海上浮动核电站堆舱碰撞安全研究

谭 美，郭 健，郭 翔，张乃樑

(武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064)

0 引 言

随着小堆技术的不断发展，将核反应堆运用在海上平台为海洋石油开采或偏远地区等领域提供电力或淡水等能源的优势逐渐显现，海上浮动核电站正成为工程研究应用的热点。如何确保反应堆及浮动平台的足够安全，成为海上浮动核电站技术攻关的重点[1]。

反应堆是海上浮动核电站的心脏，而堆舱就是确保反应堆安全的心房，是反应堆抵抗外部事件和防止放射性物质泄漏的重要安全屏障。类似陆上核电站的地震事件，海上浮动核电站最显著的外部事件之一就是碰撞，因此堆舱的防碰撞问题成为海上浮动核电站设计的重点。核动力商船安全分析认为碰撞可造成人命安全、全船毁损或环境污染，以及对营运单位造成不良的社会影响及经济损失，并按后果严重程度将事故分为一般和严重2 种等级。一般事故通常不会造成船体永久性变形，不影响船舶正常营运。严重事故可造成船体结构破损，甚至可能会造成放射性物质泄漏，或稳性丧失造成船舶倾覆和人命安全等，如图1所示。

在国内外均不具有成熟的海上浮动核电站设计规范的背景下，由于海上浮动核电站与核动力商船具有类似的海洋环境条件，国际海事组织制定的《核商船安全规则》成为海上浮动核电站设计的重要参考，该规范对堆舱的防碰撞设计提出了严格的要求[2]，对堆舱舷侧距外壳板的防碰撞距离有相关规定。在实际的工程设计过程中发现，由于海上浮动核电站为满足连续供电需求而采用双堆布置方案，完全按照《核商船安全规则》的堆舱碰撞距离要求设计存在挑战。

图 1 海上浮动核电站碰撞事故后果Fig. 1 FNNP collision results

考虑到海上浮动核电站长期在海上处于系泊状态作业，不具有核商船的航行特征，在碰撞发生概率水平上两者具有一定区别。因此，本文还探索了具有类似特殊安全要求的使用气体或低闪点燃料船舶的燃料舱碰撞安全设计要求（后文简称“IGF 规则”），以期能为海上浮动核电站碰撞安全分析借鉴参考。

1 核商船安全规则要求

1.1 安全屏障要求

核商船安全规则要求核动力船舶至少设置4 层安全屏障，这种纵深防御概念要求任何装置工况下，经过核燃料和环境之间的多层物理屏障保护，阻止或控制放射性物质在允许的剂量当量水平[2]。

第1 层：燃料包壳，其功能是滞留燃料产生的放射性裂变产物在包壳内；

第2 层：一回路压力边界，其功能是阻止放射性物质向一回路系统外非有意泄漏；

第3 层：安全壳结构，其功能是完整包围一回路压力边界，其重要作用是在任何装置工况下，限制放射性产物从安全壳内的任何设备向外泄漏；

第4 层：安全壳围壁，包围安全壳结构和核动力装置的任何重要放射性源，其主要安全功能是阻止放射性物质非有意释放并限制其泄漏。

依据上述定义，海上浮动核电站与核商船类似，具有4 层防护屏障，如图1 所示。

图 2 海上浮动核电站防护屏障示意图Fig. 2 FNPP protective barrier schematic

1.2 破损范围要求

为满足第4 道安全屏障限制放射性物资泄漏的功能要求，核商船安全规则要求构成第4 道屏障的安全围壁具有水密及气密性质，其纵舱壁位置距船外壳板间距应不小于如下要求[2]：

1）基于对国际海事组织对历史上海损船舶的碰撞破损深度统计数据，满足破损范围假定要求，如表1所示。

表 1 横向破损范围Tab. 1 The transverse damage extent

2）如果主管认为存在任何可能造成更严重碰撞破损的工况，碰撞保护距离需不小于此类事件下碰撞破损深度。

3）为了限制被撞船舶的破损穿透深度，如果在堆舱舷侧设置特殊设计的碰撞保护结构，根据保护结构能提供的抗浸水等效保护程度，主管机关可接受较第1 条规定的较小的横向破损深度。

