海上浮動核電平臺新燃料運輸方式研究

胡雨濛　孫福江　張曉輝　徐濤

【摘 要】海上浮動核電平臺是一種新型海上能源保障平臺，采用海上更換核燃料的方式，實現(xiàn)對用戶不間斷能源供應(yīng)。新燃料運輸是海上浮動核電平臺運行過程中重要的環(huán)節(jié)，是海上換料的流程之一。在國內(nèi)外現(xiàn)有的新燃料運輸方式的基礎(chǔ)上，通過分析海上浮動核電平臺新燃料運輸?shù)奶攸c，將其新燃料運輸分為三個階段，并從運輸實踐、運輸風(fēng)險和運輸成本等方面出發(fā)，分別對各個階段的不同運輸方式進行了對比，提出了合理的運輸方式建議。

【關(guān)鍵詞】浮動式核電站；新燃料運輸；運輸方式

中圖分類號： TM623 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）29-0005-003

【Abstract】Marine Floating Nuclear Power Platform is a new model of power ensurence platform on the sea， which adopts refueling on the sea， and can realize the energy supplication to customers continuously. New fuel transportation is an important part during the operation of Marine Floating Nuclear Power Platform， and it is a part of refueling on the sea. At the foundation of present new fuel transportation method at home and abroad， and through analyzing the characters of new fuel transportation of Marine Floating Nuclear Power Platform， its new fuel transportation is divided to three stages. Based on transportation practices， transportation risks and transportation costs， different transportation methods during each stage are compared， and an appropriate transportation method is proposed.

【Key words】Floating nuclear power plant； New fuel transportation； Transportation method

0 引言

隨著人們對核能技術(shù)利用的不斷發(fā)展，小型反應(yīng)堆技術(shù)由于其建造方案靈活性、適用范圍多樣性及成本造價低廉性等諸多優(yōu)勢，逐漸成為各大國家的研究熱點。海上浮動核電平臺是一種新型海上能源保障平臺，是小型反應(yīng)堆與船舶工程的有機結(jié)合體。它可以給偏遠地區(qū)、海島、石油鉆井平臺等提供電力和熱水等能源，且受地震和海嘯的影響很小，對海洋資源開發(fā)具有重要意義。海上浮動核電平臺搭載有兩座反應(yīng)堆，采用海上輪流更換核燃料的方式，從而可以實現(xiàn)不間斷能源供應(yīng)。

海上浮動核電平臺的換料周期約為1.5年，換料流程通常包括：新燃料運輸及接收，堆芯裝卸料操作，乏燃料貯存及外運。經(jīng)過近十年的海上運行后，海上浮動核電平臺需要返回碼頭進行中修，并將貯存在乏燃料水池中的乏燃料外運。若將海上運行期間所需的新燃料組件全部提前貯存在海上浮動核電平臺上，會造成前期投入成本過高、空間需求大等問題。因此，較合理的方式為每次換料前將一個周期所需的新燃料運至海上浮動核電平臺內(nèi)貯存，換料時再裝入反應(yīng)堆堆芯中。

新燃料運輸是換料流程中必不可少的一環(huán)，具有作業(yè)工期長、作業(yè)環(huán)境復(fù)雜多變等特點。本文在國內(nèi)外現(xiàn)有新燃料運輸方式的基礎(chǔ)上，結(jié)合海上浮動核電平臺的特點，分析其可采用的新燃料運輸方式。

1 新燃料運輸基本情況分析

1.1 法律法規(guī)對新燃料運輸?shù)囊?/p>

為了保障放射性物質(zhì)運輸?shù)陌踩裕瑖H原子能機構(gòu)（IAEA）和我國均對放射性物質(zhì)的運輸做出了嚴格規(guī)定。未經(jīng)輻照的新燃料不具有放射性，但它是易裂變物質(zhì)，根據(jù)放射性物品分類原則，屬于一類放射性物品，需要裝在專門的新燃料運輸容器中進行運輸。根據(jù)《放射性物品運輸安全管理條例》和《放射性物質(zhì)安全運輸規(guī)程》的要求，該類貨包為A型易裂變物質(zhì)貨包，運輸?shù)燃墳棰蚣墸S），臨界安全指數(shù)0。貨包本身有極高的技術(shù)要求，設(shè)計時需要考慮運輸中預(yù)計可能發(fā)生的各種事故條件（包括翻車跌落、火燒、與其它剛性貫穿件穿刺以及落入江河海等極端惡劣條件等），從而避免在運輸過程中發(fā)生預(yù)計的事故時造成放射性泄漏和污染。

