從MOX燃料芯塊燒結氣氛談工程設計安全

尚改彬

（中國核電工程有限公司，鄭州450052）

1 發展現狀

世界上許多國家進行了MOX核燃料研究和開發，有的建成了生產線，有的因在設計階段對技術復雜性考慮不足，或生產過程中安全隱患，或資本市場等原因，已有多項退役或停止運行。燃料芯塊燒結氣氛直接影響成品芯塊性能和質量，氣氛選擇首先符合工藝要求，并考慮物理沖擊和化學反應沖擊的安全性及潛在泄漏后安全措施。工程中考慮氣體的適應性和參數控制，有采用加濕氫氮混合氣體，也可采用如氮氣或二氧化碳等其他惰性氣體，特定燒結氣氛安全性經理論分析和實驗驗證是可靠的[1]。

2 工藝流程

MOX（Mixed Oxide）核燃料是鈾钚混合氧化物（UO2+PuO2），其他金屬氧化物混合而成的，也稱MOX核燃料，可應用于快堆（FBR）和壓水堆（PWR）、沸水堆（BWR）等[2]，美國、俄國、德國、法國、比利時、日本、印度等國對此有研究和開發應用。MOX核燃料組件制造工藝流程同壓水堆UO2核燃料組件制造工藝基本一致，MOX燃料有較強的放射性和生物毒性。為適應和滿足燃料應用需求，多國開展了MOX核燃料元件的研究開發。

MOX燃料的制造工藝過程主要有：進料、混合、球磨、壓制燒結、裝管組裝等[3]。钚有化學毒性和核臨界性能，粉末制備工序是制備過程中的關鍵環節，在這個工序要求粉末的均質化，钚等效可裂變同位素一致，一定的參數要求。粉末成型高溫燒結，或進行研磨和外觀檢查，裝入包殼中，制成棒束和組件。

3 安全措施

設備布局、物項分級原則、放射性分區及安全設計準則是核工程安全策劃的起點，專用實驗臺、遠程操作、投資優化等工作應盡早確定設計標準和方案，要求設計參照工程設計經驗按照“系統獨立、考慮裕量”的原則設計。工程事故后果嚴重程度與發生概率研究后確定了相應的結構、系統和部件的安全等級要求，如地震動計算方法、動力系統要求等，維持較高的安全等級水平。工程中的物項，指材料、零件、部件、系統、構筑物以及計算機軟件的通稱。工程質量保證是為使物項或服務與規定的質量要求相符合，并提供足夠的置信度。自動控制方案、動力系統設置與重大設備運輸路線等均需分析論證，確定物項分級并分級進行質量保證管理，確保安全。

在工業設計安全中，首先考慮核安全，然后再分析論證工業安全，如地震水淹火災爆炸氣象極端條件等等，像那種大型核設施如核電站之類，常常需極端情況，甚至飛行物撞擊、附近工業運輸影響，以及對環境影響等。而工業設計中最常見的問題，如設備布置、管道布置、大型設備運輸、檢修維護空間與吊裝工具，安全類設置如放空閥、安全閥、消音器等，設備地腳基礎，操作空間，管道反向放坡，地下物設置、操作位可接近，管道等級等，應特別注意。

4 放射性物料源項

在放射性物料加工中，臨界安全和輻射防護是首要安全設計內容，使用套箱、熱室和機械手，放射性物質儲存運輸以及處理、物料金屬平衡及退役先期策劃等項需分析工程安全。

物料從輸入到輸出以及中間的變化，要明確責任和邊界，對于整個系統裝備的布局、空間的布局、物項的分級防護與空間分區，如放射性分區、密封性分區和負壓梯度，要結合不同的控制要求和劑量的控制要求確定。生產線儀表控制系統的水平要與總體生產線水平相適應，現在常提到的自動化控制接口、智能化制造以及接口的協調統籌確定，會直接影響人員、場地及投資和生產能力。核事故應急管理，特別是事故后果及響應時間、持續時間的論證，應借鑒國內外標準和經驗，進行事故源項分析，結合核安全理念，確定方案的安全性。

5 順逆流程概念設計

項目從原料處理到產品和尾料處理，順向設計流程，在項目建設的一致性高、人員的總體把握性高時，可以順利完成任務。如果對產品進行反向分析，提出需要完成產品的必須中間產品及處理工藝，對工藝進行需求梳理和選擇優化，找到突破口和關鍵點，漸次推動，最終能夠得到原料的處理方式和尾料的處理處置。這樣從產品到原料的逆向設計流程，在項目建設多種變化、設計總體與局部同時進行的情況下，有一定的優勢。實際上，將順向和逆向結合，如先進行逆向設計，從產品到原料設計，確定中間產品和可選工藝；再進行順向設計，或局部進行順向設計，從產品到產品設計，對中間產品和工藝進行優化，這將加深對生產流程的深度掌握，加深對工藝流程的優化，有利于快速形成工藝流程概念設計，進而形成設計流程，并適時處理項目實施過程中較多的變更控制。

順向而言，從原材料加工處理到中間產品，然后到最終產品加之尾料處理；逆向而言，從產品到中間產品再到原材料的加工制造。經過順向逆向結合方法，分析項目技術關鍵點，或驗證和研究，如燒結爐工藝爐氣的控制、選址中安全的控制、產品釋熱量的控制、尾料利用與總體布局等，在適當的研究驗證和方案論證下，結合項目的特點確定安全合理的工藝方案，不失為一種良好的經驗。

