海上浮動核電平臺新燃料運輸方式研究

胡雨濛　孫福江　張曉輝　徐濤

【摘 要】海上浮動核電平臺是一種新型海上能源保障平臺，采用海上更換核燃料的方式，實現對用戶不間斷能源供應。新燃料運輸是海上浮動核電平臺運行過程中重要的環節，是海上換料的流程之一。在國內外現有的新燃料運輸方式的基礎上，通過分析海上浮動核電平臺新燃料運輸的特點，將其新燃料運輸分為三個階段，并從運輸實踐、運輸風險和運輸成本等方面出發，分別對各個階段的不同運輸方式進行了對比，提出了合理的運輸方式建議。

【關鍵詞】浮動式核電站；新燃料運輸；運輸方式

中圖分類號： TM623 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）29-0005-003

【Abstract】Marine Floating Nuclear Power Platform is a new model of power ensurence platform on the sea， which adopts refueling on the sea， and can realize the energy supplication to customers continuously. New fuel transportation is an important part during the operation of Marine Floating Nuclear Power Platform， and it is a part of refueling on the sea. At the foundation of present new fuel transportation method at home and abroad， and through analyzing the characters of new fuel transportation of Marine Floating Nuclear Power Platform， its new fuel transportation is divided to three stages. Based on transportation practices， transportation risks and transportation costs， different transportation methods during each stage are compared， and an appropriate transportation method is proposed.

【Key words】Floating nuclear power plant； New fuel transportation； Transportation method

0 引言

隨著人們對核能技術利用的不斷發展，小型反應堆技術由于其建造方案靈活性、適用范圍多樣性及成本造價低廉性等諸多優勢，逐漸成為各大國家的研究熱點。海上浮動核電平臺是一種新型海上能源保障平臺，是小型反應堆與船舶工程的有機結合體。它可以給偏遠地區、海島、石油鉆井平臺等提供電力和熱水等能源，且受地震和海嘯的影響很小，對海洋資源開發具有重要意義。海上浮動核電平臺搭載有兩座反應堆，采用海上輪流更換核燃料的方式，從而可以實現不間斷能源供應。

海上浮動核電平臺的換料周期約為1.5年，換料流程通常包括：新燃料運輸及接收，堆芯裝卸料操作，乏燃料貯存及外運。經過近十年的海上運行后，海上浮動核電平臺需要返回碼頭進行中修，并將貯存在乏燃料水池中的乏燃料外運。若將海上運行期間所需的新燃料組件全部提前貯存在海上浮動核電平臺上，會造成前期投入成本過高、空間需求大等問題。因此，較合理的方式為每次換料前將一個周期所需的新燃料運至海上浮動核電平臺內貯存，換料時再裝入反應堆堆芯中。

新燃料運輸是換料流程中必不可少的一環，具有作業工期長、作業環境復雜多變等特點。本文在國內外現有新燃料運輸方式的基礎上，結合海上浮動核電平臺的特點，分析其可采用的新燃料運輸方式。

1 新燃料運輸基本情況分析

1.1 法律法規對新燃料運輸的要求

為了保障放射性物質運輸的安全性，國際原子能機構（IAEA）和我國均對放射性物質的運輸做出了嚴格規定。未經輻照的新燃料不具有放射性，但它是易裂變物質，根據放射性物品分類原則，屬于一類放射性物品，需要裝在專門的新燃料運輸容器中進行運輸。根據《放射性物品運輸安全管理條例》和《放射性物質安全運輸規程》的要求，該類貨包為A型易裂變物質貨包，運輸等級為Ⅱ級（黃），臨界安全指數0。貨包本身有極高的技術要求，設計時需要考慮運輸中預計可能發生的各種事故條件（包括翻車跌落、火燒、與其它剛性貫穿件穿刺以及落入江河海等極端惡劣條件等），從而避免在運輸過程中發生預計的事故時造成放射性泄漏和污染。

