六所村后處理廠的安全升級

圖1 六所村后處理廠存在的安全隱患及安全升級措施

福島核事故后，日本為核燃料循環(huán)設施制定了新安全標準。新標準于2013年12月正式生效。根據(jù)新標準，除了需要加強對地震、海嘯、龍卷風、火山爆發(fā)、森林火災等外部威脅的應對措施，乏燃料后處理廠還應針對氫氣爆炸、溶液泄漏導致火災、臨界事故等內部威脅部署安全措施。

日本青森縣六所村后處理廠從2014年1月至今一直在開展安全評價并根據(jù)評價結果制定安全升級計劃。2020年7月，日本原子力規(guī)制委員會批準了六所村安全升級計劃，認為該廠在完成安全升級后能夠滿足新安全標準。該廠投運由此邁出了具有重大意義的一步。日本核燃料公司8月宣布，由于安全升級改造所需時間長于預期，六所村的投運時間將從2021年4至9月推遲至2022年4至9月。

該后處理廠位于海平面以上55米，距離海岸線5000米，1993年啟動建設，原計劃1997年投運。但由于一系列技術和安全問題，投運時間已先后推遲20多次。該廠設計產能為每年處理800噸乏燃料，生產約8噸钚，用于制造供商業(yè)核電機組使用的混合氧化物(MOX)燃料。有媒體報道稱，該廠建設費用已達近3萬億日元(折合人民幣1887億元)。

1 外部災害防護

日本位于亞歐板塊和太平洋板塊交界地帶，地殼極不穩(wěn)定，多火山、地震。根據(jù)新安全標準，六所村對外部災害可能帶來的安全隱患進行了全面考量，主要包括以下幾個方面。

1.1 地震

由于福島核事故是由強震及其引起的海嘯導致，因此日本針對核設施的抗震性能提出了更為嚴格的要求。六所村根據(jù)受損時可能產生的環(huán)境影響對相關設備和建筑物進行分級，采取相應的抗震措施，并重點關注下述設施的抗震設計和工程建設：

· 內置有放射性物質的設施；

· 與內置放射性物質的設施直接相關、并可能由于其功能喪失而導致放射性物質泄漏的設施；

· 用于防止放射性物質泄漏的設施；

· 為防止因地震可能引起的海嘯導致安全功能喪失而設置的設施；

· 對環(huán)境有很大影響的設施。

為防止地震引發(fā)放射性泄漏，六所村采取的措施包括：

· 為了防止設備及管道在地震或其他外力的作用下產生裂紋或損壞，導致液體泄漏，在供液管道上設置了切斷閥，在液體儲罐、泵等設備附近設置了堤堰、防水門等。

· 后處理主工藝廠房擁有兩座室外冷卻塔。其中一座冷卻塔原本位于乏燃料首端剪切廠房屋頂，為加強抗龍卷風能力，需要安裝鋼制防護網。為了防止剪切廠房的抗震能力因冷卻塔的重量而受到影響，決定將這座冷卻塔轉移至地表。

· 為了保障地震后的冷卻水供應，設置了兩個容積為2萬m3的蓄水槽，防止衍生事故的發(fā)生。

1.2 外部火災

六所村對附近居民區(qū)及其他設施進行了消防安全評估，評估因素包括距廠區(qū)的距離、植被分布情況及風向，明確了后處理廠方圓12千米范圍內最有可能引起火災的三處地點，包括一座石油貯存基地、一座泵廠以及一處位于上風向的居民區(qū)，并針對這三處地點布置了防火帶。

在控制室外部的空氣入口處設置了CO2、NOx監(jiān)測器，如果檢測到有毒氣體入侵，將切斷控制室換氣設備與外部空氣的連接，保證安全。

1.3 龍卷風

根據(jù)新安全標準，核燃料循環(huán)設施必須考慮發(fā)生概率超過10-5次/年的龍卷風。截至目前的氣象資料顯示，六所村附近發(fā)生過的龍卷風最高為二級(最大風速為每秒69米)，附近發(fā)生三級或更高級別的龍卷風的可能性微乎其微。

六所村針對龍卷風的防護設計相當保守，要求后處理廠能夠承受最大風速每秒100米(發(fā)生概率僅為1.79×10-8次/年)的龍卷風沖擊，相關部署包括：

· 給兩座室外冷卻塔安裝鋼制防護網。即使只有一座冷卻塔運行，也能夠保證乏燃料水池的水溫低于65℃。此外，還部署了可用于向水池注水的移動式注水設備以及可用于在乏燃料溫度上升時對乏燃料設施噴水的大型輸送泵。