其中，生坯芯塊在燒結爐的高溫燒結工藝，目的是制成陶瓷化的MOX芯塊，需為后續流程創造條件，即燃料元件的質量控制要保證堆內安全可靠運行，制備的芯塊要保證密封包裝的方便安全可靠，MOX粉料要保證可壓制可燒結。燒結過程有高溫過程，并根據工藝需要或可能加入可燃氣體成分，工藝過程中需重視安全前提下工藝實現，必要時要進行模擬計算、基礎實驗和實驗驗證。

6 物項分級

核安全貫徹執行“安全第一，質量第一”方針，設計安全主要分析工程物項分級和放射性物料源項。核安全有關的特殊問題，應用法規標準明確選址、項目組成及布局原則。國際核事故事件分級為7類，其中，第7級事故是最嚴重的事故，如蘇聯切爾諾貝利核電事故和日本福島核電事故。在適當的情況下考慮現場控制室以及應急控制室的居留性，要進行充分的論證。事故事件后果及修復，采用更換或者是檢修，甚至是其他處置等措施，要求完成時間，協調確定安全的等級和物項的分級。

工程涉及的各種物項指結構體、系統和設備部件等，物項的分級概念按照物項安全功能進行劃分，對安全目標實施縱深防御，終極目標是保護人員和保護環境。縱深防御有多重性、多樣性、獨立性和冗余設計的系統和設置要求，裝置的正常運行狀態、異常運行狀態、事故事件狀態以及超越設計基準的極端事故狀態，應急的措施要求設置完備。

項目規劃、建造、運行、退役檢修及監管的各方面，物項安全功能分析確定以后，研究確定抗震等級、防洪等級、消防等級以及相關的建設標準和質量保證等級。如果對于核電廠物項，要求是反應性控制、臨界安全控制、包容核物料的密封性控制及對于安全設備支撐部件；對其他核工程而言，則主要分析防止臨界出現和物料的包容密封性實現，以及安全設備支撐部件的安全性。

質量保證等級確定的一般原則，如果是標準定型產品，檢修維護或更換相對容易，則確定為質保等級QA3或更低質保等級，依據供貨商質保程序進行；如果是非標準設備，檢修維護或更換相對容易，則確定為質保等級QA2，設計審查和制造要求較為嚴格的質量保證程序；如果是非標準設備，檢修維護或更換困難，則確定為質保等級QA1，采用設計審查、制造要求和原材料復驗及節點控制等最嚴格的質量保證程序。

對于一般核工程，有創新技術的生產線，要分析執行安全功能的物項事故后果嚴重程度，即對于環境、人員產生的重大影響，以及產生這種影響的事故始發事件或事故可能發生的概率。此外，還包括事故可能持續的時間，以及需要多長時間進行應急救援和干預，需要干預的持續時間等。核電工程一般要進行非常多的研究和試驗驗證，對系統的分解和安全論證細致而清楚，常使用確定性方法和概率論方法結合，但不同型號的反應堆，也有不同的物項分級方法和認定。核工程通常會借鑒核電工程的一些標準或經驗。

7 基準探討

有的項目設計基準事件，如外部飛射物影響，需要考慮防護墻的厚度和耐受力，以及掩體里面儲存生存物資的豐富程度，以滿足食品的要求、飲用水的要求和最基本的呼吸控制的要求，實現可居留性，時間長度則考慮1周或2周。有研究顯示，經過高效過濾器送風的控制室，在遠離反應堆一定距離時，可以防止極端狀況下煙羽區帶來的影響，保證人員的安全。有些項目要求控制室的可居留性，核電會產生煙羽區和放射性物質失控釋放事故，非反應堆的核工程項目則不同，只是針對化學品的原因進行可居留性設計。化學品的防護自有其特點和要求，宜分別表述并分別要求，不宜盲目照搬。物項的分級可分為安全級、非安全級甚至是非安全級有特殊的要求，對于其界面接口邊界的處理，就高不就低。因此而確定的物項，其設計思路與驗證思路也不同，會根據安全功能采取不同措施，表現在抗震水平、采用標準、質量保證等級不同，甚至于檢測檢驗標準嚴格程度也不同。

核工程項目中的安全設計可根據實際情況和業主需要，初步提出設計標準與安全審評機構溝通。一般放射性包容功能為主要安全功能，分級采用定量計算的方式，根據物項所包容的放射性物質核素的種類與總活度的大小來進行級別劃分，分析放射性物質的量、形態、相互作用與彌散特性等因素，建立數學模型，依據放射性的吸入與照射水平確定。

非反應堆類核工程項目，由于各種項目特點屬性不同，工程選址和生產能力不同，加工生產的產品物料屬性和源項不同，工程安全等級和工程措施也不同。目前的標準建設相對而言無法充分滿足各類項目生產建設需求，細致化程度也有差別，編制標準需要研究和時間，因此，應多借鑒相應標準。核電廠標準相對完善，但在借用時，應考慮論證其有效性和適用性，標準的來龍去脈，而不能一味拔高標準。特別是抗震標準這類對工程影響較大的標準條款，如針對核電特有的余熱排出和反應性控制等特性制定的相應措施（如防止煙羽區的可居留性等），在實際工程中均可進行研究，根據實際情況確定。

8 結語

MOX核燃料芯塊燒結氣氛首先要符合工藝要求，工程中考慮氣體的適應性和參數控制，并考慮物理沖擊和化學反應沖擊的安全性及潛在泄漏后安全措施。像這樣的工程生產項目，策劃時經分析確定物項分級，對事件事故后果影響程度及其可能發生的概率，綜合考慮論證，確定物項分級；在工程設計中，物料源項和產品要求反復探索驗證，確定論證和驗證的方案技術關鍵點，會使生產工藝流程更趨合理可行。