通过分析可知，其中第1 条规定堆舱外边界距舷侧外板距离为B/5，或者11.5 m，取小者（后文简称“B/5”标准），作为堆舱横向碰撞保护的要求，对浮动核电站的总体设计提出了很高的要求。因此，核商船安全规则同时规定了相应的结构保护设计，作为堆舱防碰撞措施的补充，

1.3 结构保护设计要求

船舶碰撞的研究可以追溯到20 世纪50 年代后期，其开创性工作是Minosrky 在1959 发表于《Journal of ship research》的研究论文，其工业背景是配合核动力船舶的研制，防止其在碰撞或搁浅等事故中受到严重损伤而发生核泄漏。在船舶碰撞研究中，将其力学机理分为外部碰撞力学(或称外部机理)和内部碰撞力学(或称内部机理)两部分[3]。外部碰撞力学主要描述船舶的刚体运动以及耗散于结构损伤变形的碰撞能量，而内部碰撞力学则着力于求解碰撞区域结构的损伤变形与碰撞载荷之间的非线性关系，当确定了内外部机理及基准之后，就可准确预测船舶的碰撞破损问题。图3 为一种典型的分析船舶碰撞的流程图，输入的数据包括被撞船舶及撞击船舶的主尺度、排水量等参数，撞击船舶首部特征，被撞船舶舷侧结构设计等，碰撞情景主要是碰撞位置、角度和相对航速等特征[4]。

图 3 碰撞分析流程示意图Fig. 3 The collision analysis diagram

核商船安全规则要求碰撞需包括与固定和浮动物体的碰撞以及船舶之间的碰撞，即包含撞与被撞2 种情况。碰撞保护结构应该能满足经主管机关认可的碰撞设计基准，保障安全围壁纵向水密和气密边界不被船舶或袭击物体撞击穿透。堆舱的保护区域应合理沿船长方向延伸至堆舱横舱壁前后一定范围，具体值取决于各船舶设计基准，同时必须提供足够的船舶纵向过渡结构[2]。

核商船安全规则要求核商船应有碰撞保护分析，其结果应体现在船舶的安全分析报告中。该分析应考虑罕见事件发生的可能性，碰撞船舶或袭击物体的类型，以及公海、沿海、近海和港口的情况。其他还需考虑的因素如下：

1）用计算、模型试验等方法验证碰撞防护结构阻止穿透深度超过实际设计限值的有效性；2）反应堆舱的位置；3）船舶分舱；4）破损稳性；5）各破损工况下船体强度；6）碰撞船舶的排水量、航速和船首部形状，这些撞击船舶可能包含以下情况：设计航速下航行的同等尺度船舶、带球鼻首的超大型油轮、带尖首的高速军舰、及核商船撞击质量无限大的固定物体；7）火灾和爆炸的危险；8）船舶操纵性丧失；9）对货物的影响。

2 IGF 规则要求

2.1 背景概述

由于核商船规范制定时，概率分析法对船舶与海洋工程设计仍是一个比较陌生的领域，国际海事组织（IMO）对碰撞和搁浅的海损船舶进行数据概率统计分析工作处在研究阶段，因此在核商船规范通过时，概率法分析没有能成为规范推荐的碰撞破损问题分析方法[5]。

分析现代船舶碰撞破损理论，主要包括传统的确定性理论，或现代概率论。确定性方法假定碰撞位置沿整个船长范围的发生概率一样，概率论在一定程度上解决确定性方法存在的概率分布问题，即通过统计海损船舶数据，建立船舶舷侧和底部碰撞及破损位置、范围和穿透深度的概率密度分布函数[6]。于是IMO（1971）通过了Res.A.265 决议，首次确立了船舶碰撞破损的概率分析法作为客船设计的依据。在1990 年召开的第58 次IMO 海上安全委员会通过了MSC.19（58）决议，概率分析法推广应用到干货船设计。在2015 年通过的《IGF 规则》（MSC.391（95））决议，推荐了具有概率特征的fCN值作为燃料舱可接受位置的等效设计[7]。

