定的严重事故序列，对于超过设计基准的外部事件来说有一定的局限性。超过设计基准的外部事件尽管其发生的概率极低，但可能引发大范围损伤，不仅仅大范围面积影响核电厂缓解系统和设备，还会影响电厂的控制与监测功能(如：主控室丧失)，从而使得现有的EOP与SAMG难以执行。

福岛核电站核事故中，地震及其诱发的超过设计基准的海啸导致主控室的控制和监测能力丧失，严重事故管理导则未能全面发挥作用，已经制定的SAMG未能覆盖核电厂大范围损伤的情况，而导致了事故的进一步恶化，最终造成了大量放射性物质外泄的严重后果，这说明了制定大范围损伤管理导则的必要性。

针对极端外部事件造成核电厂大范围损伤的事故管理，国际原子能机构(IAEA)在核安全导则NS-G-2.15中已有明确要求。美国、中国台湾、西班牙、南非等国家或地区，均提出了需要开发大范围损伤管理导则的要求，或业已制定相关管理导则，国内监管部门也提出相关管理要求，各研究机构也相继开始了大范围损伤事故应对策略的研究。在此背景下，本文调研了国内外大范围损伤管理导则的研究现状，重点分析美国核电厂的大范围损伤管理导则(EDMG)、灵活多样的处理策略(FLEX策略)、中国台湾核电厂的断然处置措施等，对国内核电厂大范围损伤管理导则的研究与开发提出了一些思路与建议。

1 国际研究现状

目前，美国核电厂针对火灾或爆炸造成的大范围损伤均已制定EDMG，针对极端自然灾害可能导致的大范围损伤开发了FLEX策略(灵活多样的处理策略)，这两种应对核电厂大范围损伤的策略是国际上大范围损伤管理导则的主流导向与重要参考。

在美国核电厂制定EDMG之后，台湾地区核电厂也开发了类似的初始响应EDMG。福岛核事故后，针对重大地震与海啸，台湾电力公司提出了断然处置的概念(URG)，台湾地区核电厂也积极建立了断然处置措施的规程[3]。

国际原子能机构(IAEA)发布的核电厂安全标准中提出，事故管理需要考虑外部事件引起的大范围损伤风险，如丧失主控室与远程停堆站、丧失对系统和设备的控制[4]；南非、西班牙等核电厂也已经制定了EDMG；法国建立了核快速响应体系FARN(Nuclear Rapid Response Force)[5]；韩国也提出了制定EDMG以应对极端外部灾害造成的大范围损伤，并且正在进行EDMG的开发工作[6]。

我国国家核安全局在《核动力厂严重事故管理(报批稿)》[7]中指出，事故管理的范围应该考虑由火灾、水淹、地震和极端气象条件造成的大范围破坏。国内各研究机构也都在进行大范围损伤管理导则的研究与开发。

2 相关导则介绍与分析

2.1 美国EDMG导则

2001年，美国发生“9·11”恐怖袭击爆炸事件，在恐怖袭击造成的大火和爆炸等极端事件条件下，核电厂可能发生大范围损伤，常规的事故管理程序失效，核电厂没有适用的应急响应指南。因此，事故后，针对由重大火灾和爆炸导致的核电厂大范围损伤，美国核管会(NRC)要求核电厂开发导则和策略，以维持和恢复堆芯冷却，安全壳完整性和乏池冷却[8]。这一要求促使美国核能所(NEI)等机构开始研究大范围损伤的事故管理，提出了EDMG方法和框架，所有核电厂均据此开展EDMG，并且接受NRC审查[9]。

EDMG的边界条件为主控室无法进入，且主控室与远程停堆站丧失对核电厂状态的控制能力，导致EOP与SAMG无法使用，需要采用EDMG作为响应导则。根据NEI的研究，将EDMG分为两部分：初始响应EDMG和技术支持中心(TSC)EDMG。初始响应EDMG旨在正常运行和应急响应的指挥与控制之间提供一个桥梁，如图1[10]所示。通过建立场内外的应急通讯和初始缓解策略，以增强电厂的指挥和控制能力，并对核电厂的主要建筑物及设备进行初始损伤评价，为TSC EDMG提供良好的使用条件。

图1 初始响应EDMG流程图Fig.1 Initial Response EDMG Flowchart

TSC EDMG关注火灾和爆炸事故下电厂所需的缓解策略，用于增强电厂的综合响应能力。策略分为三阶段实行，阶段1用于增强消防响应能力，阶段2是乏池冷却策略，阶段3为反应堆和安全壳的应对措施，具体如表1[10]所示。