新燃料運輸容器的嚴格設(shè)計要求降低了對交通運輸工具的安全性要求，但盡管概率極低，嚴重的事故仍可能導(dǎo)致發(fā)生超設(shè)計基準事故，影響新燃料臨界安全，造成不可接受的輻射后果。而一旦發(fā)生這類事故，社會影響較大，應(yīng)急救援也相對困難。此外，為保證新燃料入堆后反應(yīng)堆的運行安全，運輸過程中也應(yīng)確保新燃料結(jié)構(gòu)的完好性，防止貨包所受加速度超過閾值。因此，交通運輸方式的安全性仍是需要重點關(guān)注的內(nèi)容。

1.2 海上浮動核電平臺新燃料運輸過程劃分

我國核燃料組件的運輸已有二十多年歷史，主要是通過鐵路和公路將新燃料組件由內(nèi)陸的燃料制造廠運往沿海的核電站。到2012年已達每年運輸?shù)男氯剂辖M件上千組，年運輸里程上萬公里。與陸上核電站核燃料運輸最大的區(qū)別在于，海上浮動核電平臺位于海上，無法通過鐵路和公路直接到達。

因此，對于海上浮動核電平臺新燃料運輸?shù)倪^程，可將其分為三個主要階段：第一階段為新燃料組件由燃料制造廠運往轉(zhuǎn)運碼頭，即陸上運輸；第二階段為新燃料組件由轉(zhuǎn)運碼頭運至海上浮動核電平臺，即海上運輸；第三階段為新燃料組件到達海上浮動核電平臺后由接收點運至新燃料貯存間，即平臺內(nèi)部運輸。陸上運輸階段可參考陸上核電站的成熟經(jīng)驗，而核燃料在海上運輸雖然已有實例，但均為船舶由從出發(fā)港口運往目的港口，尚無運至浮動式平臺的案例。與港口轉(zhuǎn)運相比，海上轉(zhuǎn)運無疑具有更大的難度。第三階段由于不涉及公用道路或鐵路運輸，不屬于《條例》和《規(guī)程》的監(jiān)管范圍，可參照核安全導(dǎo)則（HAD）和核動力廠設(shè)計安全規(guī)定（HAF）中的相關(guān)要求進行考慮。各階段之間通過接收和轉(zhuǎn)運銜接，不同的運輸方式所采用的接收和轉(zhuǎn)運方式也不相同。endprint

2 運輸方式的比較和選擇

海上浮動核電平臺新燃料運輸時應(yīng)采用滿足國家規(guī)定的運輸容器，一次換料所需的新燃料組件分裝成多個貨包運輸，貨包具備通過標準卡車、鐵路、飛機和輪船堆垛和運輸?shù)哪芰Α?/p>

新燃料的運輸不光涉及放射性物質(zhì)運輸?shù)陌踩裕€關(guān)系到海上浮動核電平臺的經(jīng)濟效益。新燃料運輸時路程遠，貨包數(shù)量多、尺寸大，且運輸次數(shù)頻繁，因此在比較不同的運輸方式時，應(yīng)綜合考慮運輸實踐、運輸風(fēng)險和運輸成本等方面的內(nèi)容，確定合理的運輸方式。