2.2 相似性比较

海上浮动核电站堆舱与IGF 燃料舱性质相似，堆舱是海上浮动核电站的第4 层安全屏障，负责包容具有放射性物质的反应堆及一回路压力系统，而IGF 燃料舱负责包容易燃易爆气体或其它低闪点燃料，这2 种舱室一旦发生碰撞破损事故，后果极其严重（造成污染泄漏、爆炸等），均需要重点保护[8]。从碰撞安全角度考量，核商船安全规则和IGF 规则分别对核动力船舶堆舱和IGF 燃料舱提出了相似的防碰撞安全要求，因此，海上浮动核电站与运输易燃易爆气体或其它低闪点燃料的船舶在防碰撞设计要求上具有相似性。

表 2 堆舱及IGF 燃料舱性质对比Tab. 2 The character comparison of reactor compartment and IGF tank

2.3 确定性要求

IGF 规则规定，考虑到船舶的安全操作以及关于船舶的其他可能危险，燃料舱应布置成使得其在碰撞或搁浅后的损伤概率降到最低，燃料舱应予以机械损伤防护。燃料舱应能防止由于碰撞和搁浅导致的外部损伤，要求在夏季载重水线平面上，从舷侧向舷内垂直于中心线的方向量取B/5 或11.5 m（取小者，B 为型宽）作为燃料舱至舷侧的最小距离。

2.4 概率性要求

IGF 规则“5.3.4 款”规定，作为B/5 规则的横向保护距离要求”的替代，可采用下面的计算方法来确定可接受的燃料舱布置位置：

1）按如下公式计算得出的fCN值，对于客船应小于0.02，对于货船应小于0.04。

2）fCN值的计算方法借鉴《国际海上人命安全公约》（SOLAS）概率论方法，综合考虑燃料舱沿船纵向（fl），横向（ft）和高度（fv）方向对碰撞破损的贡献概率(fCN=flx ftx fv)，解释如下：

① fl是根据SOLAS 公约Ⅱ-1/7-1.1.1.1 推荐的计算方法，将舱室碰撞范围沿船长无因次化“J=(x2-x1)/L s”，在船舶纵向评估破损概率特征fl(J)=p(x1,x2)；其中x1，x2分别为舱室前后舱壁距尾垂线的纵向距离，Ls 为船舶的分舱长度。

② ft是根据SOLAS 公约Ⅱ-1/7-1.1.2 推荐的计算方法，将舱室碰撞横向破损范围沿船宽无因次化“Jb=b/（15B）”，在船舶横向评估破损概率特征ft(Jb)=1-r(x1,x2,b)。其中，b 为载重水下面处舱室外边界距舷侧外板距离，B 为型宽。

③ fv是根据SOLAS 公约Ⅱ-1/7-2.6.1.1 推荐的计算方法，考虑舱室距船底基线高度对满载吃水相对差“H-d”，在船舶垂向评估破损概率特征，根据“Hd”与7.8 的相对大小，分别取fv=1.0-0.8（（H-d）/7.8）或0.2-0.2.（（（H-d）-7.8）/4.7），任何情况下不大于1 且不小于0。其中，H 为舱室最低点距基线的垂线距离，d 为船舶满载吃水深度。

需要说明的是，fCN值仅说明可能发生在燃料舱纵向投影边界所形成区域之内的碰撞损伤，fCN不能被视为或被用作一次碰撞条件下燃料舱的损伤概率。当考虑包括燃料舱向前和向后区域的更长的损伤时，实际的概率会更高。

3 案例分析

国内外在海上浮动核电站领域开展了大量应用研究，其中俄罗斯KLT40S 海上浮动核电站是目前世界首座且唯一在建的浮动核动站[9]，其设计经验具有参考价值。KLT40S 主参数如表3 所示。

