福島核事故后美國超設計基準事故管理監管要求研究

楊志義，張寧娜，王岳巍，丁超，宋明強，種毅敏，趙丹妮,*

（1. 生態環境部核與輻射安全中心，北京 100082；2. 中國核電工程有限公司，北京 100840；3. 華龍國際核電技術有限公司，北京 100036）

2011 年3 月11 日，日本東部海域發生9級地震，并導致超過14 m 的海嘯。最終，福島第一核電廠的多個機組發生了堆芯熔化，氫氣爆炸進一步加劇了放射性物質向環境的大量釋放，產生了嚴重的后果，給核能發展帶來了深遠的影響。福島核事故后，美國短期特別調查專家組（NTTF）向NRC 提交了“21 世紀提高反應堆安全的建議”[1]，認為雖然目前核電廠的運行和NRC 的監管活動不會對公眾健康和安全造成迫在眉睫的即時風險，然而更加均衡的縱深防御原則的應用將提升法規體系的合理性、系統性和邏輯性，體現針對概率低但后果嚴重的事故應對能力的適當要求，從而顯著提升安全性。具體地，NTTF 提出一些基于福島核事故分析得出的建議，包括5 個方面12條[1]。

2011 年12 月，NRC 確定了借鑒福島事故經驗教訓所采取建議行動的優先次序[2]，并認為針對部分建議可以形成法規。NRC 于2012 年3月發布EA-12-049 號命令（Mitigation Strategies Order，MSO 命令）[3]和EA-12-051 號命令（Spent Fuel Pool Instrumentation，SFPI 命令）[4]，要求所有美國核電站許可證持有者進行改進，實施策略和導則來緩解超設計基準外部事件，以應對無限期內喪失廠內固定交流（AC）電源，維持或恢復反應堆、乏燃料和安全殼的冷卻，并要求有可靠的SFP 水位指示手段。經過詳細研究，NRC 于2015 年11 月形成MBDBE（Mitigation of Beyond Design Basis Event）法規的建議稿（80 FR 70609）[5]。經過公眾參與、NRC 的研究與討論，最終于2019 年9 月9 日正式生效了法規§50.155 Mitigation of beyond-design-basis events[6]。

本文對MBDBE 法規的技術內容進行了解讀，對配套的導則和NEI 技術文件進行了歸納和總結。在上述工作的基礎上，總結了對國內相關工作有借鑒意義的若干關鍵問題，并對相關工作提出建議。

1 MBDBE 法規基本情況

1.1 主要技術內容

MBDBE 法規主要技術內容概述如下：

（1）必須制定、實施和維護相關策略和導則，包括：

1）超設計基準事件的緩解策略。開發緩解由自然災害引起的超設計基準事件的策略和導則，即假設失去所有交流電源同時喪失至最終熱阱的正常途徑，或者對于非能動反應堆設計，喪失至常規熱阱的正常途徑的情況，這些策略和導則必須能夠覆蓋整個廠址且包括：

①保持或恢復堆芯、安全殼和乏池冷卻能力；

② 獲取或使用廠外援助或資源以永久的支持上述（i）中的功能，或者無需采取緩解策略也可維持整個電廠的能力。

2）大范圍損傷管理導則。在因爆炸或火災影響而導致核電廠大范圍損傷的情況下，開發維持或恢復堆芯、安全殼和乏燃料池冷卻能力的策略和導則，包括：

①消防；

② 緩解燃料損傷的操作；

③最大化減輕放射性釋放的行動。

（2）設備。

1）本節第（1）1）款要求的緩解策略和導則所依賴的設備必須具有足夠的容量和能力來執行要求的功能。

2）必須合理保護本節第（1）1）款所要求的緩解策略和導則所依賴的設備，避免其受與該設備設計基準假定的自然災害相當級別的影響。

（3）培訓要求。各執照方應根據本節第（1）1）款和2）款所要求的能力對進行活動的人員進行培訓。

（4）乏燃料池監測。為了對事件緩解和恢復措施進行有效的優先排序，各執照方應提供可靠的手段，遠程監測廠址內所有乏燃料池的寬量程水位，直至所有燃料已在乏池貯存超過5 年。

1.2 相關的監管導則和技術文件

MBDBE 法規下層發布了兩個監管導則RG 1.226[7]和RG1.227[8]，以及由于對2015 年征求意見稿的修改 NRC 決定不再發布 RG1.228（Draft）[9]。更詳細地，NEI 頒布了相應技術文件，并被NRC 認可是滿足MBDBE 法規要求的做法。這些導則和技術文件的對應關系如下：

