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让核电站的安全壳坚不可摧
◎本刊主笔 季天也
作为大型工业设施,核电站同样离不开土建工程盖起来的厂房、操作间等建筑设施.然而,核电站厂房住的是一类特殊“居民”——极其“高能”的核反应堆.要让它安安稳稳、兢兢业业地工作,和它配套的房子势必得在舒适性、可靠性和安全性上狠下功夫.2016年5月22日,中国核学会核安全分会专门在北京成立了“核设施建构筑物安全专业委员会”,以便解决该领域的技术问题.和普通工业建筑相比,反应堆“住”的房子有什么特别之处？
“核岛”的安全最重要
读来有点拗口的“核设施建构筑物安全专业委员会”的日常工作,主要由环保部核与辐射安全中心的下属土建机构承担.该委员会吸纳了业内外22家理事单位的专家,搭建起一个核工程建构筑物领域科技工作者的交流平台,开展学术交流,解决我国核设施建构筑物的安全问题.
核电站的厂房建筑,分为“核岛”“常规岛”“BOP（生活、办公和电站辅助设施）”三大区域.核岛容纳的是核电站的核心设备,常规岛则使用核岛所提供的蒸汽发电.
核岛和常规岛的两股冷却水之间只能换热,不能互相接触,避免了放射性进入常规岛系统,这叫作“工质隔离”.具有“核电站心脏”之称的核岛,才是真正享受“特供房”待遇的主体,而常规岛和BOP的各类设施与放射性不沾边,对建构筑物的安全要求相对低一些.
核岛的建构筑物主要包括：反应堆厂房（安全壳）、核燃料厂房、排气烟囱、电气厂房和应急柴油发电机房等,所有与核安全有关的厂房都布置在核岛内.核岛是整个核电站的核心,而安全壳则是核岛的核心.
安全壳的墙有一米厚
作为核电站的标志性建筑物,反应堆厂房“安全壳”里面,住着以反应堆为首的许多涉核设施.“安全壳”是由钢筋混凝土筑成的半球形屋顶的圆柱体建筑物.别看主体依然是水泥做的,安全壳所要承担的责任和压力却是普通建筑物不可比拟的.以当今主流的压水式反应堆为例,安全壳的直径约40 ～ 50米,高约60米,混凝土墙的厚度可达1米,还有6毫米厚的不锈钢内衬确保整体密封性,活脱一个大号水泥罐.这样的“体格”和防御能力是常规建筑物比不了的.这也是核电站中最与众不同的建筑物.
《环境与生活》杂志2016年7月号的《“事故容错燃料”让核安全升级》一文提到,当反应堆停止运行后,核燃料源源不断产生的“衰变热”仍然需要持续冷却.不然,反应堆核芯（下简称堆芯）就会越来越热,使反应堆内部压力开始上升,生成易燃易爆的氢气.因此按照设计,安全壳往往能耐500多千帕（相当于标准大气压5倍）的内部气压,以免被这些疯狂的气体撑爆；同时也必须能扛住地震、海啸、飓风、满载商用飞机的坠落等各种天灾人祸,它是反应堆用来防止放射性物质泄漏的最厚也是最后的一道安全屏障.
1979年美国的三里岛核事故,是人类核电史上第一起严重的核事故.工作人员的操作和判断失误造成了2号机组堆芯迅速熔毁,放射性物质短时间内接连突破了前两道防线（燃料包壳和一回路压力边界）.但是安全壳还健在,惨烈的蒸汽爆炸和氢气爆炸没有发生,也没有让主要的放射性物质逃过安全壳的屏蔽.当然,为了给反应堆泄压,工作人员主动让一部分带有放射性的蒸汽排向环境中,造成了局部环境放射性超标、工作人员受照剂量超标,但是没有人员伤亡,没有民众撤离,就连隔壁的1号机组也没遭池鱼之殃.
正是由于安全壳主体完好,才使三里岛核事故在国际核事件分级中被列为5级,而没有发展到后来的切尔诺贝利和福岛那样的7级核事故（最严重的一级）.后两起事故中,福岛第一核电站的安全壳被氢气爆炸肢解,切尔诺贝利核电站则压根没有安全壳这个结构.要知道,每一级核事故之间的严重程度,都相差约10倍.
设计防范大飞机冲撞
对于来自大飞机的冲撞,核电站历来是设防的,我国也不例外.当然,过去的考虑主要基于飞机失事.而美国“9·11”事件后,许多国家的核电供货商在新一代核电站的开发中,已将防范大型飞机恶意撞击纳入设计考虑.美国西屋公司的一个重要改进,就是将安全壳外层构筑物由钢筋混凝土改为钢板混凝土,即把水泥包裹在钢板内部而不是埋置钢筋,以防飞机撞击使水泥迸裂.
