核電廠海域取水工程抗震分類及分析方法探討

孫 鋒，潘 蓉，孫造占，周 群，辛國臣

（生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心，北京 100082）

日本福島核事故之后，國際社會(huì)開始進(jìn)行外部災(zāi)害下核電廠安全裕量評(píng)估，對(duì)抗震安全要求不斷提高［1］。我國在建和運(yùn)行核電廠均位于沿海地區(qū)，其循環(huán)冷卻水與重要廠用水大多共用取水明渠（斜坡式結(jié)構(gòu)型式）取水，其安全功能要滿足極端地震動(dòng)工況下重要廠用水的取水安全［2，3］。隨著我國核電建設(shè)的快速推進(jìn)，條件良好的廠址逐漸稀缺，近年來核電廠海域構(gòu)筑物投資明顯增長，個(gè)別核電海域項(xiàng)目建設(shè)費(fèi)用甚至達(dá)到核電項(xiàng)目總投資的4%。目前，《核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50267—1997）［4］沒有明確取水構(gòu)筑物的安全評(píng)價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)，能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《核電廠海工構(gòu)筑物設(shè)計(jì)規(guī)范》（NB/T 25002—2011）［5］和《核電廠水工設(shè)計(jì)規(guī)范》（NB/T 25046—2015）［6］對(duì)同樣功能的取水明渠防波堤抗震設(shè)防要求不一致；《核電廠抗震設(shè)計(jì)與鑒定》（HAD 102/02）提出應(yīng)保證核電廠最終熱阱安全的原則要求，《核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定》（HAF 102—2016）［7］則要求適當(dāng)考慮對(duì)超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)外部事件的影響。因此，確定合理的取水構(gòu)筑物設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，平衡安全性和經(jīng)濟(jì)性，提升競爭力，是目前核電廠取水構(gòu)筑物設(shè)計(jì)中亟待解決的問題。

1 核電廠抗震分類國內(nèi)外法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)

1.1 國外法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)

1.1.1 IAEA物項(xiàng)分級(jí)及抗震分類要求

2014年IAEA正式發(fā)布了安全導(dǎo)則SSG-30《核電廠構(gòu)筑物、系統(tǒng)和部件的安全分級(jí)》。該導(dǎo)則涵蓋了縱深防御5個(gè)層次的所有物項(xiàng)，并直接給出了功能分類原則［8］。SSG-30提出的物項(xiàng)分級(jí)方法主要基于確定論，并適當(dāng)采用概率論作為補(bǔ)充，由工程判斷支持。同時(shí)，IAEA于2016年出版了IAEA-TECDOC-1787《核電廠構(gòu)筑物，系統(tǒng)和部件安全分級(jí)的應(yīng)用》，對(duì)SSG-30的應(yīng)用提供了具體指導(dǎo)意見。

IAEA關(guān)于抗震分類的最初導(dǎo)則是1979年發(fā)布的50-SG-S2“Seismic Analysisand Testingof Nuclear Power Plants”，屬于廠址安全規(guī)定50-C-S“Code of Practice on Safety in Nuclear Power Plant Siting”的系列導(dǎo)則之一。1992年該導(dǎo)則升版，并劃入設(shè)計(jì)安全規(guī)定50-C-D“Code on the Safety of Nuclear Power Plants:Design”系列，編號(hào)為50-SG-D15。50-SG-S2和50-SG-D15將核動(dòng)力廠物項(xiàng)分為抗震Ⅰ類、抗震Ⅱ類和非抗震類。

1.1.2 美國聯(lián)邦法規(guī)相關(guān)要求

為落實(shí)GDC2和10 CFR 100附錄A的要求，美國原子能委員會(huì)于1973年發(fā)布第1版RG 1.29，給出了一種可接受的細(xì)化落實(shí)措施。

美國土木工程師協(xié)會(huì)（ASCE）等編寫的核電規(guī)范主要針對(duì)核島結(jié)構(gòu)，缺乏針對(duì)海域工程的評(píng)價(jià)方法。

1.1.3 內(nèi)容小結(jié)

