海上條件下浮式核電廠耐火性能分析

王 威

海上條件下浮式核電廠耐火性能分析

王 威

（生態環境部核與輻射安全中心反應堆與安全分析部，北京 102445）

在我國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要中有一段關于推動海上浮動式核動力平臺等先進堆型示范的表述。近年來在“雙碳”目標指引下，各個央企集團瞄準浮式核電廠，各自不同程度地完成了一些技術研發工作。本文結合使用造船行業和核電行業不同耐火標準的浮式核電廠項目在國家核安全審查中遇到如何選擇的棘手問題，通過進行對比分析，得出在實現基本核安全功能的基礎上，尤其是滿足防火區的耐火極限后，可在浮動式核電廠項目中采用造船業耐火標準的結論。

海上條件；浮式核電廠；不燃；耐火性能

浮式核電廠是指船舶作為載體，反應堆作為能量來源。該船的核設施預計將在不同的海域運行，并為島嶼、海上石油和天然氣鉆井平臺或其他能源密集型項目提供能源、熱量和淡水。它不僅可以在指定的海域長時間工作，還可以根據需要移動到其他海域。它可以是自行式或固定式。

根據“十四五”規劃，中國主要的中央企業和集團正在尋求支持浮式核電廠的研發工作，并尋求用自己的海上核電廠技術填補海上應用領域的空白。促進科學技術自給自足、自主進步和自主知識產權技術的應用。

浮式核電廠項目需要多個主管部門許可，其中最重要的是“船舶”和“核設施”兩個監管機構。兼顧到造船和核電兩個行業特點。

該項目迫切需要多方予以有效支持。

在耐火性方面，由于不同行業的關注程度不同，對建筑構件、配件或結構的穩定性、完整性和隔熱能力有不同的要求，以滿足一定時期內標準耐火試驗的要求。

為了促進浮式核電廠項目的順利發展，有必要對其耐火性能進行對比分析，并得出一定的結論。

1 造船行業

不燃材料[1]指的是當加熱至約750 ℃時，既不燃燒也不產生足量的易燃蒸氣導致自燃的材料。除不燃材料以外的任何材料被定義為“可燃材料”[2]。僅把材料分為不燃材料和可燃材料。此外，在造船業中，不燃材料在參考文獻［3］中也被視為僅由玻璃、混凝土、陶瓷、天然石材、砌體以及普通金屬和合金材料制成的產品。它們可在船舶上使用，無需測試和批準。

1.1 不燃材料耐火試驗

對于不燃材料，應驗證ISO1182《產品的阻燃防火測試-不燃測試》中規定的耐火試驗程序。此外，該標準附錄A中的“評估標準”也被替換為滿足以下要求：爐內熱電偶的平均溫升不得超過30 ℃，試樣表面熱電偶的平均溫升不得超過30 ℃，平均連續燃燒時間不得超過10 s，試件的平均重量損失不得超過50%。

1.2 A類、B類和H類耐火試驗

在海上移動式油氣平臺的防火防爆領域，規定了對A類、B類和H類三種標準耐火試驗的要求：

A、B類適用于《國際耐火試驗程序應用規范》（以下簡稱“耐火試驗規則”）中規定的A類和B類耐火試驗。它是指將相關艙壁或甲板放置在試驗爐中，并根據“耐火試驗規則”規定的試驗方法加熱至標準溫度-時間曲線的試驗[4]。

H類指ISO834規定的H級耐火試驗。

A 類分隔和B 類分隔是由鋼或其他等效材料制成并配有適當的防撓加強構造，其結構可在規定的標準耐火試驗時間范圍內防止煙霧和火焰通過，并應使用經批準的不燃材料進行隔熱，使分隔體背面不同對應時間的平均溫度與原始溫度相比不超過相應的溫升限值，同時，包括接縫在內的任何點的溫度不得超過與原始溫度相比的相應溫升限值。對于B類分隔，無需使用鋼或其他等效材料制造成的撓性鋼筋。防火間距的具體參數見表1 “A類、B類和H類耐火性能參數”。