新燃料運輸容器的嚴格設計要求降低了對交通運輸工具的安全性要求，但盡管概率極低，嚴重的事故仍可能導致發生超設計基準事故，影響新燃料臨界安全，造成不可接受的輻射后果。而一旦發生這類事故，社會影響較大，應急救援也相對困難。此外，為保證新燃料入堆后反應堆的運行安全，運輸過程中也應確保新燃料結構的完好性，防止貨包所受加速度超過閾值。因此，交通運輸方式的安全性仍是需要重點關注的內容。

1.2 海上浮動核電平臺新燃料運輸過程劃分

我國核燃料組件的運輸已有二十多年歷史，主要是通過鐵路和公路將新燃料組件由內陸的燃料制造廠運往沿海的核電站。到2012年已達每年運輸的新燃料組件上千組，年運輸里程上萬公里。與陸上核電站核燃料運輸最大的區別在于，海上浮動核電平臺位于海上，無法通過鐵路和公路直接到達。

因此，對于海上浮動核電平臺新燃料運輸的過程，可將其分為三個主要階段：第一階段為新燃料組件由燃料制造廠運往轉運碼頭，即陸上運輸；第二階段為新燃料組件由轉運碼頭運至海上浮動核電平臺，即海上運輸；第三階段為新燃料組件到達海上浮動核電平臺后由接收點運至新燃料貯存間，即平臺內部運輸。陸上運輸階段可參考陸上核電站的成熟經驗，而核燃料在海上運輸雖然已有實例，但均為船舶由從出發港口運往目的港口，尚無運至浮動式平臺的案例。與港口轉運相比，海上轉運無疑具有更大的難度。第三階段由于不涉及公用道路或鐵路運輸，不屬于《條例》和《規程》的監管范圍，可參照核安全導則（HAD）和核動力廠設計安全規定（HAF）中的相關要求進行考慮。各階段之間通過接收和轉運銜接，不同的運輸方式所采用的接收和轉運方式也不相同。endprint

2 運輸方式的比較和選擇

海上浮動核電平臺新燃料運輸時應采用滿足國家規定的運輸容器，一次換料所需的新燃料組件分裝成多個貨包運輸，貨包具備通過標準卡車、鐵路、飛機和輪船堆垛和運輸的能力。

新燃料的運輸不光涉及放射性物質運輸的安全性，還關系到海上浮動核電平臺的經濟效益。新燃料運輸時路程遠，貨包數量多、尺寸大，且運輸次數頻繁，因此在比較不同的運輸方式時，應綜合考慮運輸實踐、運輸風險和運輸成本等方面的內容，確定合理的運輸方式。

2.1 陸上運輸

核燃料陸上運輸可分為公路運輸、鐵路運輸兩種形式。新燃料貨包通常裝載在集裝箱內實現批量運輸，如國內CPR1000核電站所使用的裝載AFA3G新燃料的貨包4個一組，分上下兩層疊放于一個集裝箱內，貨包與貨包之間、貨包與集裝箱之間均使用減震木塊隔離。集裝箱可以與公路運輸車輛或火車車廂底部固定，也便于各種運輸方式的換裝。

公路運輸通常采用牽引車+掛車的形式。牽引車應具有較大的牽引功率和扭矩，良好的安全性能及爬坡能力，常見的重型牽引車有德國奔馳、沃爾沃、東風天龍等。大件運輸中最常用的掛車為液壓平板車，如尼古拉斯全液壓平板車組和索埃勒液壓平板掛車等，這類平板車具有全輪轉向、可升降等特點，轉彎半徑小、承載能力強、運輸平穩[1]。公路運輸靈活性高，不需要反復裝卸搬運，但它的不足之處在于不適宜大批量運輸，且經濟半徑一般在200公里以內，因此主要是作為其他運輸方式的銜接手段。從燃料制造廠至轉運碼頭路程長達1100多公里，若全程采用公路運輸，經濟性較差，且耗時較長。