2.1 陸上運輸

核燃料陸上運輸可分為公路運輸、鐵路運輸兩種形式。新燃料貨包通常裝載在集裝箱內(nèi)實現(xiàn)批量運輸，如國內(nèi)CPR1000核電站所使用的裝載AFA3G新燃料的貨包4個一組，分上下兩層疊放于一個集裝箱內(nèi)，貨包與貨包之間、貨包與集裝箱之間均使用減震木塊隔離。集裝箱可以與公路運輸車輛或火車車廂底部固定，也便于各種運輸方式的換裝。

公路運輸通常采用牽引車+掛車的形式。牽引車應(yīng)具有較大的牽引功率和扭矩，良好的安全性能及爬坡能力，常見的重型牽引車有德國奔馳、沃爾沃、東風(fēng)天龍等。大件運輸中最常用的掛車為液壓平板車，如尼古拉斯全液壓平板車組和索埃勒液壓平板掛車等，這類平板車具有全輪轉(zhuǎn)向、可升降等特點，轉(zhuǎn)彎半徑小、承載能力強、運輸平穩(wěn)[1]。公路運輸靈活性高，不需要反復(fù)裝卸搬運，但它的不足之處在于不適宜大批量運輸，且經(jīng)濟半徑一般在200公里以內(nèi)，因此主要是作為其他運輸方式的銜接手段。從燃料制造廠至轉(zhuǎn)運碼頭路程長達1100多公里，若全程采用公路運輸，經(jīng)濟性較差，且耗時較長。

核燃料鐵路運輸時通常采用平車裝運，專列直達。這種運輸方式耗時短、運量大、運輸成本低。此外，鐵路運輸勻速和平穩(wěn)較有保障，且事故發(fā)生的概率低于公路運輸。據(jù)統(tǒng)計，1955-1985年期間，我國核工業(yè)系統(tǒng)經(jīng)公路和鐵路運輸共發(fā)生22起放射性物質(zhì)運輸事故，其中公路運輸?shù)膯挝回洶b運事故率為3.78×10-6起/件，鐵路運輸?shù)膯挝回洶b運事故率則為1.46×10-6起/件[2]。除非是嚴重出軌事故，一般的火車事故很少會引發(fā)著火和對載貨造成明顯損壞。鐵路的缺點在于較難實現(xiàn)“門對門”運輸，若燃料制造廠或核電站無廠內(nèi)專用鐵軌，還需要通過汽車轉(zhuǎn)運。而裝卸次數(shù)越多，貨損率也越高。

目前，鐵路-公路聯(lián)運已成為我國新燃料運輸?shù)闹饕绞剑聪炔捎描F路運輸方式將新燃料由制造廠的專線運至離核電站較近的中轉(zhuǎn)換裝站，再以公路運輸?shù)綇S址。目前陽江核電站、田灣核電站都采用此種模式。該模式充分利用了鐵路運輸和公路運輸?shù)膬?yōu)點，兩種運輸方式互為補充，預(yù)計未來會有更多的核電站采用這種運輸模式。

海上浮動核電平臺的新燃料陸上運輸需要結(jié)合實際路況進行選擇。燃料制造廠設(shè)有鐵路專用線，且至海上浮動核電平臺專用碼頭有直達列車，建議優(yōu)先采用鐵路運輸，以公路運輸為補充，且應(yīng)盡量減少中轉(zhuǎn)次數(shù)。在具體運輸路線選擇時，還應(yīng)考慮運輸距離、道路通行能力、對沿途公眾的影響、應(yīng)急救援等方面，兼顧運輸?shù)陌踩院徒?jīng)濟性。

2.2 海上運輸

海上浮動核電平臺的系泊點靠近海岸線，可利用補給船將新燃料運至平臺。此外，由于海上浮動核電平臺設(shè)有直升機停機坪，也可將使用直升機空運新燃料列為初步考慮方案。

