乏燃料運輸船概念設計研究

郭一丁，郭 健，譚 美

(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064)

0 引 言

隨著我國核電產業的不斷發展，投產的機組逐步增多，乏燃料數量迅猛增長，乏燃料運輸成為當前我國核燃料產業末端急需解決的問題[1]。

目前，我國主要采用公路運輸的方式，運輸受到多方面因素影響導致能力有限。我國乏燃料后處理廠位于西北地區，而核電站多分布在沿海地區，參照國際經驗，針對我國乏燃料運輸數量大、距離遠的情況，公海鐵聯運是最佳方案[2]。海上運輸方式采用乏燃料運輸船，其具有容量大、安全性好等優勢。英國、俄羅斯、日本等國家都研制有多艘乏燃料運輸船，而我國在這方面相對薄弱。

1 乏燃料運輸船現狀

早在1987 年，英國就完成了第5 艘PNTL 系列乏燃料運輸船的下水。該船由日本三菱公司建造，全長103.9 m，可容納24 個燃料組件運輸容器。PNTL 系列乏燃料運輸船之一Pacific Grebe 號如圖1 所示。

英國乏燃料運輸船已多次遠洋航行，將日本的商用核燃料運送至法國和英國的港口，將玻化高放射性廢物（HLW）從法國運輸至日本，將混合氧化物燃料（MOX）從英國和法國運至日本，將日本和歐洲的研究堆乏燃料運至美國，將二氧化钚從美國運抵至歐洲[3]。

2006 年1 月，美國能源部全球威脅減少計劃主導的俄羅斯研究堆燃料回收項目（RRRFR），要求對全世界貯存在俄羅斯研究堆的高濃鈾乏燃料（SNF）運回俄羅斯。ASPOL 決定對MCL 貨輪進行乏燃料運輸船改裝，MCL 貨輪于1990 年在新加坡建造，用于俄羅斯軍隊核導彈運輸任務，后改造為貨船。2009 年俄羅斯完成了對MCL 運輸船的調整，使其符合乏燃料的運輸要求（見圖2）。MCL 運輸船全長95 m，船寬15.8 m，型深7.8 m，設計吃水6.31 m，排水量6 325 t，最大航速15 kn[4]。

圖 2 俄羅斯MCL 運輸船Fig.2 Photograph of the russian vessel MCL trader

2009 年4 月15 日，韓國大鮮造船交付了韓國首艘放射性物質專用運輸船，該船長78.6 m、寬15.8 m，載重量為2 600 t[5]。

2012 年10 月25 日，荷蘭Damen 造船集 團1 艘核燃料運輸船下水。該船全長99.5 m，寬18.6 m，設計吃水4.5 m，入級英國勞氏船級社，定員21 人，航速為12 kn。主要承擔從瑞典核電站到SKB 公司之間乏燃料的運輸（見圖3）[5]。

2 乏燃料運輸船概念設計

2.1 設計需求

根據國防科工局組織編寫的《核電站乏燃料處理基金2011-2020 年使用規劃》，2016 年我國乏燃料年運輸總量就已達600 組[6]。“十三五” 期間，我國核電站將有超過3 000 組乏燃料需要外運到后處理廠，運輸需求急劇增加。我國2013-2020 年間核電站乏燃料當年產量和乏燃料產生累積量如表1 所示。

圖 3 SKB 乏燃料運輸船Fig.3 Photograph of the SKB spent fuel transport ship

表 1 2013-2020 年間核電站乏燃料當年產量和乏燃料產生累積量（單位tHM）Tab.1 Production and cumulative amount of nuclear power plant spent fuel from 2013 to 2020 (Unit tHM)

由表1 可知，2016 年，需要外運的乏燃料將快速增加，而我國目前的運輸方式為公路運輸，以大亞灣核電站為例，從核電站裝料運到西北某處理廠每次大約3 個月時間。但公路運輸會受到氣候、公眾活動的影響，實際運輸時間往往嚴重超出，每年僅能完成2 次運輸任務，最多運輸104 組乏燃料組件，運輸能力十分有限[3]。

從長遠可持續發展角度，我國急需改變運輸方式，建立公海鐵聯運的新模式。我國鐵路運輸能力強，因此需要著重加大力度發展海上運輸，設計我國自主知識產權的乏燃料運輸船。

2.2 母型船對比分析

經過調研，目前國內沒有乏燃料運輸船，國外比較成熟、先進的乏燃料運輸船有俄羅斯的MCL 乏燃料運輸船和英國的PNTL 系列乏燃料運輸船。充分參考國外應用成熟的乏燃料運輸船設計特點，基于母型船法設計，降低設計風險和難度。