核燃料鐵路運輸時通常采用平車裝運，專列直達。這種運輸方式耗時短、運量大、運輸成本低。此外，鐵路運輸勻速和平穩較有保障，且事故發生的概率低于公路運輸。據統計，1955-1985年期間，我國核工業系統經公路和鐵路運輸共發生22起放射性物質運輸事故，其中公路運輸的單位貨包裝運事故率為3.78×10-6起/件，鐵路運輸的單位貨包裝運事故率則為1.46×10-6起/件[2]。除非是嚴重出軌事故，一般的火車事故很少會引發著火和對載貨造成明顯損壞。鐵路的缺點在于較難實現“門對門”運輸，若燃料制造廠或核電站無廠內專用鐵軌，還需要通過汽車轉運。而裝卸次數越多，貨損率也越高。

目前，鐵路-公路聯運已成為我國新燃料運輸的主要方式，即先采用鐵路運輸方式將新燃料由制造廠的專線運至離核電站較近的中轉換裝站，再以公路運輸到廠址。目前陽江核電站、田灣核電站都采用此種模式。該模式充分利用了鐵路運輸和公路運輸的優點，兩種運輸方式互為補充，預計未來會有更多的核電站采用這種運輸模式。

海上浮動核電平臺的新燃料陸上運輸需要結合實際路況進行選擇。燃料制造廠設有鐵路專用線，且至海上浮動核電平臺專用碼頭有直達列車，建議優先采用鐵路運輸，以公路運輸為補充，且應盡量減少中轉次數。在具體運輸路線選擇時，還應考慮運輸距離、道路通行能力、對沿途公眾的影響、應急救援等方面，兼顧運輸的安全性和經濟性。

2.2 海上運輸

海上浮動核電平臺的系泊點靠近海岸線，可利用補給船將新燃料運至平臺。此外，由于海上浮動核電平臺設有直升機停機坪，也可將使用直升機空運新燃料列為初步考慮方案。

船舶運輸是一種運量大、成本低的傳統運輸方式，也是運輸危險貨物的主要方式。根據SOLAS公約，運送第7類危險品——放射性物品的船舶應符合INF規則，不同類型INF船舶應滿足不同的設計要求。國內外已有核燃料海上船舶運輸的案例，主要是遠洋跨界運輸，如新燃料的進出口。1999年由歐洲運往日本的MOX新燃料運輸船采用了按國際海事機構安全標準中“INF3級”最高水平設計的、不會發生沉沒事故的船只[3]。該運輸船采用了雙層船殼結構，出現事故的概率極低，新燃料運輸物沉沒的概率更是非常之小。2015年2月10日，海南昌江核電站1號機組首爐125組燃料組件、126組相關組件從廣東湛江港口出發，通過汽車滾裝渡海的方式，歷時90分鐘跨過瓊州海峽抵達?？诟劭冢㈨樌\抵昌江核電站燃料廠房，這是我國首次實現國內核燃料組件跨海運輸。該汽車輪渡采用的永華輪是海南省唯一一條具有運輸危險貨物資質的船舶，可在蒲式風力7級及以下航行，最大航速14km，載貨量807t。據有關分析，由于該船的速度較小且碰撞非剛性，即使是最嚴重的撞擊事故，也不會對貨包產生明顯影響[4]。

近年來，海上直升機運輸服務市場迅速發展，尤其是中型和重型直升機在海洋油氣勘察領域獲得越來越多的應用[5]。直升機的最大平飛速度可達400km/h，適合對時間要求高的貨物運輸。但與船舶運輸相比，存在單次運量有限（中型和重型直升機的載重量在5t到20t之間）、受天氣影響大、運輸費用高等缺點，且由于運輸距離較短，直升機運輸速度快的優點難以充分發揮。同時，由于目前對運輸貨包沖擊的仿真計算及試驗是按《規程》中規定的9m自由下落進行的，而直升機具有高空墜落的潛在風險，從而使貨包受到遠大于試驗時所受的沖擊，因此利用直升機運輸新燃料貨包很難證明其安全性，難以通過安全審查。目前我國航空運輸放射性物品的運量和種類都較少，主要涉及放射源、放射性同位素和放射性藥品的進出口，尚未有利用直升機運輸核燃料的報道。

