海上浮動核電站堆艙碰撞安全研究

譚 美，郭 健，郭 翔，張乃樑

(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064)

0 引 言

隨著小堆技術的不斷發展，將核反應堆運用在海上平臺為海洋石油開采或偏遠地區等領域提供電力或淡水等能源的優勢逐漸顯現，海上浮動核電站正成為工程研究應用的熱點。如何確保反應堆及浮動平臺的足夠安全，成為海上浮動核電站技術攻關的重點[1]。

反應堆是海上浮動核電站的心臟，而堆艙就是確保反應堆安全的心房，是反應堆抵抗外部事件和防止放射性物質泄漏的重要安全屏障。類似陸上核電站的地震事件，海上浮動核電站最顯著的外部事件之一就是碰撞，因此堆艙的防碰撞問題成為海上浮動核電站設計的重點。核動力商船安全分析認為碰撞可造成人命安全、全船毀損或環境污染，以及對營運單位造成不良的社會影響及經濟損失，并按后果嚴重程度將事故分為一般和嚴重2 種等級。一般事故通常不會造成船體永久性變形，不影響船舶正常營運。嚴重事故可造成船體結構破損，甚至可能會造成放射性物質泄漏，或穩性喪失造成船舶傾覆和人命安全等，如圖1所示。

在國內外均不具有成熟的海上浮動核電站設計規范的背景下，由于海上浮動核電站與核動力商船具有類似的海洋環境條件，國際海事組織制定的《核商船安全規則》成為海上浮動核電站設計的重要參考，該規范對堆艙的防碰撞設計提出了嚴格的要求[2]，對堆艙舷側距外殼板的防碰撞距離有相關規定。在實際的工程設計過程中發現，由于海上浮動核電站為滿足連續供電需求而采用雙堆布置方案，完全按照《核商船安全規則》的堆艙碰撞距離要求設計存在挑戰。

圖 1 海上浮動核電站碰撞事故后果Fig. 1 FNNP collision results

考慮到海上浮動核電站長期在海上處于系泊狀態作業，不具有核商船的航行特征，在碰撞發生概率水平上兩者具有一定區別。因此，本文還探索了具有類似特殊安全要求的使用氣體或低閃點燃料船舶的燃料艙碰撞安全設計要求（后文簡稱“IGF 規則”），以期能為海上浮動核電站碰撞安全分析借鑒參考。

1 核商船安全規則要求

1.1 安全屏障要求

核商船安全規則要求核動力船舶至少設置4 層安全屏障，這種縱深防御概念要求任何裝置工況下，經過核燃料和環境之間的多層物理屏障保護，阻止或控制放射性物質在允許的劑量當量水平[2]。

第1 層：燃料包殼，其功能是滯留燃料產生的放射性裂變產物在包殼內；

第2 層：一回路壓力邊界，其功能是阻止放射性物質向一回路系統外非有意泄漏；

第3 層：安全殼結構，其功能是完整包圍一回路壓力邊界，其重要作用是在任何裝置工況下，限制放射性產物從安全殼內的任何設備向外泄漏；

第4 層：安全殼圍壁，包圍安全殼結構和核動力裝置的任何重要放射性源，其主要安全功能是阻止放射性物質非有意釋放并限制其泄漏。

依據上述定義，海上浮動核電站與核商船類似，具有4 層防護屏障，如圖1 所示。

圖 2 海上浮動核電站防護屏障示意圖Fig. 2 FNPP protective barrier schematic

1.2 破損范圍要求

為滿足第4 道安全屏障限制放射性物資泄漏的功能要求，核商船安全規則要求構成第4 道屏障的安全圍壁具有水密及氣密性質，其縱艙壁位置距船外殼板間距應不小于如下要求[2]：

1）基于對國際海事組織對歷史上海損船舶的碰撞破損深度統計數據，滿足破損范圍假定要求，如表1所示。

表 1 橫向破損范圍Tab. 1 The transverse damage extent

2）如果主管認為存在任何可能造成更嚴重碰撞破損的工況，碰撞保護距離需不小于此類事件下碰撞破損深度。

3）為了限制被撞船舶的破損穿透深度，如果在堆艙舷側設置特殊設計的碰撞保護結構，根據保護結構能提供的抗浸水等效保護程度，主管機關可接受較第1 條規定的較小的橫向破損深度。

