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橡套电缆核电厂选址的发展历程物流

时间:2019/11/29 14:50:26 编辑:

1、不适用的经验公式

当爱迪生联合电气公司准备在大都市纽约的中心地带建设核电厂的计划传开后,当地民众的反应可想而知,顿时炸开了锅。

作为核能工业的主管和监管部门,美国原子能委员会自然成了矛盾的焦点。原委会内的安全监管人员,更是处在风口浪尖上,简直就成了众矢之的。

各方交锋的核心,都指向那个刚出台不久的核电厂选址法规。

从1940年代到1950年代初期,反应堆都是服务于军事目的,绝大部分建在联邦政府所属的秘密特区里。出于保密的考虑,这些特区无一例外都设置在人迹罕至的地方,要么地处偏远山区,要么置于沙漠腹地,再加上反应堆功率普遍较低,放射性物质的存量不大,基本不用担心对公众的安全影响问题。即使在事故情况下,由于大气的稀释和弥散作用,抵达特区边界外的放射性物质,也构不成重大威胁。

1954年的《原子能法案修正案》通过后,原委会便积极在国内推广核能发电新技术。那些在核能商业开发上跃跃欲试的电力公司,除了要考虑反应堆的安全性外,更关心资本投入产出,也就是核电厂的经济性问题。当时决定核电厂经济性的一个关键因素,就是未来的电力负荷中心的距离。所以,在美国核电的起步阶段,反应堆选址就成了一个绕不开的关键问题。

对于电力公司而言,自然希望核电厂距离电力用户越近越好,这样可以大幅降低输送电成本。对于原委会而言,似乎有点两难了:一方面肩负着推广、促进核能发展的职责,另一方面又承担着保护公众健康和安全的重任。若是审查过于严苛,担心电力公司望而却步,可能会扼杀了核电这个尚处于“襁褓中的婴儿”;若是审查流于形式,万一留下安全隐患的话,将来可能会出大事情。

事实上,如何在必要与过度的监管之间把握好尺度,对原委会始终是个巨大的挑战,也成为各方诟病的主要原因,电力公司经常埋怨他们管得太严,公众则时常怀疑他们和被监管方“穿同一条裤子”,如同一只风箱里的老鼠,两头受气。

自然地,原委会的审查官员一开始希望,仍然沿用原来的禁区隔离的实践,来保证公众的安全。当时的科学家认识到,反应堆的主要危险,来源于灾难性事故情况下大量放射性物质的不可控释放,因此在选择核设施厂址时主要考虑的因素,就是反应堆与附近人口中心的距离。

1950年,原委会发布了《反应堆安全委员会报告摘要》(WASH-3报告),首次公开阐述了反应堆选址的考虑和实践。对于每一个待建的反应堆,从保守的角度出发,均要假定一个最坏的可能事故(Worst Conceivable Accident),一般涉及到燃料的过热或熔化和冷却剂系统的破坏,继而导致堆芯中50%的裂变产物释放到环境中。为了防止此类事故给公众带来危害,原委会在报告中推荐了一个按照反应堆热功率估算禁区半径的经验法则:

这个经验公式的推导逻辑是:假定在一个严重事故情况下,计算得到的禁区半径外的居民受到的辐射剂量估算值应小于3Sv(当时认为的致死剂量的粗略阈值)。

顾名思义,禁区半径R指的是以反应堆为中心,禁止公众居住或进入的半径范围。譬如,按照经验公式,对于一个50MWt的小型核电厂,R=2.77km;对于一个3000MWt的大型核电厂,也就是现在常见的百万千瓦电功率的核电厂,R=27.8km。

对于准备踏入核电门槛的电力公司而言,如果也按照这个经验公式来开展反应堆选址的话,显然是不切实际的。

2、大都会选址政策

如何制定一个基于技术的核电厂选址标准,当时的原委会审查人员,心里其实没有谱。在此之前的大多数反应堆,都建在远离人群的隔离区并由政府负责运行管理,这种情况不能提供多少有价值的参考;第一座真正意义上的核电厂1957年才建成投运,根本谈不上运行经验的反馈,再加上对核技术的认识与理解程度非常有限,使得他们有点无从下手。