船舶運輸是一種運量大、成本低的傳統(tǒng)運輸方式，也是運輸危險貨物的主要方式。根據(jù)SOLAS公約，運送第7類危險品——放射性物品的船舶應(yīng)符合INF規(guī)則，不同類型INF船舶應(yīng)滿足不同的設(shè)計要求。國內(nèi)外已有核燃料海上船舶運輸?shù)陌咐饕沁h洋跨界運輸，如新燃料的進出口。1999年由歐洲運往日本的MOX新燃料運輸船采用了按國際海事機構(gòu)安全標準中“INF3級”最高水平設(shè)計的、不會發(fā)生沉沒事故的船只[3]。該運輸船采用了雙層船殼結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)事故的概率極低，新燃料運輸物沉沒的概率更是非常之小。2015年2月10日，海南昌江核電站1號機組首爐125組燃料組件、126組相關(guān)組件從廣東湛江港口出發(fā)，通過汽車滾裝渡海的方式，歷時90分鐘跨過瓊州海峽抵達海口港口，并順利運抵昌江核電站燃料廠房，這是我國首次實現(xiàn)國內(nèi)核燃料組件跨海運輸。該汽車輪渡采用的永華輪是海南省唯一一條具有運輸危險貨物資質(zhì)的船舶，可在蒲式風(fēng)力7級及以下航行，最大航速14km，載貨量807t。據(jù)有關(guān)分析，由于該船的速度較小且碰撞非剛性，即使是最嚴重的撞擊事故，也不會對貨包產(chǎn)生明顯影響[4]。

近年來，海上直升機運輸服務(wù)市場迅速發(fā)展，尤其是中型和重型直升機在海洋油氣勘察領(lǐng)域獲得越來越多的應(yīng)用[5]。直升機的最大平飛速度可達400km/h，適合對時間要求高的貨物運輸。但與船舶運輸相比，存在單次運量有限（中型和重型直升機的載重量在5t到20t之間）、受天氣影響大、運輸費用高等缺點，且由于運輸距離較短，直升機運輸速度快的優(yōu)點難以充分發(fā)揮。同時，由于目前對運輸貨包沖擊的仿真計算及試驗是按《規(guī)程》中規(guī)定的9m自由下落進行的，而直升機具有高空墜落的潛在風(fēng)險，從而使貨包受到遠大于試驗時所受的沖擊，因此利用直升機運輸新燃料貨包很難證明其安全性，難以通過安全審查。目前我國航空運輸放射性物品的運量和種類都較少，主要涉及放射源、放射性同位素和放射性藥品的進出口，尚未有利用直升機運輸核燃料的報道。

由于核燃料船舶運輸?shù)陌踩浴⒔?jīng)濟性及可借鑒性，新燃料海上運輸應(yīng)采用船舶運輸。新燃料到達轉(zhuǎn)運碼頭后，可利用碼頭起重機將裝有貨包的集裝箱吊運至補給船，再由補給船運至海上浮動核電平臺。轉(zhuǎn)運碼頭需具備放射性物品的作業(yè)資格，補給船應(yīng)符合INF船舶設(shè)計要求。集裝箱吊運至補給船后，應(yīng)與補給船進行可靠連接，避免航行時產(chǎn)生相對移動。盡量避開漁區(qū)和繁忙的航線，選擇海況良好的時段進行新燃料的運輸。

2.3 平臺內(nèi)接收

平臺內(nèi)接收是海上浮動核電平臺新燃料運輸?shù)淖詈笠画h(huán)，它包括新燃料運輸容器從補給船往平臺轉(zhuǎn)運、新燃料運輸容器在平臺內(nèi)部運輸、開箱取出新燃料組件、新燃料外觀檢查、放入貯存格架貯存等一系列操作。由于平臺結(jié)構(gòu)的特殊性和海上環(huán)境的復(fù)雜性，與陸上核電站新燃料接收相比，海上浮動核電平臺新燃料接收存在較大差異。endprint

陸上核電站的新燃料運輸容器到達核電站后，由汽車直接運至燃料收發(fā)間，然后利用廠內(nèi)的輔助吊車將運輸容器吊至新燃料接收間并開蓋，將新燃料組件取出并吊至檢查間，檢查合格后吊至貯存間貯存。新燃料在各個功能間的移動都是通過輔助吊車完成的。