由于核燃料船舶運輸的安全性、經濟性及可借鑒性，新燃料海上運輸應采用船舶運輸。新燃料到達轉運碼頭后，可利用碼頭起重機將裝有貨包的集裝箱吊運至補給船，再由補給船運至海上浮動核電平臺。轉運碼頭需具備放射性物品的作業資格，補給船應符合INF船舶設計要求。集裝箱吊運至補給船后，應與補給船進行可靠連接，避免航行時產生相對移動。盡量避開漁區和繁忙的航線，選擇海況良好的時段進行新燃料的運輸。

2.3 平臺內接收

平臺內接收是海上浮動核電平臺新燃料運輸的最后一環，它包括新燃料運輸容器從補給船往平臺轉運、新燃料運輸容器在平臺內部運輸、開箱取出新燃料組件、新燃料外觀檢查、放入貯存格架貯存等一系列操作。由于平臺結構的特殊性和海上環境的復雜性，與陸上核電站新燃料接收相比，海上浮動核電平臺新燃料接收存在較大差異。endprint

陸上核電站的新燃料運輸容器到達核電站后，由汽車直接運至燃料收發間，然后利用廠內的輔助吊車將運輸容器吊至新燃料接收間并開蓋，將新燃料組件取出并吊至檢查間，檢查合格后吊至貯存間貯存。新燃料在各個功能間的移動都是通過輔助吊車完成的。

新燃料貯存間位于海上浮動核電平臺的指揮甲板層，具體位置如圖1所示。由于平臺內部空間有限，新燃料貯存間布置緊湊，新燃料運輸容器開箱、新燃料組件外觀檢查和新燃料組件的貯存都在該貯存間進行。結合HAD、HAF中對新燃料裝卸與貯存的相關要求以及海洋環境特點，在制定海上浮動核電平臺新燃料內部運輸方式時需考慮以下幾點：

（1）運輸路程盡量布置得簡短；

（2）運輸流程盡可能簡便；

（3）運輸時需采取有效措施以減小海上搖擺環境的影響。

采用船舶進行海上運輸時，當補給船與海上浮動核電平臺接駁后，首先需要將新燃料運輸容器運至海上浮動核電平臺。參考船與船在海上進行貨物轉運的方式，可利用位于平臺頂棚甲板的吊機進行吊運。按照水路危險貨物運輸規則，可在補給船與平臺之間設置安全網，防止吊運時發生貨包墜落事故。將貨包從補給船的集裝箱內起吊至平臺，然后通過頂棚甲板上的吊裝口放置在指揮甲板上。吊裝口正對應急通道上方，沿應急通道直線運輸時無需穿過其他艙室，是一條最簡短的路線，同時也便于布置運輸裝置，降低操作人員的勞動強度。可在應急通道內設置軌道平板車作為運輸裝置，軌道設置在應急通道的地面或側面，從吊裝口下方延伸到新燃料貯存間。平板車應具有緊急制動功能，當平臺發生較大搖擺時，平板車能可靠地停在軌道上不產生移動，保證新燃料運輸容器的穩定。新燃料運輸容器運至新燃料貯存間后，可利用貯存間的小吊車進行開箱操作，將新燃料組件吊至檢查臺檢查合格后吊入貯存格架。

3 結語

隨著海上浮動核電平臺的建設和發展，其新燃料運輸必將成為常態。海上浮動核電平臺新燃料運輸所涉及的路程遠、路況多樣、交通工具多，選擇合理的運輸方式可以有效提高新燃料的運輸安全和經濟性，對海上浮動核電平臺的運行具有重要意義。同時，海上浮動核電平臺新燃料運輸也將進一步促進我國核燃料運輸體系的建設，加快相關政策法規和技術標準的完善。

【參考文獻】

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[4]徐瀟瀟，張建崗，王學新，等.核燃料組件渡海運輸事故分析[A].中國核學會輻射防護分會2012年學術年會論文集[C].中國核學會輻射防護分會，2012：8.

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[10]劉新華，邵明昶，馬力，等.放射性物品安全運輸概論[M].北京：科學出版社，2015.endprint