表1 技术支持EDMG的三阶段策略|Table1 Three-Phases Strategies in TSC EDMG

由于主控室与远程停堆站控制能力的损伤，已安装设备难以准确而有效的投入运行，从而EDMG的策略执行主要依赖于移动设施。EDMG与常规事故管理规程不同之一是对核电厂指挥与控制结构的重建，旨在当正常的指挥和控制结构瘫痪使得EOP与SAMG无法使用时，作为响应导则被使用。

2.2 FLEX策略

福岛核事故的起因就是超过设计基准的海啸，淹没了核电厂的应急电源和电力分配系统。交流电源的电源故障严重损害了保障堆芯冷却和安全壳完整性的重要安全功能，最终导致堆芯熔化的严重事故的发生。福岛核事故表明，外部事件可能影响多个电厂或同时影响一个电厂的多台机组，需要有充足的资源及可靠的系统、通讯和检测设备，以及有效组织资源的配给和事故的应对。福岛核事故后，美国核管会提出了加强极端外部事件应对能力的要求，在此背景下，针对超过设计基准的外部灾害，NEI提出了FLEX策略，以提高电厂的综合应对能力，其开发流程和框架如图2[11]所示。

图2 FLEX策略开发流程图Fig.2 Flex Strategy Develop Flowchart

根据核电厂概率安全分析结果，长时间的丧失交流电源(ELAP, extended loss of ac power)和丧失最终热阱(LUSH, loss of ultimate heat sink)是核电厂面临的主要风险。因此，根据对超过设计基准的外部事件可能对核电厂造成的影响的分析，在FLEX中，假设超设计基准外部事件对反应堆最显著的影响是ELAP和LUSH。FLEX策略的目标是利用已安装设备、场内移动设备和预先存放的场外资源，建立可处理同时发生的ELAP与LUSH事故的能力，以防止堆芯和乏池燃料损坏，维持安全壳屏障的完整性。

FLEX策略包括四方面内容：(1) 用于恢复电厂重要安全功能的移动设备；(2) 根据电厂可能发生的外部灾害，对移动设备的存储和保护；(3) FLEX策略(已安装设备、移动设备的缓解策略)的实施规程；(4) 程序控制，即：移动设备的试验与维修，定期人员培训等。

2.3 台湾地区断然处置措施(URG)

针对类似福岛的地震和海啸复合式灾难，台湾地区核电厂开发了断然处置措施，以及时有效地进行极端灾害的紧急救援，其简要流程图如图3[12]。

图3 断然处置措施流程图Fig.3 Flowchart of URG

在发生由复合型灾难导致的丧失电源与最终热阱时，应急组织应当及时启动断然处置措施，并且进行策略的就地准备操作。在确认短时间内无法恢复应急冷却时，将场内外消防水与各类水源注入反应堆，可能由于不纯净水的注入导致事故后反应堆无法使用，而断然处置的最终策略为宁可废弃核电厂，也要防止放射性物质的大量释放[13]。断然处置措施的主要特点如下：

(1) 在极端灾害条件下，电厂状态参数的有效性无法保证，断然处置措施由于其策略的果断性，能够及时有效地控制放射性的泄漏；

(2) 断然处置措施的实行也主要依赖于福岛后增设的移动设备；由于移动设备相关策略需要进行管线布置、阀门动作，耗时较长，所以断然处置措施中提前准备可能执行的策略，以实现快速救援。

2.4 几种缓解策略的比较分析

目前国际上并没有统一大范围损伤的定义，上述EDMG、FLEX策略及URG从不同角度定位了大范围损伤。

美国EDMG从规程体系的完整性出发，当控制室丧失使得EOP与SAMG无法运转时，EDMG可作为补充手段，并且强调指挥与控制功能的重建；FLEX策略与URG都是考虑极端外部事件造成的ELAP和LUSH，FLEX策略着重于针对各类灾害来提高电厂的设备可靠性、合理化移动设备的部署与管理，URG的宗旨则是断然注水、降压，不惜一切来防止堆芯损伤与放射性物质大量释放。

虽然三个导则的定位不一，但是导则中对于事故的缓解都没有局限于策略本身，对策略执行的指挥控制、策略相关设备的管理、策略的准备工作等给予了高度的关注。在处理极端外部事件造成的大范围损伤时，需要比内部事件应对考虑更多的因素。另外，三个导则中都重点强调了移动设备的使用，是由极端外部事件的大范围损伤特点决定的。