通過分析可知，其中第1 條規定堆艙外邊界距舷側外板距離為B/5，或者11.5 m，取小者（后文簡稱“B/5”標準），作為堆艙橫向碰撞保護的要求，對浮動核電站的總體設計提出了很高的要求。因此，核商船安全規則同時規定了相應的結構保護設計，作為堆艙防碰撞措施的補充，

1.3 結構保護設計要求

船舶碰撞的研究可以追溯到20 世紀50 年代后期，其開創性工作是Minosrky 在1959 發表于《Journal of ship research》的研究論文，其工業背景是配合核動力船舶的研制，防止其在碰撞或擱淺等事故中受到嚴重損傷而發生核泄漏。在船舶碰撞研究中，將其力學機理分為外部碰撞力學(或稱外部機理)和內部碰撞力學(或稱內部機理)兩部分[3]。外部碰撞力學主要描述船舶的剛體運動以及耗散于結構損傷變形的碰撞能量，而內部碰撞力學則著力于求解碰撞區域結構的損傷變形與碰撞載荷之間的非線性關系，當確定了內外部機理及基準之后，就可準確預測船舶的碰撞破損問題。圖3 為一種典型的分析船舶碰撞的流程圖，輸入的數據包括被撞船舶及撞擊船舶的主尺度、排水量等參數，撞擊船舶首部特征，被撞船舶舷側結構設計等，碰撞情景主要是碰撞位置、角度和相對航速等特征[4]。

圖 3 碰撞分析流程示意圖Fig. 3 The collision analysis diagram

核商船安全規則要求碰撞需包括與固定和浮動物體的碰撞以及船舶之間的碰撞，即包含撞與被撞2 種情況。碰撞保護結構應該能滿足經主管機關認可的碰撞設計基準，保障安全圍壁縱向水密和氣密邊界不被船舶或襲擊物體撞擊穿透。堆艙的保護區域應合理沿船長方向延伸至堆艙橫艙壁前后一定范圍，具體值取決于各船舶設計基準，同時必須提供足夠的船舶縱向過渡結構[2]。

核商船安全規則要求核商船應有碰撞保護分析，其結果應體現在船舶的安全分析報告中。該分析應考慮罕見事件發生的可能性，碰撞船舶或襲擊物體的類型，以及公海、沿海、近海和港口的情況。其他還需考慮的因素如下：

1）用計算、模型試驗等方法驗證碰撞防護結構阻止穿透深度超過實際設計限值的有效性；2）反應堆艙的位置；3）船舶分艙；4）破損穩性；5）各破損工況下船體強度；6）碰撞船舶的排水量、航速和船首部形狀，這些撞擊船舶可能包含以下情況：設計航速下航行的同等尺度船舶、帶球鼻首的超大型油輪、帶尖首的高速軍艦、及核商船撞擊質量無限大的固定物體；7）火災和爆炸的危險；8）船舶操縱性喪失；9）對貨物的影響。

2 IGF 規則要求

2.1 背景概述

由于核商船規范制定時，概率分析法對船舶與海洋工程設計仍是一個比較陌生的領域，國際海事組織（IMO）對碰撞和擱淺的海損船舶進行數據概率統計分析工作處在研究階段，因此在核商船規范通過時，概率法分析沒有能成為規范推薦的碰撞破損問題分析方法[5]。

分析現代船舶碰撞破損理論，主要包括傳統的確定性理論，或現代概率論。確定性方法假定碰撞位置沿整個船長范圍的發生概率一樣，概率論在一定程度上解決確定性方法存在的概率分布問題，即通過統計海損船舶數據，建立船舶舷側和底部碰撞及破損位置、范圍和穿透深度的概率密度分布函數[6]。于是IMO（1971）通過了Res.A.265 決議，首次確立了船舶碰撞破損的概率分析法作為客船設計的依據。在1990 年召開的第58 次IMO 海上安全委員會通過了MSC.19（58）決議，概率分析法推廣應用到干貨船設計。在2015 年通過的《IGF 規則》（MSC.391（95））決議，推薦了具有概率特征的fCN值作為燃料艙可接受位置的等效設計[7]。

