海上条件下浮式核电厂耐火性能分析

王 威

海上条件下浮式核电厂耐火性能分析

王 威

（生态环境部核与辐射安全中心反应堆与安全分析部，北京 102445）

在我国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要中有一段关于推动海上浮动式核动力平台等先进堆型示范的表述。近年来在“双碳”目标指引下，各个央企集团瞄准浮式核电厂，各自不同程度地完成了一些技术研发工作。本文结合使用造船行业和核电行业不同耐火标准的浮式核电厂项目在国家核安全审查中遇到如何选择的棘手问题，通过进行对比分析，得出在实现基本核安全功能的基础上，尤其是满足防火区的耐火极限后，可在浮动式核电厂项目中采用造船业耐火标准的结论。

海上条件；浮式核电厂；不燃；耐火性能

浮式核电厂是指船舶作为载体，反应堆作为能量来源。该船的核设施预计将在不同的海域运行，并为岛屿、海上石油和天然气钻井平台或其他能源密集型项目提供能源、热量和淡水。它不仅可以在指定的海域长时间工作，还可以根据需要移动到其他海域。它可以是自行式或固定式。

根据“十四五”规划，中国主要的中央企业和集团正在寻求支持浮式核电厂的研发工作，并寻求用自己的海上核电厂技术填补海上应用领域的空白。促进科学技术自给自足、自主进步和自主知识产权技术的应用。

浮式核电厂项目需要多个主管部门许可，其中最重要的是“船舶”和“核设施”两个监管机构。兼顾到造船和核电两个行业特点。

该项目迫切需要多方予以有效支持。

在耐火性方面，由于不同行业的关注程度不同，对建筑构件、配件或结构的稳定性、完整性和隔热能力有不同的要求，以满足一定时期内标准耐火试验的要求。

为了促进浮式核电厂项目的顺利发展，有必要对其耐火性能进行对比分析，并得出一定的结论。

1 造船行业

不燃材料[1]指的是当加热至约750 ℃时，既不燃烧也不产生足量的易燃蒸气导致自燃的材料。除不燃材料以外的任何材料被定义为“可燃材料”[2]。仅把材料分为不燃材料和可燃材料。此外，在造船业中，不燃材料在参考文献［3］中也被视为仅由玻璃、混凝土、陶瓷、天然石材、砌体以及普通金属和合金材料制成的产品。它们可在船舶上使用，无需测试和批准。

1.1 不燃材料耐火试验

对于不燃材料，应验证ISO1182《产品的阻燃防火测试-不燃测试》中规定的耐火试验程序。此外，该标准附录A中的“评估标准”也被替换为满足以下要求：炉内热电偶的平均温升不得超过30 ℃，试样表面热电偶的平均温升不得超过30 ℃，平均连续燃烧时间不得超过10 s，试件的平均重量损失不得超过50%。

1.2 A类、B类和H类耐火试验

在海上移动式油气平台的防火防爆领域，规定了对A类、B类和H类三种标准耐火试验的要求：

A、B类适用于《国际耐火试验程序应用规范》（以下简称“耐火试验规则”）中规定的A类和B类耐火试验。它是指将相关舱壁或甲板放置在试验炉中，并根据“耐火试验规则”规定的试验方法加热至标准温度-时间曲线的试验[4]。

H类指ISO834规定的H级耐火试验。

A 类分隔和B 类分隔是由钢或其他等效材料制成并配有适当的防挠加强构造，其结构可在规定的标准耐火试验时间范围内防止烟雾和火焰通过，并应使用经批准的不燃材料进行隔热，使分隔体背面不同对应时间的平均温度与原始温度相比不超过相应的温升限值，同时，包括接缝在内的任何点的温度不得超过与原始温度相比的相应温升限值。对于B类分隔，无需使用钢或其他等效材料制造成的挠性钢筋。防火间距的具体参数见表1 “A类、B类和H类耐火性能参数”。

表1 A类、B类和H类耐火性能参数

注：①关注不同的对应参数值。

为了保持船舶的结构完整性[5]，应防止由于过热引起的强度降低而损坏部分或全部船舶结构。要求船舶结构中使用的材料不得因火灾而削弱结构完整性。对于船体材料、上部结构（船上）、结构舱壁、甲板，存在与完整性和隔热标准相对应的适用火灾暴露时间。