（1）RG 1.226“應對超設計基準事件的靈活緩解策略”響應EA-12-049，技術文件：NEI 12-06：多樣化靈活的應對策略實施指南；

（2）RG 1.227“寬量程乏燃料水池液位測量”響應EA-12-051，技術文件：NEI 12-02：乏池監測能力指南；

（3）RG 1.228（Draft）“應對超設計基準事件的規程能力整合”響應EA-12-049，技術文件：

1）NEI 12-01：評估超設計基準事故響應人員和通信能力指南；

2）NEI 13-06：增強超設計基準事故和嚴重事故的應急響應能力；

3）NEI 14-01：超設計基準事故和嚴重事故應急響應程序和導則。

1.3 MBDBE 的完成情況

2020 年2 月，NRC 發布福島核事故后主要命令的實施狀態，針對MSO（EA-12-049），2018年所有運行核電廠均已完成，2019 年NRC 依據TI-191 開展了檢查并得出結論均滿足要求，包括FLEX 設備及連接。針對SFPI（EA-12-051），2017 年7 月30 日所有運行核電廠均已完成改造，NRC 的檢查也已完成。

1.4 對新堆安分報告審評的影響

福島核事故后，NRC 開展完成了APR1400和NUSCALE 兩個新堆的審評，分別是2018 年9 月和2020 年8 月。APR1400 的設計控制文件（DCD）第19.2 節是嚴重事故內容；19.3 節為超設計基準外部事件應對，基本包含了福島核事故后美國相關命令/要求的響應；19.4 節包含了對大范圍損傷的處理，內容較為簡略。NuScale 的設計控制文件（DCD）將超設計基準外部事件和大范圍損傷管理單獨作為第20 章內容，分別為20.1 和20.2 節，第19.4 節留空。不難看出，在MBDBE 法規（10CFR50.155）發布后，新堆項目申請文件中會要求包含相關內容，NRC 將進行評價。

2 應對超設計基準事件的靈活緩解策略

EA-12-049[3]要求分為三個階段來應對超設計基準外部事件（見圖1）：

圖1 EA-12-049 緩解策略概覽Fig.1 Overview of EA-12-049 mitigating strategies

（1）初始階段使用固定設備維持或恢復堆芯、安全殼和乏池冷卻；

（2）過渡階段使用充足的、便攜廠內設備和消耗品實現上述功能，直到廠外資源可用；

（3）長期階段使用廠外資源實現上述功能。

NRC 發布了RG1.226“應對超設計基準事件的靈活緩解策略”，其中認可了2016 年12月發布的NEI12-06 第4版[10]的相關做法，認為其可以滿足相關的法規要求并對技術予以澄清。

NEI12-06 提出了多樣化靈活的應對策略（DIVERSE AND FLEXIBLE COPING STRATEGIES，FLEX）。它基于這樣一種理念，即使MBDBE也無法應對所有超設計基準事故，一直會有更嚴重的事故，FLEX 汲取福島的事故場景，提供了附加的緩解策略以應對不確定性，具有非規程式特征，不依靠固定設備（電池除外），而使用靈活設備，更加靈活策略的運用，NRC 認為這種策略滿足福島核事故后的監管初衷。

FLEX[11]增加超設計基準場景下應對廠址內全部機組同時發生ELAP 和LUHS 時的縱深防御能力。由以下幾個要素構成：

（1）FLEX 為維持或恢復廠址內所有機組關鍵安全功能而獲取電源和水源；

（2）對移動設備進行適當的存放和保護，使其免受BDBEE 的影響；

（3）開發執行FLEX 策略的規程和指導手冊FSG；

（4）開發確保FLEX 策略持續有效、可靠的管理大綱。

FLEX 策略的目標是利用已安裝設備、場內移動設備和預先存放的場外資源，建立一個長期的防止堆芯和乏池燃料損壞、維持安全殼功能的能力，以應對ELAP 疊加LUHS 事故，這些事故可由設計基準外部事件疊加額外失效造成，也可由超設計基準外部事件導致。由于超設計基準實質上沒有邊界，所以在合理可行的情況下，可利用電廠特點和超設計基準評估結果開發應對策略。

FLEX 策略關注的是維持或恢復電廠關鍵安全功能，不受特定的外部事件損壞狀態或機理評價的限制。在某些情況下，為了使實施策略針對的是災害最可能導致的威脅本身，會附加特定災害邊界條件。基于安全功能的方法與電廠緊急操作規程（EOP）中采用的狀態導向方法是一致的，這樣便于利用FLEX 策略對運行和應急響應體系中的規程和指導手冊提供支持（見圖2）。

圖2 事故規程中的FLEX 策略Fig.2 FLEX strategies in accident procedures

盡管FLEX 策略主要用于防止燃料破損，但是這些策略同樣適用于燃料破損后的事故緩解。

NEI12-06 中的每個步驟如圖3 所示，第一步，基準能力的建立給出維持安全功能需要保持的最小基準能力；第二步，確定適用的外部災害從而對設備提出防護要求；第三步，廠址特定FLEX 能力的建立，對應對所有廠址適用災害的場內外資源進行整合。

圖3 NEI12-06 中的靈活緩解策略步驟Fig.3 Steps of the flexible mitigation strategy in NEI12-06

3 寬量程乏燃料水池液位測量

為了對事件緩解和恢復措施進行有效的優先排序，各執照方應提供可靠的手段，遠程監測廠址內所有乏燃料池的寬量程水位，直到該乏燃料池內的所有燃料最后一次用于發電的時間已過5 年。SFPI 命令要求為受訓人員提供如下水位指示，包括正常水位、足夠輻射屏蔽水位，以及燃料仍未裸露但需立即補水的水位，如圖4 所示。