2.2 相似性比較

海上浮動核電站堆艙與IGF 燃料艙性質相似，堆艙是海上浮動核電站的第4 層安全屏障，負責包容具有放射性物質的反應堆及一回路壓力系統，而IGF 燃料艙負責包容易燃易爆氣體或其它低閃點燃料，這2 種艙室一旦發生碰撞破損事故，后果極其嚴重（造成污染泄漏、爆炸等），均需要重點保護[8]。從碰撞安全角度考量，核商船安全規則和IGF 規則分別對核動力船舶堆艙和IGF 燃料艙提出了相似的防碰撞安全要求，因此，海上浮動核電站與運輸易燃易爆氣體或其它低閃點燃料的船舶在防碰撞設計要求上具有相似性。

表 2 堆艙及IGF 燃料艙性質對比Tab. 2 The character comparison of reactor compartment and IGF tank

2.3 確定性要求

IGF 規則規定，考慮到船舶的安全操作以及關于船舶的其他可能危險，燃料艙應布置成使得其在碰撞或擱淺后的損傷概率降到最低，燃料艙應予以機械損傷防護。燃料艙應能防止由于碰撞和擱淺導致的外部損傷，要求在夏季載重水線平面上，從舷側向舷內垂直于中心線的方向量取B/5 或11.5 m（取小者，B 為型寬）作為燃料艙至舷側的最小距離。

2.4 概率性要求

IGF 規則“5.3.4 款”規定，作為B/5 規則的橫向保護距離要求”的替代，可采用下面的計算方法來確定可接受的燃料艙布置位置：

1）按如下公式計算得出的fCN值，對于客船應小于0.02，對于貨船應小于0.04。

2）fCN值的計算方法借鑒《國際海上人命安全公約》（SOLAS）概率論方法，綜合考慮燃料艙沿船縱向（fl），橫向（ft）和高度（fv）方向對碰撞破損的貢獻概率(fCN=flx ftx fv)，解釋如下：

① fl是根據SOLAS 公約Ⅱ-1/7-1.1.1.1 推薦的計算方法，將艙室碰撞范圍沿船長無因次化“J=(x2-x1)/L s”，在船舶縱向評估破損概率特征fl(J)=p(x1,x2)；其中x1，x2分別為艙室前后艙壁距尾垂線的縱向距離，Ls 為船舶的分艙長度。

② ft是根據SOLAS 公約Ⅱ-1/7-1.1.2 推薦的計算方法，將艙室碰撞橫向破損范圍沿船寬無因次化“Jb=b/（15B）”，在船舶橫向評估破損概率特征ft(Jb)=1-r(x1,x2,b)。其中，b 為載重水下面處艙室外邊界距舷側外板距離，B 為型寬。

③ fv是根據SOLAS 公約Ⅱ-1/7-2.6.1.1 推薦的計算方法，考慮艙室距船底基線高度對滿載吃水相對差“H-d”，在船舶垂向評估破損概率特征，根據“Hd”與7.8 的相對大小，分別取fv=1.0-0.8（（H-d）/7.8）或0.2-0.2.（（（H-d）-7.8）/4.7），任何情況下不大于1 且不小于0。其中，H 為艙室最低點距基線的垂線距離，d 為船舶滿載吃水深度。

需要說明的是，fCN值僅說明可能發生在燃料艙縱向投影邊界所形成區域之內的碰撞損傷，fCN不能被視為或被用作一次碰撞條件下燃料艙的損傷概率。當考慮包括燃料艙向前和向后區域的更長的損傷時，實際的概率會更高。

3 案例分析

國內外在海上浮動核電站領域開展了大量應用研究，其中俄羅斯KLT40S 海上浮動核電站是目前世界首座且唯一在建的浮動核動站[9]，其設計經驗具有參考價值。KLT40S 主參數如表3 所示。