表1 A類、B類和H類耐火性能參數

注：①關注不同的對應參數值。

為了保持船舶的結構完整性[5]，應防止由于過熱引起的強度降低而損壞部分或全部船舶結構。要求船舶結構中使用的材料不得因火災而削弱結構完整性。對于船體材料、上部結構（船上）、結構艙壁、甲板，存在與完整性和隔熱標準相對應的適用火災暴露時間。

從上面可以看出，造船業的耐火性主要集中在完整性和隔熱性的要求上。

2 核電

我們知道：通常，阻燃性[6]是指材料可以減緩點火或抑制、減緩或終止火焰傳播的特性。除阻燃性外，它還有難燃性、可燃性和易燃性三種特性區別。難燃性是指材料在規定的試驗條件下難以進行有焰燃燒的特性。可燃性是指材料在規定的試驗條件下可以點燃并持續燃燒的特性。易燃性是指材料在規定的試驗條件下產生持續有焰燃燒的能力。阻燃性[7]表示物體能夠熄滅、減少或顯著阻止某些材料燃燒的特性。

也許出于安全包絡的考慮，核工業約定俗成的是假設核電廠的任何地方都可以發生火災。

2.1 耐火性

過去，由于從許多國家引進核電廠，中國依靠的是進口國的技術。耐火性也有不同的特性表述。隨著“華龍1號”多臺機組的投產，耐火性能逐漸主要按照中國國家標準和行業標準進行分類。

關于建筑材料和產品，燃燒類別[8]分為A類、B1類、B2類和B3類，即：不燃材料（產品）、難燃材料（產品）、可燃材料（產品）、易燃材料（產品）。建筑材料可分為平板、鋪路材料和管狀保溫材料；建筑產品亦可分為窗簾、電線電纜、電器家具、泡沫家具和軟硬家具。其中的每個類別都有自己對應的測試方法和分類標準。

為了盡可能減少火災負荷，從而將火災風險降至最低，在核電廠中要求在設備設計中盡可能考慮使用不燃材料（如建筑材料、絕緣材料、飾面材料、涂料、地板材料）和難燃的固體設備，由不燃材料和難燃腳手架制成的不燃型空氣過濾器和框架、開關和斷路器。

與其他行業不同，核電更注重火災危險分析（亦稱火災危害性分析工作[9]）的效率與結果。

2.2 火災危害性分析

火災危害性分析工作[10]重點關注防火區域內的虛假火災和火災后形成的著火區域，并進一步驗證火災不會影響對核安全尤其是基本安全目標——核反應性控制、處理余熱和控制放射性物質外泄，并有能力通過分析其對重要核安全物項的潛在影響來監測核電廠的狀態。內容包括防火屏障尤其是防火區邊界處是否具備可靠的耐火極限時間，是否具備足夠的火災自動探測報警系統和足夠數量和能力的滅火系統等內容。

對于火災危害性分析工作，目前主要采用了以下三種方法：

（1） DS144/ISO834曲線法。主要應用于國內二代改進型核電廠的火災危害性分析工作，基于RCC-I 1997版1.16.2節的DS144/ISO834溫升曲線，其中關鍵是對防火區圍護結構耐火極限的分析與評估。

（2）火災等效持續時間法。應用于第三代自主化依托項目（AP1000）三門核電廠和海陽核電廠的火災危害性分析工作，該項目的分析技術來自西屋公司，消防設計符合美國聯邦法規10 CFR 50的50.48節“防火”和BTP CMEB 9.5-1《核電廠防火指南》和一系列美國消防協會（NFPA）的標準。

（3） EPRESSI方法。應用于EPR臺山核電廠的火災危害性分析工作，其技術來自法國電力公司（EDF），防火設計符合《歐洲先進壓水式核反應堆防火技術標準》（ETC-F）。它基于RCC-I和最新防火技術發展成果，對于墻壁和樓板的耐火性能要求，建議采用EPRESSI方法。