从上面可以看出，造船业的耐火性主要集中在完整性和隔热性的要求上。

2 核电

我们知道：通常，阻燃性[6]是指材料可以减缓点火或抑制、减缓或终止火焰传播的特性。除阻燃性外，它还有难燃性、可燃性和易燃性三种特性区别。难燃性是指材料在规定的试验条件下难以进行有焰燃烧的特性。可燃性是指材料在规定的试验条件下可以点燃并持续燃烧的特性。易燃性是指材料在规定的试验条件下产生持续有焰燃烧的能力。阻燃性[7]表示物体能够熄灭、减少或显著阻止某些材料燃烧的特性。

也许出于安全包络的考虑，核工业约定俗成的是假设核电厂的任何地方都可以发生火灾。

2.1 耐火性

过去，由于从许多国家引进核电厂，中国依靠的是进口国的技术。耐火性也有不同的特性表述。随着“华龙1号”多台机组的投产，耐火性能逐渐主要按照中国国家标准和行业标准进行分类。

关于建筑材料和产品，燃烧类别[8]分为A类、B1类、B2类和B3类，即：不燃材料（产品）、难燃材料（产品）、可燃材料（产品）、易燃材料（产品）。建筑材料可分为平板、铺路材料和管状保温材料；建筑产品亦可分为窗帘、电线电缆、电器家具、泡沫家具和软硬家具。其中的每个类别都有自己对应的测试方法和分类标准。

为了尽可能减少火灾负荷，从而将火灾风险降至最低，在核电厂中要求在设备设计中尽可能考虑使用不燃材料（如建筑材料、绝缘材料、饰面材料、涂料、地板材料）和难燃的固体设备，由不燃材料和难燃脚手架制成的不燃型空气过滤器和框架、开关和断路器。

与其他行业不同，核电更注重火灾危险分析（亦称火灾危害性分析工作[9]）的效率与结果。

2.2 火灾危害性分析

火灾危害性分析工作[10]重点关注防火区域内的虚假火灾和火灾后形成的着火区域，并进一步验证火灾不会影响对核安全尤其是基本安全目标——核反应性控制、处理余热和控制放射性物质外泄，并有能力通过分析其对重要核安全物项的潜在影响来监测核电厂的状态。内容包括防火屏障尤其是防火区边界处是否具备可靠的耐火极限时间，是否具备足够的火灾自动探测报警系统和足够数量和能力的灭火系统等内容。

对于火灾危害性分析工作，目前主要采用了以下三种方法：

（1） DS144/ISO834曲线法。主要应用于国内二代改进型核电厂的火灾危害性分析工作，基于RCC-I 1997版1.16.2节的DS144/ISO834温升曲线，其中关键是对防火区围护结构耐火极限的分析与评估。

（2）火灾等效持续时间法。应用于第三代自主化依托项目（AP1000）三门核电厂和海阳核电厂的火灾危害性分析工作，该项目的分析技术来自西屋公司，消防设计符合美国联邦法规10 CFR 50的50.48节“防火”和BTP CMEB 9.5-1《核电厂防火指南》和一系列美国消防协会（NFPA）的标准。

（3） EPRESSI方法。应用于EPR台山核电厂的火灾危害性分析工作，其技术来自法国电力公司（EDF），防火设计符合《欧洲先进压水式核反应堆防火技术标准》（ETC-F）。它基于RCC-I和最新防火技术发展成果，对于墙壁和楼板的耐火性能要求，建议采用EPRESSI方法。

以“华龙一号”为例，见表2“防火分区边界耐火性能要求”。我们看到了结构、门和贯穿件在承载能力、完整性、隔热性、隔烟性能和控制响应方面的要求。

因为浮式核电厂是中国第一个民用海上船核综合体项目，如果在民用技术路线上采用军用技术，则将是军用技术第一次民用。在国家核安全审查过程中涉及了与之相关的规范，包括钢质海船、核动力驱动浮式装置、海上浮式装置以及核商船，并结合了《国际消防安全体系规则》和《国际海上人命安全公约》的规定。浮式核电厂项目的后续设计措施应借鉴某些陆上核电厂的丰富实践经验。只有这样，我们才能在实践中不断丰富和完善。