物項(xiàng)的抗震分類源于10 CFR 50附錄A的另一條通用設(shè)計(jì)準(zhǔn)則GDC2和10 CFR 100附錄A，主要是針對(duì)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)外部事件中的地震事件。抗震分類主要是規(guī)定核動(dòng)力廠的一些物項(xiàng)必須在發(fā)生設(shè)計(jì)基準(zhǔn)地震（安全停堆地震）的情況下保持功能。這些SSC就是通常所說的抗震Ⅰ類物項(xiàng)。安全分級(jí)針對(duì)的是內(nèi)部事件，抗震分類針對(duì)的是外部事件［9］。

“安全相關(guān)”屬于“安全重要”的一個(gè)子集。對(duì)于“安全相關(guān)”所不能完全覆蓋的“安全重要”物項(xiàng)，多年來各國監(jiān)管機(jī)構(gòu)采用了特事特辦的方式提出相應(yīng)的管理要求。在對(duì)非能動(dòng)安全型核電廠審評(píng)過程中，NRC逐漸建立并完善了一套針對(duì)不屬于“安全相關(guān)”但屬于“安全重要”的物項(xiàng)的監(jiān)管方法，即RTNSS。雖然我國的GB/T 17569—2013《壓水堆核電廠物項(xiàng)分級(jí)》要求：“在非安全級(jí)中應(yīng)識(shí)別出有特殊要求的，即NC（S）級(jí)物項(xiàng)”，但并沒有給出如何識(shí)別，以及對(duì)識(shí)別出的NC（S）級(jí)物項(xiàng)提出怎樣的要求［10，11］。

1.2 我國現(xiàn)行法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的規(guī)定

1.2.1 核安全法規(guī)導(dǎo)則

《核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定》5.1節(jié)規(guī)定“核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)還必須提供適當(dāng)?shù)脑Ａ浚诔O(shè)計(jì)基準(zhǔn)自然災(zāi)害事件發(fā)生時(shí)，保護(hù)用于防止早期放射性釋放或大量放射性釋放所需的物項(xiàng)”。6.2節(jié)則提出“在比設(shè)計(jì)基準(zhǔn)自然災(zāi)害（由廠址危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)確定的）更嚴(yán)重水平下仍能夠?qū)崿F(xiàn)傳熱功能”。HAD 102/02《核動(dòng)力廠抗震設(shè)計(jì)與鑒定》3.3節(jié)要求最終熱阱土工構(gòu)筑物在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)地震下能夠抵抗斜坡破壞。

田園滲透——農(nóng)田是村莊最大的綠化資源，五星村村田地平坦廣闊，規(guī)劃將農(nóng)林用地與農(nóng)作物布局結(jié)合進(jìn)行大面積塊狀綠化，打造村莊景觀的“圖底”，使村莊外部的田園風(fēng)光與村莊內(nèi)部景觀融為一體。

1.2.2 國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

GB 50267—1997規(guī)定，核電廠物項(xiàng)分為3類：Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類物項(xiàng)。《核電廠海工構(gòu)筑物設(shè)計(jì)規(guī)范》將海域工程構(gòu)筑物分為安全級(jí)（SC）、非安全級(jí)［NC（S）］和非安全級(jí)（NC）3類。該規(guī)范明確了不同分類中所包含的海工構(gòu)筑物種類，如有重要廠用水的取水明渠防波堤為非安全級(jí)［NC（S）］。NB/T 25046—2015規(guī)定取水構(gòu)筑物直接采用核安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，但取水防波堤則根據(jù)地震情況下是否會(huì)影響重要廠用水的取水安全來確定抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

上述能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)存在對(duì)同樣安全功能的取水構(gòu)筑物設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)定義不一致的情況，如取水防波堤，這需要后續(xù)深入探討。

2 抗震設(shè)計(jì)及安全分析方法

2.1 海工構(gòu)筑物類別及功能

核電廠海域工程取水構(gòu)筑物，包括防波堤、護(hù)岸、隔熱堤、直立墻和取水箱涵（隧洞）等，具有掩護(hù)核電廠安全設(shè)施防御外海波浪、保證冷卻水供應(yīng)等安全功能。