· 設置了備用柴油發(fā)電機，兩套發(fā)電機分別安裝在不同的廠房內。每套發(fā)電機的功率都足以維持一座冷卻塔的安全運行。

· 精煉廠房、分離廠房、高放廢液玻璃固化設施的室外通風管道均設置了防護網。

· 為了防止車庫及車輛遭到龍卷風破壞，六所村加固了車庫，為車輛安裝高強度的固定裝置。

1.4 雷擊

針對270 kA的假定雷擊電流，在重要設施中安裝了保護裝置，縮小雷電落下的范圍，改變電流的侵入路徑，防止電流引起的設備故障，并將及時實施緊急安全措施。

1.5 火山爆發(fā)

在外部進氣口上安裝除塵濾布、不銹鋼絲網過濾器，并進行及時清潔和更換，防止進氣口堵塞，避免安全事故。

一旦火山大規(guī)模爆發(fā)，將停止接收乏燃料，并停止剪切操作。

1.6 飛機墜毀

對飛機墜毀情況進行了概率安全評價，結果為：民用飛機墜落概率為2.6×10-10次/年，自衛(wèi)隊及美軍飛機墜落概率為7.5×10-8次/年。根據(jù)相關標準，當總墜毀概率低于1×10-7次/年時，則認為符合安全標準。因此，六所村的總墜毀概率(7.5×10-8)是符合安全標準的。

2 生產安全事故防護措施

2.1 乏燃料管理政策的變更

六所村乏燃料貯存池的容量為3000 tU。之前，乏燃料在水池冷卻1年后即可被六所村接收，只要冷卻4年即可進行剪切操作。從2019年12月起，冷卻期在4～12年的乏燃料接收或貯存量不得超過600 tU，只有冷卻了15年以上的乏燃料才能進行剪切操作。

2.2 臨界事故

根據(jù)后處理廠自身的特點，六所村對臨界事故預防和緩解措施進行了整頓升級。在可能發(fā)生臨界事故的設施附近，部署移動式可溶性中子吸收材料供給設備，包括手動泵、供給軟管及容器。如果發(fā)生臨界事故，將移除事故源并封存。另外，如果確認放射性物質泄漏到了建筑物中，將封存建筑物。

2.3 冷卻功能故障

后處理過程會產生大量高放廢物，這些廢物釋熱量大，有著較高的冷卻需求。六所村現(xiàn)有冷卻系統(tǒng)的外部回路設有一套備用系統(tǒng)，而且冷卻水循環(huán)泵等設備都是多路復用的。循環(huán)泵等設備與應急電源相連，即使在全廠斷電的情況下，循環(huán)泵也能夠正常運轉。儲罐內部的冷卻系統(tǒng)也設有備用系統(tǒng)。

此外，為保障冷卻水供應，開展了從外部水源(尾從沼澤和二又川)取水的工程建設，包括取水線路規(guī)劃、接入管道鋪設等。2018年，完成了尾從沼澤取水設施的建設；2019年，完成了尾從沼澤取水軟管的鋪設。

2.4 氫爆

對于后處理產生的廢液，其輻射分解產氫速度(3×10-2kg/h)比水-鋯合金反應的產氫速度(4×102kg/h)慢很多，且廢液儲罐的溫度難以達到產生氫氣需要達到的500℃高溫，因此幾乎不會發(fā)生類似福島事故規(guī)模的氫爆事故。

但為了保證后處理廠安全運行，六所村已部署三臺空氣壓縮機和三座空氣儲罐，向可能產生氫爆的空間提供壓縮空氣，用于氫氣吹掃。為了確保氫氣吹掃順利進行，設置了三重保險：一是當單臺空氣壓縮機發(fā)生故障時，可以通過多路復用以確保吹掃功能的實現(xiàn)；二是即使在外部電源中斷的情況下，空氣壓縮機和空氣儲罐也可以接入應急電源系統(tǒng)，確保運行；三是即使在全部交流電都中斷的情況下，儲罐中空氣的量在短時間內也滿足吹掃需求。