所以,原委会的最初打算,是把反应堆选址标准制定的事情搁一搁,先行先试,待积累了必要的核电厂设计、建造、运行和监管经验后,再着手制定标准就水到渠成了。

但是国会和电力公司不答应,敦促尽快出台核电厂选址法规或标准,尤其是各个电力公司,强烈建议核电厂选址尽可能靠近人口聚集区,也就是所谓的“大都会选址政策”。

其实,电力公司提出的大都会选址政策,并不全然是只顾经济利益不顾百姓安全的利令智昏之举,他们认为是有先例的。比如,1952年一个液态钠冷潜艇中能反应堆在诺尔斯原子能实验室兴建,距离纽约州西米尔顿的人口聚集区只有30km。为了响应原委会的担忧,通用电气公司开了一个重要的工程安全措施先河,设计了一个类似今天安全壳功能的气密钢制球体,把反应堆安装于其中。随后,位于芝加哥红门森林附近的阿贡实验室,也把建造的研究堆罩在一个密闭的混凝土建筑里。

希平波特核电厂距离宾夕法尼亚州匹兹堡32km,虽然算得上偏远,但厂址周围生活有不少人群,也不满足上述的经验法则。为此,西屋公司设计了一个安全壳厂房。1955-1956年间,原委会受理了三个大型核电厂的建造申请,它们均位于大城市附近:德累斯登核电厂位于芝加哥西南方56km,印第安纳角核电厂位于纽约北部39km,费米核电厂位于底特律南边40km。为了弥补反应堆距离大城市近的不足,并打消原委会和公众的安全疑虑,三个电厂的反应堆也都设计有安全壳。

印第安纳角核电厂

当时的设计者可能意识到,他们设计的安全壳,作为确保核安全的最后一道实体屏障,后来成为核电厂的标配,其卓越的阻隔放射性物质能力在三里岛事故中得到有力的验证。相反,由于缺乏坚固的安全壳,切尔诺贝利事故则酿成了严重的公众健康和环境后果。当然,这都是后话了。

也就是说,在核电的起步阶段,安全设计和审查专家主要通过距离隔离并辅之于工程安全措施,来达到确保公众安全的目的。后来,工程安全措施,也就是大家所说的专设安全设施,渐渐占据了上风,也就允许反应堆尽可能靠近人口中心区了。

尽管如此,但是原委会一直没有给出具体的标准,来明确反应堆厂址距离与安全壳之间的换算关系。在审查每个核电厂的建造申请时,审查人员都是具体问题具体分析,个人经验和工程判断在其中承担着必不可少的角色。

在各方的呼吁下,原委会在1959年初决定由安全监管司副司长贝克牵头成立一个工作组,着手编制核电厂选址法规。他们设想,至少应在充分考虑厂址周围人口密度、气象、水文、地质、地震等因素的基础上,结合特定堆型所设计的工程安全补偿措施,确定一个隔离区的范围。这个分析评价过程的前提,便是确定一个最大的假想事故及事故后果可以接受的验收准则。

6月,在罗马举行的第六届电子与原子能国际大会与博览会上,参会的贝克第一次公开阐述他的安全思想,“一方面,如果仍像以前那样,假定一个最坏的可能事故,那么除了远离人口中心区数百英里之外,将找不到可以提供充分的公众保护的厂址。另一方面,如果在设计上考虑了能抵御所有可能发生事故的工程安全措施,而且在这些措施不会失效的前提下,那么可以说每一个厂址——即使在人群聚集区——都是满足要求的。很显然,单纯地考虑这两种情况,都是不现实的。作为监管者,需要在这两种极端情况之间做一个折中的处理,也就是假定一个最大可信事故(Maximum Credible Accident)”。

1960年夏天,原委会和安全委员会一致同意用“最大可信事故”替代“最坏可能事故”,作为分析、评价反应堆厂址适宜性的先决条件。因为当时积累的运行经验和未来规划的绝大多数核电厂都是轻水堆,他们决定把轻水堆作为考虑的参照堆型。

由此,确定的反应堆最大可信事故是:一回路冷却剂系统上的主管道出现大破口,甚至完全破口(也就是业内所说的主管道双端剪切断裂),冷却剂完全丧失,引起堆芯冷却剂闪蒸、燃料熔化,继而导致部分裂变产物释放到安全壳大气中。虽然审查人员认为这种最大可信事故在现实中不太可能发生,但出于保守的考虑,仍变成了判断反应堆设计和厂址适宜性的重要因素。

到年底的时候,经过反应堆安全咨询委员会(ACRS)的审查以及工作组的来回修改,贝克牵头编制的法规草案终于得到原委会高层的批准,向各界公开征求意见了。

结果,外界的反应,比他们预想的要严峻得多。

3、反应堆选址准则

在120天的公示期里,原委会一共收到34条正式的修改意见或建议,绝大多数来自于打算进入核电行业的电力公司和反应堆供货商。而且,这些意见大部分是负面的,主要集中在两个方面:一是从目前核电刚刚起步的形势看,以颁发法规的形式规范核电厂的选址,条件还不成熟,应换成发布灵活性更大的导则,来定义厂址可接受性的条件更合适;草案过分强调了反应堆隔离的距离因素,而对事故情况下缓解后果的专设安全设施关注不够。