表2 防火分区边界耐火性能要求

注：①即侧重于不同边界参数。

②表示承载能力。120表示在120 min内仍然具有一定承载能力。

③表示完整性。

④表示隔/绝热性。120指经120 min后仍然保持该结构的完整性和隔/绝热性。

⑤表示烟雾泄漏指数。

⑥表示具备自动关闭功能。

从表2可以看出，核电工程中对承载能力、完整性和耐火隔热性等方面的关注至关重要。

在最重要的国际海上船舶安全公约《国际海上人命安全公约》（2014年综合文本）中，国际海事组织对配备核反应堆的船舶（以下简称“核船舶”）有以下规定：设计标准，核反应堆设施的检查和组装应得到主管当局的认可，并应考虑因存在辐射而对检查进行限制，以使主管当局满意。核反应堆设备的设计应考虑船舶在正常和特定航行条件下的特定运行条件。此外，应主管当局要求——采取措施，编制安全评估文件，以评估核电厂的性能和船舶的安全，确保船员、乘客或公众、水道或食物或水源不会在海上或港口受到不适当的辐射或核能的其他危害。同时证书还应不断更新。如果涉及中国以外的缔约国水域，安全评估应在适当足够时间之前提交给该船舶将驶往的缔约国政府，以方便该缔约国政府评估核动力船舶的安全。

可以看出，即使作为核船舶，该核设施仍然需要核设施监管机构的批准。

3 结论

由于海况下船舶的结构及结构形式与陆地上建（构）筑物结构及结构形式的建造完全不同，因此在船舶领域没有陆地建筑领域中明确的主体结构概念。若要求其满足受力结构构件不同侧面各个方向60 min或120 min的结构稳定性要求，目前则不具备实验条件。

结合核安全一直关注的核心——基本核安全功能的实现和耐火极限时间的要求，若经后续工作予以分析验证，可以得出船舶受力结构能够满足上述要求的结论。结合先进造船工艺和工程实践所形成的相关消防标准，可考虑予以固化认可。

［1］ 中国船级社. 海上浮式装置入级规范［S］. 北京：2020：4-6.

［2］ 中国人民解放军总装备部. 舰船消防要求：GJB 868A—2011［S］. 北京：2011：1-2.

［3］ 中国船级社. 海上移动平台入级规范［S］. 2020：31.

［4］ 国际海事组织. 国际耐火试验程序应用规则（FTP规则）：［S］. 2001：31.

［5］ 国际海事组织. 国际海上人命安全公约（2014综合文本）［M］. 北京：人民交通出版社，2015.

［6］ 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局/中国国家标准化管理委员会. 消防词汇第1部分：通用术语：GB/T 5907.1—2014［S］. 北京：中国标准出版社，2014：5，20.

［7］ 国家市场监督管理总局/国家标准化管理委员会. 核电厂防火设计规范：GB/T 22158—2021［S］. 北京：中国标准出版社，2021：1-41，20.

［8］ 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局/中国国家标准化管理委员会. 建筑材料及制品燃烧性能分级：GB 8624—2012［S］. 北京：中国计划出版社，2012：3-8.

［9］ 国家核安全局. 核动力厂防火与防爆设计［EB/OL］. https://www.mee.gov.cn/xxgk2018/xxgk/xxgk09/202001/W020200320467594590852.pdf，2019.

［10］国家市场监督管理总局/国家标准化管理委员会. 核动力厂火灾危害性分析指南：GB/T 40620—2021［S］. 北京：中国标准出版社，2021：1-7，20.

Analysis of the Fire Resistance Performance of Floating Nuclear Power Plant under Offshore Conditions

WANG Wei

（Department of Reactor Analysis and Safety，Center for Nuclear and Radiation Safety，Ministry of Ecology and Environment，Beijing 102445，China）

In the 14th Five-Year Plan for National Economic and Social Development and the Long-Range Objectives Through 2035, there is a paragraph on promoting the demonstration of maritime floating nuclear power platforms and other advanced reactors. In recent years, under the guidance of the two-carbon target, each central enterprise group aims at floating nuclear power plants and has completed some technological R&D work with varying degrees. This paper combines the difficult problem of how to select floating nuclear power projects that use different fire standards in shipbuilding industry and nuclear power industry in the national nuclear safety review. Through comparative analysis, it draws the conclusion that on the basis of realizing the basic nuclear safety functions, especially after meeting the fire resistance rating in the fire zones, the fire standard of the ship building industry can be adopted in floating nuclear power projects.

Offshore conditions; Floating nuclear power plant; Non-combustible; Fire resistance

X932TL421

AA

0258-0918（2023）03-0695-04

2022-05-22

王 威（1973—），男，陕西华阴人，高级工程师，硕士，现从事核设施安全审评工作，侧重于通风防火领域研究