取水構(gòu)筑物根據(jù)核電機(jī)組堆型不同一般分為非能動(dòng)型機(jī)組和能動(dòng)型機(jī)組。對(duì)于非能動(dòng)系列機(jī)型，因最終熱阱設(shè)計(jì)上無重要安全廠用水的用水需求，海域取水工程通常按照常規(guī)民用構(gòu)筑物考慮；對(duì)于能動(dòng)系列機(jī)型，如近年來建造運(yùn)行的華龍一號(hào)機(jī)組，由于采用了能動(dòng)+非能動(dòng)的設(shè)計(jì)，其有重要安全廠用水的需求，根據(jù)核安全導(dǎo)則和相關(guān)規(guī)范的要求，海域取水工程被確定為安全重要物項(xiàng)。例如：漳州核電“華龍一號(hào)”機(jī)組，取水明渠為循環(huán)水系統(tǒng)和重要廠用水系統(tǒng)共用，但兩個(gè)系統(tǒng)的取水量差異很大，6臺(tái)機(jī)組循環(huán)水量約為420 m3/s，而重要廠用水的水量約為10 m3/s，核電廠重要廠用水量僅占總?cè)∷康?%～3%。

2.2 抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

GB 50267—1997規(guī)定，安全級(jí)（SC）物項(xiàng)為Ⅰ類物項(xiàng)，采用運(yùn)行安全地震動(dòng)SL-1和極限安全地震動(dòng)SL-2進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。Ⅱ類物項(xiàng)按照SL-1進(jìn)行設(shè)計(jì)。《核電廠水工設(shè)計(jì)規(guī)范》基于GB 50267—1997規(guī)定，增加SL-2復(fù)核，但驗(yàn)收準(zhǔn)則并不明確。

非安全級(jí)（NC）被定義為非核抗震類，GB 50267—1997規(guī)定按照現(xiàn)行國家抗震規(guī)范對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)復(fù)核。但GB 50267—1997則提出，針對(duì)其中重要的海工構(gòu)筑物，可按當(dāng)?shù)乜拐鸹玖叶忍岣撷穸冗M(jìn)行設(shè)計(jì)，兩者存在區(qū)別。

2.3 抗震安全評(píng)價(jià)

根據(jù)GB 50267—1997規(guī)定，斜坡抗震穩(wěn)定性計(jì)算可依次按滑動(dòng)面法、靜力有限元法和動(dòng)力有限元法進(jìn)行。NB/T 25002—2011則在此基礎(chǔ)上提出：當(dāng)SL-2地震作用下抗震Ⅰ類物項(xiàng)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的安全系數(shù)時(shí)，可通過海工構(gòu)筑物的整體變形量進(jìn)行復(fù)核，從是否影響結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的角度來評(píng)估海工結(jié)構(gòu)安全功能是否正常。

大連理工大學(xué)工程抗震研究所在核電廠海工構(gòu)筑物抗震方面開展了大量研究工作，孔憲京院士和林皋院士［12］提出了對(duì)于重要取排水構(gòu)筑物，應(yīng)聯(lián)合運(yùn)用土工試驗(yàn)、物模試驗(yàn)和數(shù)模分析技術(shù)進(jìn)行抗震安全評(píng)價(jià)。這一評(píng)價(jià)手段更為先進(jìn)、全面和反映實(shí)際。

早期的縱深防御只設(shè)防到設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故，而目前HAF 102—2016中的縱深防御對(duì)“超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故”也有所考慮。

3 案例分析

本文通過對(duì)目前國內(nèi)建設(shè)的AP1000依托項(xiàng)目和華龍一號(hào)示范項(xiàng)目進(jìn)行比較得知：兩者熱阱取排水設(shè)計(jì)理念差異較大，從而導(dǎo)致海域工程抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求差別很大。