基于俄羅斯公開的KLT40S 相關數據，分析其堆艙的碰撞保護設計及安全水平：

1）在舷側保護距離方面，核商船安全規則對第4 層安全屏障的要求是距舷側距離為“B/5”，即6 m。通過對KLT40S 現場分段及其他照片資料分析，第4 層安全圍壁距舷側距離為5 m，遠大于常規船舶的舷側保護距離，由此表明海上浮動核電站對堆艙的保護具有很高的要求；另一方面，通過數據分析可知，5 m舷側保護距離并不完全滿足橫向破損范圍的“B/5”要求，如果完全參照“B/5”要求，按照安全殼區域寬度不變且占“3B/5”推算，KLT40S 的船寬需要達到31.7 m。因此需要增加船寬1.7 m，并需要按合適的長寬比增加船長，對主尺度和排水量改變較大。分析認為，KLT40S在堆艙碰撞保護設計方面，考慮了結構強度對碰撞空間要求的貢獻，在盡量滿足“B/5”要求的前提下，優化結構設計增加結構抗碰撞能力，滿足設計基準下浮動核電站堆艙碰撞安全要求。

表 3 KLT40S 主要參數Tab. 3 The principle characters of KLT40S

圖 4 KLT40S 海洋核動力平臺Fig. 4 The profile of KLT40S

2）利用IGF 規則概率法分析KLT40S 堆艙防碰撞安全水平，應用概率分析法，計算船長140 m 時，fCN概率值隨舷側保護間距（b）的變化特征，計算結果如圖5 所示。數據顯示fCN概率隨b 值增加而降低，在b=4.5 m 時fCN＜0.04，具有貨船標準的安全水平。fCN概率分析法的另一個重點因素是ft，計入了艙室縱向范圍的船長無因次參數對碰撞概率的影響。因此，文章計算了在b=5 時，fCN概率值隨船長（L）的變化特征，計算結果如圖6 所示。數據顯示，fCN概率隨Ls 增加而降低，當Ls=195 m 時fCN＜0.02，具有客船標準的安全水平。因此，從總體設計角度考慮，除通過增加舷側距離b 的維度提高防碰撞能力，還可以考慮船長維度對碰撞概率的貢獻，綜合考慮船寬和船長對防碰撞的影響，以達到總體綜合指標最優化。通過計算分析可知，KLT40S 方案（b=5 m，L=140 m）的fCN=0.034，具有貨船和客船之間的安全水平。

通過數據分析可知，增加舷側保護間距和增加船長均能有效降低fCN概率，對提高艙室放碰撞性能有利。因此fCN概率分析法指導海上浮動核電站防碰撞設計及安全性能評估具有一定參考價值。

圖 5 保護間距fCN 影響Fig. 5 Transverse protection distance′s effecting on fCN

圖 6 船長對fCN 影響Fig. 6 Ship division length′s effecting on fCN

4 結 語

綜上分析，本文得出以下結論并對海上浮動核電站堆艙防碰撞設計提出建議：

1）《核商船安全規則》規定了橫向破損深度“B/5，或者11.5 m，取其中較小者”，以及主管機關認為任何有效的其他因素可能導致更嚴重破損，作為指導核動力船舶防碰撞設計的假設破損范圍。同時也規定，如果在堆艙側部設置特殊設計的碰撞保護結構，根據保護結構能提供的抗浸水等效保護程度，經主管機關認可后可接受較小的橫向破損深度。在指導海上浮動核電站堆艙結構防碰撞設計時，需要首先確定外部事件設計基準，并制定相應的結構強度評價標準。

2）IGF 規則中基于概率論的fCN法作為對燃料艙防碰撞能力的評價標準的思想，可作為一種評估海上浮動核電站堆艙碰撞安全水平的理論方法。但是，本文未提出評判海上浮動核電站堆艙碰撞安全的具體fCN概率分析法指標，后續需要進一步結合海上浮動核電站船型、海洋環境、核安全要求和碰撞后事故嚴重性等特征，研究制定針對海上浮動核電站堆艙碰撞安全可接受的概率指標，建立一套海上浮動核電站示范工程可推廣應用的規范標準。