随后,美国核工业界自发成立了一个工作组,研究具体的修改方案。最后修改定版的法规中,吸纳了核工业界的不少意见,比如法规适用范围仅限于核电厂,对专设安全设施的事故缓解功能给予了更多的考虑,并拿掉了草案中的计算距离因子的实例,以技术文件的形式发布供行业参考。

1962年6月,原委会颁布了联邦法规10 CFR 100《反应堆选址准则》。这个法规定义并明确了核电厂选址中应考虑的三个重要概念,即隔离区、低人口区和人口中心距离,并规定以事故情况下公众受照剂量限值作为确定上述边界的具体依据:

(1)在假定的放射性物质释放(虽然“最大可信事故”一词在法规中没有正式出现,但其内涵是一致的)情况下,位于隔离区边界上的个人,在事故发生2小时内所遭受的全身剂量不超过250mSv、甲状腺剂量不超过3Sv。

(2)位于低人口区外边界上的个人,在整个事故期间(通常以30天计算),所遭受的全身剂量不超过250mSv、甲状腺剂量不超过3Sv。

(3)厂址附近的人口中心距离,至少应是低人口区外边界的1.33倍。若涉及到大城市,这个距离须更大些。

在原委会于同年发布的技术文件《动力和试验堆厂址距离因素的计算》(TID-14844报告)中,详细描述了反应堆与上述三个边界的关系及计算依据。

隔离区、低人口区和人口中心的关系示意图

自此以后,原委会及反应堆安全咨询委员会在审查每个反应堆建造申请时,都要求申请者回答两个问题:最大可信事故是什么?它的后果是什么?正是建立在最大可信事故的基础上,审查人员评估每一个厂址的适宜性和反应堆设计中专设安全设施措施的有效性,才使得美国很多核电厂建在大都市附近的申请得以通过。

就在选址法规颁布当年的12月10日,作为当时最大电力公用企业的爱迪生联合公司便提出,在纽约皇后区的东河旁建造一座大型核电厂,规划两台压水堆,电功率均为1000MW,并正式向原委会申请建造许可证。核电厂所在地雷文伍德,距离闻名遐迩的中央公园和联合国大楼都只有不到1.5英里,当时的估计,核电厂方圆1.5英里范围内的人口,白天和晚上分别超过28000人和19000人,方圆5英里则为550万和300万人口。

1962年纽约雷文伍德核电厂规划厂址

可想而知,爱迪生联合公司的计划在当地掀起了轩然大波,简直吓坏了当地居民。在向原委会提交的安全评价报告中,爱迪生联合公司强调,反应堆设计有双层安全壳,即使在最坏的可能事故情况下,安全壳也不会破坏,放射性物质不会释放到环境中,仍然满足选址法规中的剂量验收准则。

不过,这个计划实在大胆,审查人员对安全壳的绝对可靠性持怀疑态度,民众更是坚决不相信。为此,国会在1963年举行了几次听证会,对电力公司进行公开质询。迫于各方反对,爱迪生联合公司自忖通过审查的可能性非常渺茫,便于1964年1月主动撤销了建造申请。

正如贝克和他的同事们在后来所承认的那样,“核电厂选址法规的颁布,并没有消除在选址过程中继续依赖工业界和监管部门主观判断的需要”。但是,这个法规的颁布实施,可以视为原委会在促进核电发展的同时,为保护公众安全与健康而进行的监管法制化的积极探索。虽不完美,但意义重大。

事实上,即使在今天,我们也很难对“最大可信事故”下一个准确的定义,因为大家对于事故发生“可信”还是“不可信”,从来见仁见智。显然,最大可信事故不可能涵盖所有可能的事故;“可信”一词似乎也含有概率的意思,但在确定什么是可信事故这个问题上,专家判断和工程经验始终起主导作用。譬如,对于反应堆的关键设备压力容器是否会破裂以及应否被选为可信事故,以1960年代中期为分水岭,核工业界曾出现过不同的认识和争论。

很快,“最大可信事故”便被一个叫“设计基准事故(Design Basis Accident)”的概念所取代,并在1970年代末定型,后来成为反应堆安全分析领域使用最为频繁的专业名词之一。

而设计基准事故及其背后的方法论,带给反应堆安全的影响,则更为重大、深远。

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