3.1 華龍一號(hào)示范項(xiàng)目

根據(jù)NB/T 25046—2015，重要廠用水系統(tǒng)是安全相關(guān)的，海域工程取水導(dǎo)流堤為安全相關(guān)物項(xiàng)。根據(jù)NB/T 25002—2011，含重要廠用水斜坡式防波堤按抗震Ⅱ類物項(xiàng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。而NB/T 25046—2015則規(guī)定，取水明渠要驗(yàn)證在地震情況下不會(huì)影響重要廠用水的系統(tǒng)取水安全，海水可作為事故情況下的最終熱阱。

我國的“華龍一號(hào)”屬三代機(jī)型，其重要廠用水系統(tǒng)有對(duì)極限安全地震震動(dòng)（SL-2）災(zāi)害進(jìn)行防護(hù)的要求。我國已建華龍機(jī)型核電廠循環(huán)冷卻水與重要廠用水均采用海水直流冷卻方案，共用取水明渠取水，抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 華龍一號(hào)堆型取水明渠抗震設(shè)防統(tǒng)計(jì)Table 1 Seisnic design of intake canals for HPR 1000

3.2 AP1000依托項(xiàng)目

AP1000核電機(jī)組采用非能動(dòng)的安全系統(tǒng)。鋼質(zhì)安全殼為傳熱界面，大氣從核島屏蔽廠房頭部進(jìn)入，經(jīng)過廠房底部循環(huán)流動(dòng)后沿鋼質(zhì)安全殼外表面向上運(yùn)動(dòng)，大氣作為核電廠事故情況下的最終熱阱將安全殼內(nèi)部的大量熱量導(dǎo)出。根據(jù)NB/T 25002—2011，對(duì)無重要廠用水泵房外前池防波堤按當(dāng)?shù)乜拐鹪O(shè)防烈度提高一度進(jìn)行設(shè)防，其他區(qū)域防波堤按國家現(xiàn)行的有關(guān)抗震規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。

AP1000核電廠的設(shè)計(jì)，主要從三個(gè)方面進(jìn)行了抗震設(shè)計(jì)改進(jìn)：

（1）APl000抗震分類要求更細(xì)，建立防止地震相互作用準(zhǔn)則；

（2）取消運(yùn)行基準(zhǔn)地震（OBE）在核電廠抗震設(shè)計(jì)中的作用，以SSE作為唯一的設(shè)防基準(zhǔn)，使得抗震設(shè)計(jì)更為合理和經(jīng)濟(jì)；

（3）開展核電抗震裕度分析（SMA）工作，采用HCLFP方法進(jìn)行地震裕度分析，結(jié)果表明APl000電廠具有對(duì)地面運(yùn)動(dòng)峰值加速度為0.5 g地震的抵御能力。

4 結(jié)論及建議

（1）濱海核電廠取水構(gòu)筑物抗震分類主要是基于防洪和取水安全兩方面考慮，在進(jìn)行功能分析時(shí)，應(yīng)采用就高不就低的原則。取水構(gòu)筑物的不同功能、不同取水工藝，以及不同的機(jī)型，都對(duì)抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)有影響。

（2）對(duì)于主要功能為導(dǎo)流、攔沙而不承擔(dān)防洪安全的取水明渠及護(hù)岸，應(yīng)確定其為非安全構(gòu)筑物，可按當(dāng)?shù)卦O(shè)防烈度進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，以提高新一代核電的競爭力。

（3）對(duì)于含有重要廠用水且有防洪功能的取水明渠防波堤，應(yīng)確定其為核安全相關(guān)土工構(gòu)筑物，驗(yàn)證其在SL-2地震工況下的抗震穩(wěn)定性（安全系數(shù)法或地震變形分析方法），抗震穩(wěn)定性和永久變形應(yīng)采用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析論證，必要時(shí)采用振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)驗(yàn)證。

（4）海工構(gòu)筑物應(yīng)適當(dāng)考慮超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)地震影響。考慮到核電廠重要廠用水量占核電廠總水量的份額較小，針對(duì)超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)地震，建議探討基于功能的核電廠防波堤抗震安全評(píng)價(jià)方法。