1）主要參數

Pacific Grebe 號和MCL 號運輸船主要要素對比如表2 所示。

表 2 主要參數對比Tab.2 Main parameters comparison

2）貨艙布置

Pacific Grebe 號乏燃料運輸船設置4 個貨艙區（見圖4），每個貨艙內設計中間活動甲板，將貨艙分為上下兩層，每一層均可裝載乏燃料容器，容器布置考慮了船舶穩性和重量平衡。

圖 4 Pacific Grebe 號乏燃料運輸船貨艙布置Fig.4 Photograph of the Pacific Grebe holds plan

全船設有2 個貨艙，分別配置1 臺吊機，具有自裝卸貨功能（見圖5）。No.1 貨艙位于船首部，采用罐式集裝箱密封裝運具有INF-2 級的乏燃料。No.1 貨艙是船舶重點設計及控制區域，需要滿足公眾或船員的輻射防護要求。No.2 貨艙靠近尾部主機艙、生活區和駕駛甲板，考慮對人員的輻射安全，該貨艙僅裝載常規貨品，作為No.1 貨艙與人居處所的隔離。

2.3 設計結論

通過比較英國與俄羅斯的乏燃料運輸船，主要存在以下區別：

1）裝卸方式

俄羅斯MCL 方案采用設置貨艙吊機的設計，降低了對碼頭設施的要求，靈活性較好；

英國Pacific Grebe 方案不設置貨艙吊機，對碼頭設施提出了較高的要求，靈活性較低。

2）運輸容器型式

俄羅斯MCL 方案采用罐式集裝箱乏燃料運輸容器，通過箱角與貨艙固定，便于裝卸貨操作；

英國Pacific Grebe 方案采用圓筒式乏燃料運輸容器，通過基座與貨艙固定，裝卸操作較復雜。

3）運輸貨品級別

按照INF 規則，俄羅斯MCL 可運輸INF-2 級活度的放射性物質，英國Pacific Grebe 號可運輸INF-3 級活度的放射性物質，從運輸貨品范圍來看MCL 不及Pacific Grebe。

目前我國相關資源配置情況如下：

1）核電站使用的乏燃料運輸容器是由美國設計，西班牙建造的NAC-STC 型容器，該容器經中核清原公司引進。容器參數如表3 所示。

圖 5 MCL 號運輸船貨艙布置Fig.5 Photograph of the MCL holds plan

表 3 NAC-STC 容器主要參數Tab.3 Main parameters of NAC-STC

2）核電站布置在南北沿海一帶，涉及到港口眾多，碼頭設施層次不齊，對乏燃料運輸船具有自主裝卸貨功能提出了要求。

3）除了陸上核電站，海洋核動力平臺有海上運輸放射性廢固運輸需求，需要設置獨立的貨艙用于裝運不同放射性活度的放射性物質。

因此，乏燃料運輸船型選擇以英國乏燃料運輸船為母型，在運輸容器及裝載方式上參考英國的圓筒型乏燃料運輸容器模式，設置多個貨艙滿足多種貨品裝載需求，同時配置自攜式貨艙吊機滿足不同層次的碼頭設施水平。

綜合上述設計分析，提出乏燃料運輸船概念設計參數如表4 所示。

乏燃料運輸船的外形及總體布置如圖6 所示。

3 功能定位與系統設計

3.1 功能定位

乏燃料運輸船為運輸放射性物質的焊接結構鋼質運輸船，主要用于解決海上核設施乏燃料運輸問題，同時服務于濱海核電站與后處理廠之間的轉運，避免陸上運輸對周邊人員聚居區、交通主干線的影響。本文所設計運輸船屬于放射性物質運輸船，除了具備普通運輸船的功能外，還應具備以下特殊功能：