在福岛核事故后，国内核电厂也均进行了大量的设计改进，增加了移动注水泵、移动电源等移动设施，并且在事故规程中完善了移动设备相关的策略、规程及设备存储方案等。这些福岛核事故后改进项与FLEX策略的应对思路相似，针对极端外部事件导致的大范围损伤，应充分利用福岛核事故后改进项中的策略。

3 国内EDMG开发思路

国内EDMG的开发也还尚未有确定的适用范围与功能定位，目前主要有两种方向。其一，将EDMG定位为SAMG的支持性导则，从指挥与控制恢复、场内外通讯恢复、场内移动设备调用与场外支援等四方面协助SAMG对严重事故进行有效的缓解。其二是开发相对独立的EDMG，与美国提出的大范围损伤管理理念相一致，在EOP与SAMG无法使用时协助应急响应。第一种思路通过快速救援机制，以实现SAMG对于严重事故的快速有效的缓解；第二种EDMG从大范围损伤的特性、应急响应体系完善性的角度来增强核电厂的纵深防御体系。总的来说，两种理念都更注重现有资源的整合与优化利用，针对现有核电厂的改动较少，考虑了大范围损伤情况下指挥与控制受损的特点，分析电厂多样化的通讯与控制手段、新增的移动设施及其策略、场外应急救援组织等。但不论哪一种方式都将弥补和覆盖由于EOP和SAMG考虑不足的地方。

4 国内EDMG开发的问题与建议

核电厂大范围损伤的管理是目前国际核工业关注和研发的重点，国外很多运行电厂已制定相关导则，对于核电厂应急体系的完善、运行安全性的提高起到积极作用。我国EDMG的开发应当基于国内核电厂的实际情况，本文结合初步的工程实践，从完善我国核电厂事故管理体系的角度提出以下问题和建议：

(1) 需要明确大范围损伤的定义，建议从规程完整性来考虑，即不仅仅是电厂的系统设备大面积受影响，而且电厂的指挥与控制(主控室、远程停堆站)受损，造成现有事故管理程序不可用。

(2) EDMG的适用范围不一定要局限于自然灾害，对于火灾、爆炸等造成的大范围损伤，甚至是没有发生外部灾害，但EOP与SAMG无法使用时也可选择使用EDMG来进行响应。

(3) EDMG导则可以分为三个子导则：指挥与控制导则、控制室恢复导则与事故管理导则。指挥与控制导则用于对电厂应急响应组织与人员、通讯、场外资源等进行总体控制与部署；控制室恢复导则用于指导大范围损伤情况下控制室的评价与恢复；事故管理导则用于指导大范围损伤情况下反应堆状态的缓解。当控制室恢复后，则可以选择退出EDMG。

(4) 国内核电厂大多为多机组厂址，由于极端外部事件导致的大范围损伤在空间上的广延性，建议国内核电厂基于多机组来开发EDMG；另外，外部灾害可能导致的各种大范围损伤状况，很难确定有包络工况，制定EDMG时应保持灵活性，适当增加备用方案，从而以最佳的人员、设施和控制力来成功应对事故。

(5) EDMG中的缓解策略应当主要为支持系统相对独立、可靠性高的移动设备相关的策略：一回路、二回路应急注水，安全壳应急喷淋，乏池应急冷却等。在技术支持中心决定实施策略之前，增加移动设备相关策略的准备事项，从而达到快速救援的目的。

[1] 国家核安全局.核动力厂设计安全规定 [R].2004

[2] 徐红. AP1000外部灾害情形下乏燃料池缓解策略研究[J]. 原子能科学技术，2012(46增).

[3] 梁国兴. 台湾核能电厂断然处置措施介绍[R]. 北京：2013年核电厂严重事故专题研讨会.

[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] 国家环境保护部. 核动力厂严重事故管理(报批稿)[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.

[12] K.S.Liang. The ultimate emergency measures to secure a NPP under an accidental condition with no designed power or water supply[J]. Nuclear Engineering and Design, 2012,259-268.

[13] 钟晓龙等.龙门核电站复合式灾难下断然处置的有效性分析[J]. 厦门大学学报，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 蕴(1993—)，女，江西南昌人，助理工程师，工学硕士，现从事严重事故管理研究

TL364+.4

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0258-0918(2017)03-0422-05