基于俄罗斯公开的KLT40S 相关数据，分析其堆舱的碰撞保护设计及安全水平：

1）在舷侧保护距离方面，核商船安全规则对第4 层安全屏障的要求是距舷侧距离为“B/5”，即6 m。通过对KLT40S 现场分段及其他照片资料分析，第4 层安全围壁距舷侧距离为5 m，远大于常规船舶的舷侧保护距离，由此表明海上浮动核电站对堆舱的保护具有很高的要求；另一方面，通过数据分析可知，5 m舷侧保护距离并不完全满足横向破损范围的“B/5”要求，如果完全参照“B/5”要求，按照安全壳区域宽度不变且占“3B/5”推算，KLT40S 的船宽需要达到31.7 m。因此需要增加船宽1.7 m，并需要按合适的长宽比增加船长，对主尺度和排水量改变较大。分析认为，KLT40S在堆舱碰撞保护设计方面，考虑了结构强度对碰撞空间要求的贡献，在尽量满足“B/5”要求的前提下，优化结构设计增加结构抗碰撞能力，满足设计基准下浮动核电站堆舱碰撞安全要求。

表 3 KLT40S 主要参数Tab. 3 The principle characters of KLT40S

图 4 KLT40S 海洋核动力平台Fig. 4 The profile of KLT40S

2）利用IGF 规则概率法分析KLT40S 堆舱防碰撞安全水平，应用概率分析法，计算船长140 m 时，fCN概率值随舷侧保护间距（b）的变化特征，计算结果如图5 所示。数据显示fCN概率随b 值增加而降低，在b=4.5 m 时fCN＜0.04，具有货船标准的安全水平。fCN概率分析法的另一个重点因素是ft，计入了舱室纵向范围的船长无因次参数对碰撞概率的影响。因此，文章计算了在b=5 时，fCN概率值随船长（L）的变化特征，计算结果如图6 所示。数据显示，fCN概率随Ls 增加而降低，当Ls=195 m 时fCN＜0.02，具有客船标准的安全水平。因此，从总体设计角度考虑，除通过增加舷侧距离b 的维度提高防碰撞能力，还可以考虑船长维度对碰撞概率的贡献，综合考虑船宽和船长对防碰撞的影响，以达到总体综合指标最优化。通过计算分析可知，KLT40S 方案（b=5 m，L=140 m）的fCN=0.034，具有货船和客船之间的安全水平。

通过数据分析可知，增加舷侧保护间距和增加船长均能有效降低fCN概率，对提高舱室放碰撞性能有利。因此fCN概率分析法指导海上浮动核电站防碰撞设计及安全性能评估具有一定参考价值。

图 5 保护间距fCN 影响Fig. 5 Transverse protection distance′s effecting on fCN

图 6 船长对fCN 影响Fig. 6 Ship division length′s effecting on fCN

4 结 语

综上分析，本文得出以下结论并对海上浮动核电站堆舱防碰撞设计提出建议：

1）《核商船安全规则》规定了横向破损深度“B/5，或者11.5 m，取其中较小者”，以及主管机关认为任何有效的其他因素可能导致更严重破损，作为指导核动力船舶防碰撞设计的假设破损范围。同时也规定，如果在堆舱侧部设置特殊设计的碰撞保护结构，根据保护结构能提供的抗浸水等效保护程度，经主管机关认可后可接受较小的横向破损深度。在指导海上浮动核电站堆舱结构防碰撞设计时，需要首先确定外部事件设计基准，并制定相应的结构强度评价标准。

2）IGF 规则中基于概率论的fCN法作为对燃料舱防碰撞能力的评价标准的思想，可作为一种评估海上浮动核电站堆舱碰撞安全水平的理论方法。但是，本文未提出评判海上浮动核电站堆舱碰撞安全的具体fCN概率分析法指标，后续需要进一步结合海上浮动核电站船型、海洋环境、核安全要求和碰撞后事故严重性等特征，研究制定针对海上浮动核电站堆舱碰撞安全可接受的概率指标，建立一套海上浮动核电站示范工程可推广应用的规范标准。