表 4 乏燃料運輸船參數Tab.4 Parameter of spent fuel transport ship

圖 6 乏燃料運輸船總體布置圖Fig.6 Arrangement plan of spent fuel transport ship

1）自主裝卸放射性物質容器；

2）對放射性物質容器冷藏處置；

3）實時監測放射性物質容器輻射；

4）人員的放射性去污；

5）沾染放射性的廢氣、廢液和廢固的處理；

7）對作業海域周界空中、水面、水下三維空間威脅目標實施探測、預警、告警、拒止和驅逐；

8）事故應急處理；

9）火災防護、火災監測以及緊急滅火。

3.2 系統設計

為實現乏燃料運輸船的特殊功能定位和保證船舶安全運行，船舶應具備以下系統：

1）吊裝系統

系統配置2 臺120 t 的吊機，裝卸過程有專人操作吊機，并有指揮人員全程指揮，嚴格的執行吊裝流程和操作規定。

2）貨艙環境控制系統

綜合INF 規則要求與英國乏燃料運輸船的參數，貨艙環境溫度要控制在-40 ℃～+38 ℃。

典型的方案是在貨艙底部設置2 個強制循環空氣冷卻器，在較高的位置布置軸流式風機。系統采用冗余設計模式，所有關鍵設備采用一用一備的方式。

3）輻射監測系統

系統功能主要為監測管理艙室、排出流、控制區進出、個人劑量以及船舶靠港時對環境的輻射情況，確保乏燃料或放射性廢物安全、人員及環境輻射安全。乏燃料運輸船設置的輻射監測系統，由船內輻射監測系統和船外周邊環境輻射監測系統組成。

4）放射性廢物管理系統

系統主要是對沾染放射性的 “三廢” 進行處理和人員的洗消去污，主要有以下功能：

① 貨艙通風和負壓產生的沾染放射性的廢氣，經過濾系統處理后排放；

② 針對船舶貨艙產生的沾染發放射性的廢液，貯存在專門設置的壓載水艙內，在船舶停靠碼頭時駁運至岸上特殊的廢液箱；

③ 對貨艙區產生的沾染放射性的廢固，設置屏蔽桶貯存，在碼頭時調離船舶；

④ 設置洗消系統，用于進出貨艙區人員更衣洗浴、沾染檢測和消除、劑量監測管理等需求。

5）實物保護系統

主要是運輸過程中核材料的實物保護，防止破壞分子非法轉移或破壞核材料。該系統由船舶周界警戒、防衛、視頻監控、出入口控制、入侵報警、人員定位、安保通信等子系統組成，具有以下功能：

① 限制與運輸無關的人員在乏燃料運輸船附近區域活動，能及時探知未經授權人員、材料、物品、船只進入運輸控制區；

② 能阻止或延遲未經授權人員、物品、船只靠近乏燃料運輸船，防止將未經批準的材料或物品帶入乏燃料運輸船；

③ 防止內部人員或外部人員采用內外勾結的方式從乏燃料運輸船內非法竊取和破壞核材料；

④ 與響應力量保持通信暢通，對突發事件能立即作出有效響應，在當地公安部門或響應力量到達之前能牽制和阻止入侵者的違法行動。

6）應急響應系統

根據國家相關規定，乏燃料運輸船事故應急可分為：非輻射事故應急、潛在輻射事故應急和輻射事故應急3 種狀態。

系統根據3 種不同的應急狀態制定不同的應急方案，并建立、健全海上應急響應機制，成立海上應急響應小組、配備應急響應物資。

發生事故后，根據國家和地方有關環保法規分析造成事故的原因，并結合實際情況提供技術方面的處理措施，及時安排人員進行應急響應行動，發揮應急作用，承擔海上應急響應、搶險救災、支持保障、善后處理等應急工作。

7）火災監測和消防系統

系統由防火、火災探測報警和滅火等3 部分組成。

船舶防火主要是通過劃分防火區域和布置防火結構阻止火災蔓延，確保人員能安全脫險，船舶根據規范劃分為數個防火主豎區。

火災探測報警主要是在船舶大部分艙室采用分布智能式船用感煙探測器和感溫型探測器。在特殊部位，如廚房等部位僅設置感溫型火災探測器；蓄電池室設置防爆紫外、紅外感光探測器和防爆感煙探測器；貨艙內部采用耐輻照感煙探測器和耐輻照感溫探測器的組合，并借用視頻監控措施對火災報警予以確認。

船舶滅火系統要根據不同區域特點選擇合適的滅火方式，特別地，貨艙除設有氣體滅火裝置外，還在貨艙頂部設置水噴淋系統。

4 結 論

我國乏燃料運輸未來需求量大，發展海上運輸勢在必行。本文提出了乏燃料運輸船的總體方案概念設計，旨在為我國乏燃料運輸船設計建造提供技術參考。