不过,作为一种新型建筑结构,当时钢板混凝土的工程实践还很少,在美国也没有形成工业规范.所以,美国核管会对这种结构提出了质疑,并宣布不接受该结构.于是,我国三门和海阳两个采用西屋公司第三代机组AP1000的在建核电项目,仍然采用钢筋混凝土结构的屏蔽构筑物.在后续AP1000项目以及随后我国自主开发的华龙1号、CAP1400核电项目中,抵挡大型飞机恶意撞击的设计已经得到实现.
柴油发电机要“高高在上”
除了安全壳,也别忘了应急柴油发电机厂房的重要性.倘若核电站因故断电,驱动冷却水循环的主泵就失去了动力,此时需柴油发电机介入,让冷却系统、控制棒等关键环节持续运转,就能避免堆芯熔毁、蒸汽/氢气爆炸、放射性物质泄漏等一系列后续危险的发生.
由于柴油发电机和它的厂房在核电站中的角色很关键,所以就不能以常规的安全标准来建了.每台核电机组都设有不止一台柴油发电机组,互为备用,而且每台柴油发电机组及其相关的设备,都分别设置在独立的厂房内,任何一台停机进行维护或检修时,不影响其他机组的运行,关键时刻不掉链子.核电站正常运行工况下,柴油发电机组虽然不用,但也处在热备用（合闸即可送电）状态下,以备突发情况随时供电.另外,为了防御海啸,沿海核电站内的柴油发电机往往都“住”在明显高于当地可控水位的地方,进排风口设在厂房约9米高（距厂房底部距离,而非海拔高度）的位置.
然而,反例也不是没有,比如日本福岛第一核电站就败给了超出预期的海啸高度,结果应急柴油发电机没工作多久就“溺水而亡”,是造成这起七级核事故的重要节点之一.
三代核电站应急冷却不用电
2011年3月,由于强震的袭击,日本福岛第一核电站全厂断电.这时候,厂内的应急柴油发电机自动启动,为机组关键设备供电.按照设计,应急柴油发电机可以支撑很长时间,原本足以在工作人员采取应急措施之前“hold住”衰变热.
然而,地震发生后几十分钟,海啸来了.据当时日本气象和海事部门的测算,当时正面扑向福岛第一核电站高达15米,而海啸防坡堤只修了5.7米.于是,柴油发电机被海啸淹没.
而未来主流的第三代核电站,压根就不想再依赖电来冷却反应堆.这一代核电站改良了建构筑物的设计：在反应堆上方放一些水箱,如果遭遇全厂断电,水箱阀门就会打开,使水在重力作用向反应堆来实现堆芯冷却.这种设计称为“非能动余热冷却系统”,不需要任何外界干预,只需利用重力和压力差就能维持72小时的冷却效果,给工程人员腾出时间来处理事故.这是第三代核电站的重大突破和卖点.如此一来,反应堆余热的冷却就告别了对电能的依赖,不仅安全性大大提升,还减少了电机和水泵的数量,省去了一些冗余的建构筑物,经济性也大大提高了.福岛核事故的教训,进一步凸显了推广第三代核电站的重要性.
按最大震级设计抗震性能
抗震能力自然也是核电站设计的必修课.核电站的建筑共分为抗震Ⅰ类、抗震Ⅱ类和非抗震类3个级别（详见“环境百科”栏目）.核电站在前期选址阶段就要对地质条件及地震的概率和强度做严格评估,避开地震带,符合标准才能开建.之后“入驻”的厂房和设备,会以这里可能发生的最大地震为基准,对建构筑物进行抗震设计,这叫“安全停堆地震（SSE）”.它通常取当地历史上发生过的最大地震,再加上一定的安全裕量得出,保证在这个震级之内足以正常关停反应堆,以免引发险情.第三代核电站建构筑物的抗震能力,也比当下主流的第二代或第二代改进型核电站明显加强.
作为大型核设施,核电站的安全关乎环境和人的生命健康,核电站的建筑和部件大到安全壳墙体,小到一节不足拇指大小的燃料芯块,都享受着细致周到的特殊呵护,同时也受到严苛的技术约束.只有这样,才能造就高效满足用电需求的清洁能源.
本栏目责编/ 季天也jtyair2013@vip.163.com
【环境百科】
核电站抗震类别根据国标《核电厂抗震设计规范》等文件资料,核电站建构筑物的抗震设计共分为抗震Ⅰ类、抗震Ⅱ类和非抗震类3个类别.
抗震Ⅰ类：要求建构筑物、系统和设备在安全停堆地震发生时结构完好,同时还能保持特定的安全功能.最典型的建筑物就是安全壳、柴油发电机房等.
抗震Ⅱ类：建构筑物、系统和设备的设计和实体布置,在安全停堆地震时只需自身完好,同时不损害Ⅰ类建构筑物成员的完整性和安全性.
放射性废物厂房是这类建筑的代表.
非抗震类：即其他非安全相关的物项,只需要满足常规建筑的抗震规范即可,这样的设备主要集中在常规岛和BOP区域. （田野/整理）
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