新燃料貯存間位于海上浮動核電平臺的指揮甲板層，具體位置如圖1所示。由于平臺內(nèi)部空間有限，新燃料貯存間布置緊湊，新燃料運輸容器開箱、新燃料組件外觀檢查和新燃料組件的貯存都在該貯存間進行。結(jié)合HAD、HAF中對新燃料裝卸與貯存的相關(guān)要求以及海洋環(huán)境特點，在制定海上浮動核電平臺新燃料內(nèi)部運輸方式時需考慮以下幾點：

（1）運輸路程盡量布置得簡短；

（2）運輸流程盡可能簡便；

（3）運輸時需采取有效措施以減小海上搖擺環(huán)境的影響。

采用船舶進行海上運輸時，當補給船與海上浮動核電平臺接駁后，首先需要將新燃料運輸容器運至海上浮動核電平臺。參考船與船在海上進行貨物轉(zhuǎn)運的方式，可利用位于平臺頂棚甲板的吊機進行吊運。按照水路危險貨物運輸規(guī)則，可在補給船與平臺之間設(shè)置安全網(wǎng)，防止吊運時發(fā)生貨包墜落事故。將貨包從補給船的集裝箱內(nèi)起吊至平臺，然后通過頂棚甲板上的吊裝口放置在指揮甲板上。吊裝口正對應(yīng)急通道上方，沿應(yīng)急通道直線運輸時無需穿過其他艙室，是一條最簡短的路線，同時也便于布置運輸裝置，降低操作人員的勞動強度。可在應(yīng)急通道內(nèi)設(shè)置軌道平板車作為運輸裝置，軌道設(shè)置在應(yīng)急通道的地面或側(cè)面，從吊裝口下方延伸到新燃料貯存間。平板車應(yīng)具有緊急制動功能，當平臺發(fā)生較大搖擺時，平板車能可靠地停在軌道上不產(chǎn)生移動，保證新燃料運輸容器的穩(wěn)定。新燃料運輸容器運至新燃料貯存間后，可利用貯存間的小吊車進行開箱操作，將新燃料組件吊至檢查臺檢查合格后吊入貯存格架。

3 結(jié)語

隨著海上浮動核電平臺的建設(shè)和發(fā)展，其新燃料運輸必將成為常態(tài)。海上浮動核電平臺新燃料運輸所涉及的路程遠、路況多樣、交通工具多，選擇合理的運輸方式可以有效提高新燃料的運輸安全和經(jīng)濟性，對海上浮動核電平臺的運行具有重要意義。同時，海上浮動核電平臺新燃料運輸也將進一步促進我國核燃料運輸體系的建設(shè)，加快相關(guān)政策法規(guī)和技術(shù)標準的完善。

【參考文獻】

[1]李志鴻.公路大件運輸車輛選擇研究[D].西華大學(xué)， 2013.

[2]李國強，曹芳芳，張建崗，等.放射性物質(zhì)公路運輸事故率初探[J].輻射防護通訊，2015，35（06）：40-43.

[3]李韡.MOX新燃料的海上運輸安全性評價[J].國外核新聞，2000（6）：21-25.

[4]徐瀟瀟，張建崗，王學(xué)新，等.核燃料組件渡海運輸事故分析[A].中國核學(xué)會輻射防護分會2012年學(xué)術(shù)年會論文集[C].中國核學(xué)會輻射防護分會，2012：8.

[5]文光.超中型直升機：海上運輸新力量[N].中國航空報，2014-12-16（S03）.

[6]中華人民共和國國務(wù)院.放射性物品安全運輸管理條例[Z].2009-09-14.

[7]GB 11806-2004，放射性物質(zhì)安全運輸規(guī)程[S].

[8]國家核安全局.核動力廠燃料裝卸和貯存系統(tǒng)設(shè)計HAD 102-15[S].

[9]國家核安全局.核動力廠設(shè)計安全規(guī)定HAF 102-2004[S].

[10]劉新華，邵明昶，馬力，等.放射性物品安全運輸概論[M].北京：科學(xué)出版社，2015.endprint