在氫氣吹掃過程中產生的氣溶膠會使儲罐內部壓力升高，放射性物質可能釋放到外部。因此，需要配備高性能的顆粒過濾器，并在主排氣管中控制輻射釋放。

2.5 有機試劑火災

為了避免后處理廠內部化學藥品引起的火災威脅到重要設施的安全，部署了多種類型的火災探測器，以監(jiān)測是否有液體泄漏、泄漏液體的溫度及其狀態(tài)。如果發(fā)現(xiàn)泄漏，能夠將壓縮氮氣輸送至泄漏點，降低氧氣濃度，防止著火。同時還設置了防火墻、防火閥、防滲透密封墊。

如果未能及時阻止試劑著火，將開啟通風系統(tǒng)，將放射性氣溶膠轉移至排氣系統(tǒng)中的過濾器，降低事故的輻射影響。另外，還將試劑廠房內的藥品容器(如硝酸肼貯槽等)轉移到了地下。

2.6 玻璃固化熔爐放射性物質的溢出或泄漏

在進行高放廢物玻璃固化過程中，熔爐處于高溫工作狀態(tài)，不斷產生含有放射性物質的氣體。當熔爐出現(xiàn)故障停止加熱時，熔融玻璃尚未冷卻，放射性氣體還在持續(xù)產生，此時有可能由于高壓而造成放射性物質泄漏。因此，六所村設置了自動釋壓系統(tǒng)，包括新型高性能顆粒過濾器，能夠防止放射性物質泄漏并降低輻射影響。

另外，當熔爐廢氣洗滌器出現(xiàn)障礙時，也可能會造成放射性氣體泄漏。因此，在廢氣處理設備上設置了隔離閥，可及時切斷放射性物質的泄漏途徑。

3 現(xiàn)場調查

六所村進行的現(xiàn)場調查包括陸上地質調查、海上地質調查和海嘯影響評價三個部分。

(1) 陸上地質調查：抗震設計需要考慮到內陸板塊內地震、板塊間地震、海洋板塊內地震和不確定震源地震等各個方面。因此，對廠址地基及其周圍進行了鉆探調查、挖掘調查和反射波法地震勘探等詳細的評價。

(2) 海上地質調查：進行了近海聲波探測和海上鉆探，確認了廠房的安全性。利用聲波技術對近海地質構造進行勘測。同時進行海上鉆探，通過采集巖石樣品，對地下結構進行分析。

(3) 海嘯影響評價：六所村廠區(qū)在海平面以上約55米，離海岸約5000米，因此，評估認為即使發(fā)生了最大級別的海嘯，也不會對該廠造成直接影響。

4 應急機制

六所村建立了完善的事故安全應急機制，成立了應急組織。為了方便應急工作人員在重大事故發(fā)生時及時進行管理和決策，六所村設置了應急指揮中心。

首先，應急組織中，由后處理業(yè)務部部長擔任應急管理領導小組的組長，在指揮中心全面組織開展應急措施；應急工作組則堅守主控制室，執(zhí)行輪班制度，保證各設施各崗位持續(xù)有人在崗；保障部門的人員在應急響應中心輪崗值班，保證即使節(jié)假日也能24小時隨時迅速做出響應。部分工作人員居住在六所村尾從地區(qū)，均接受了步行訓練，即使是在嚴冬時期，從最遠的分叉路口(距后處理廠約13千米)，也能保證在三個半小時左右到達廠區(qū)。

圖2 六所村應急體制組織關系圖

其次，應急指揮中心所在的大樓在設計時就具有抗震結構，大樓內配備了可維持一周的能源、食物及設備，并確保在通訊設備發(fā)生故障時，人員仍然能通過備用設備與外部保持聯(lián)絡。

目前，六所村對應急辦公室的人員規(guī)模及所在建筑進行了擴建，原規(guī)模為200人，現(xiàn)規(guī)模擴大了一倍。辦公大樓的鋼筋混凝土施工大致完成，正在進行各種機器裝置的安裝、配管配線施工等作業(yè)。

最后，為保障人員安全，六所村配備了必要的設備，包括去污用具、淋浴設施、洗眼器等，以減少放射性物質對操作人員的影響。對操作人員進行了多種模擬狀況訓練，包括夜間及冬季等作業(yè)困難環(huán)境下的訓練。因此，即使在發(fā)生大規(guī)模災害的情況下，也能夠保證相關操作順利實施。