以“華龍一號”為例，見表2“防火分區邊界耐火性能要求”。我們看到了結構、門和貫穿件在承載能力、完整性、隔熱性、隔煙性能和控制響應方面的要求。

因為浮式核電廠是中國第一個民用海上船核綜合體項目，如果在民用技術路線上采用軍用技術，則將是軍用技術第一次民用。在國家核安全審查過程中涉及了與之相關的規范，包括鋼質海船、核動力驅動浮式裝置、海上浮式裝置以及核商船，并結合了《國際消防安全體系規則》和《國際海上人命安全公約》的規定。浮式核電廠項目的后續設計措施應借鑒某些陸上核電廠的豐富實踐經驗。只有這樣，我們才能在實踐中不斷豐富和完善。

表2 防火分區邊界耐火性能要求

注：①即側重于不同邊界參數。

②表示承載能力。120表示在120 min內仍然具有一定承載能力。

③表示完整性。

④表示隔/絕熱性。120指經120 min后仍然保持該結構的完整性和隔/絕熱性。

⑤表示煙霧泄漏指數。

⑥表示具備自動關閉功能。

從表2可以看出，核電工程中對承載能力、完整性和耐火隔熱性等方面的關注至關重要。

在最重要的國際海上船舶安全公約《國際海上人命安全公約》（2014年綜合文本）中，國際海事組織對配備核反應堆的船舶（以下簡稱“核船舶”）有以下規定：設計標準，核反應堆設施的檢查和組裝應得到主管當局的認可，并應考慮因存在輻射而對檢查進行限制，以使主管當局滿意。核反應堆設備的設計應考慮船舶在正常和特定航行條件下的特定運行條件。此外，應主管當局要求——采取措施，編制安全評估文件，以評估核電廠的性能和船舶的安全，確保船員、乘客或公眾、水道或食物或水源不會在海上或港口受到不適當的輻射或核能的其他危害。同時證書還應不斷更新。如果涉及中國以外的締約國水域，安全評估應在適當足夠時間之前提交給該船舶將駛往的締約國政府，以方便該締約國政府評估核動力船舶的安全。

可以看出，即使作為核船舶，該核設施仍然需要核設施監管機構的批準。

3 結論

由于海況下船舶的結構及結構形式與陸地上建（構）筑物結構及結構形式的建造完全不同，因此在船舶領域沒有陸地建筑領域中明確的主體結構概念。若要求其滿足受力結構構件不同側面各個方向60 min或120 min的結構穩定性要求，目前則不具備實驗條件。

結合核安全一直關注的核心——基本核安全功能的實現和耐火極限時間的要求，若經后續工作予以分析驗證，可以得出船舶受力結構能夠滿足上述要求的結論。結合先進造船工藝和工程實踐所形成的相關消防標準，可考慮予以固化認可。

［1］ 中國船級社. 海上浮式裝置入級規范［S］. 北京：2020：4-6.

［2］ 中國人民解放軍總裝備部. 艦船消防要求：GJB 868A—2011［S］. 北京：2011：1-2.

［3］ 中國船級社. 海上移動平臺入級規范［S］. 2020：31.

［4］ 國際海事組織. 國際耐火試驗程序應用規則（FTP規則）：［S］. 2001：31.

［5］ 國際海事組織. 國際海上人命安全公約（2014綜合文本）［M］. 北京：人民交通出版社，2015.

［6］ 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局/中國國家標準化管理委員會. 消防詞匯第1部分：通用術語：GB/T 5907.1—2014［S］. 北京：中國標準出版社，2014：5，20.

［7］ 國家市場監督管理總局/國家標準化管理委員會. 核電廠防火設計規范：GB/T 22158—2021［S］. 北京：中國標準出版社，2021：1-41，20.

［8］ 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局/中國國家標準化管理委員會. 建筑材料及制品燃燒性能分級：GB 8624—2012［S］. 北京：中國計劃出版社，2012：3-8.

［9］ 國家核安全局. 核動力廠防火與防爆設計［EB/OL］. https://www.mee.gov.cn/xxgk2018/xxgk/xxgk09/202001/W020200320467594590852.pdf，2019.

［10］國家市場監督管理總局/國家標準化管理委員會. 核動力廠火災危害性分析指南：GB/T 40620—2021［S］. 北京：中國標準出版社，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，陜西華陰人，高級工程師，碩士，現從事核設施安全審評工作，側重于通風防火領域研究