圖4 寬量程乏燃料水池液位測量Fig.4 Measurement of the wide range spent fuel pool level

SFPI 命令在儀表配置、布置、安裝、鑒定、獨立性、電源、精度、測試、顯示等九個設計方面，以及培訓、程序、測試和校準等三個管理方面提出具體要求。為滿足10CFR50.155 的乏池測量的相關要求，NRC 發布了RG1.227“寬量程乏燃料水池液位測量”，其中認可了2012年8 月發布的NEI 12-02 第1 版“乏池監測能力指南”[12]的相關做法，認為其可以滿足相關的法規要求并對技術予以澄清。

4 應對超設計基準事件的規程能力整合

NRC 于2012 年4 月18 日發布了擬定法規的預先通告（Advance Notice of Proposed Rulemaking，ANPR 77 FR 23161），開展現場應急響應程序整合、培訓和演習相關的法規制定。在美國，EOP 和EDMG 由法規要求，SAMG 由業界自愿開展。ANPR 的作用在于實現各規程之間的合理過渡，明確相應的指揮和決策權限，對關鍵人員進行培訓，開展標準化的培訓和演習，明確SAMG 的法規要求。

然而，NRC 經研究認為目前相關文件如EDMG 以及NEI 12-06 的11.4 節，已經說明開發相關規程時需要考慮與已有規程的協調性。NRC 認為厘清各規程關系并建立機構人員來實施即可，指出整合要求并不會大幅度增加安全性，因此在法規的終版中刪除了上述要求。NRC要求開展SAMG 的定期監督（培訓、演練等），保障SAMG 的有效性。

在法規制定過程中，NRC 配套制定了“應對超設計基準事件的規程能力整合”（RG1.228初稿），但由于法規終稿中刪除了上述要求，該導則沒有最終發布。RG1.228 初稿中認可了NEI 12-01[13]、NEI 13-06[14]和NEI 14-01[15]的相關內容并對技術予以澄清。

4.1 NEI 12-01

NEI 12-01 說明（見圖5），超設計基準事故下響應人員和通訊能力建立的通用假設包括：

圖5 超設計基準事故下響應人員和通訊能力建立Fig.5 Building of beyond design basis accident response staffing and communication capabilities

（1）大規模外部事件導致廠址所有機組事故、長時間喪失全部交流電，并限制了接近機組的路徑；

（2）所有機組事故時均處于滿功率狀態并成功停堆；

（3）事故期間不考慮響應行動；

（4）路徑不可接近包括：考慮由于道路清障等6 h 的完全不可達；考慮6～24 h 內可考慮個人步行、個人車輛等的部分可達；24 h 以后考慮基本可達，包括大的設備和相當的人員數量等。

對于人員評估的特定假設還包括當班人員僅考慮現場應急計劃允許的最小人數，通常是周末或假日期間出現。對于通信的特定假設還包括固定交流電源均不可用、直流電源和逆變器可用/燃油可用/SAMG 和EDMG 的便攜設備可用/現場基礎通信設施可用（前提是通過外部事件的評估）、去掉不必要的負載、場外基礎通信設施不可用等。

4.2 NEI 13-06

NEI 13-06 中給出了多機組劑量評估的建議行動。首先是多機組劑量評估能力的建立，持照者應建立使用計算機開展喪失所有交流電情況下多機組劑量評估的能力，若電廠監測不可用，還應具備使用外界劑量反推劑量計算的能力。持照者還可考慮人工計算方法用于補充計算機評估，但應有時間限制，如不超過30 分鐘。應評估多機組劑量評估對應急計劃和防護行動的影響，以確定是否需要在應急計劃區外建立應急防護行動的必要和能力。應對于多機組劑量評估能力進行系統的培訓和演練演習，以持續地保障這種能力。

對于培訓，報告要求持照人應對實施EOP/SAMG/FSG/EDMG 的關鍵人員進行培訓，適當時還可考慮人員資質要求。對于操作員應將精力主要放在EOP 上。應在緊張情況下和不利的工作條件下開展練習，還應對一些關鍵設備儀表進行標識，以方便操作。應有一個專門的負責人對各導則（EOP/SAMG/FSG/EDMG）進行統籌實施，應有充足的能力和經驗來進行統籌決策，稱為“最終決策者”（UDM）。

對于演習和演練，首先，電廠應具有對各規程和導則有效綜合利用的能力，演練應保證有效的選擇和采取策略，并保證行動的效率，以降低對設備的需求和對人員安全的影響。應考慮FLEX 對AOP、EOP 支持的演練演習、過渡到SAMG 的演練演習，以及涉及EDMG 的綜合演練演習。應開展一次或多次演習演練，涉及導則和規程的每項策略，對于演練，FLEX保證8 年的演習演練頻率即可。

4.3 NEI 14-01

NEI 14-01 說明，一般核電廠規程和導則包括異常操作規程（AOP）、應急操作規程（EOP，TMI 行動計劃）、FLEX 支持導則（FSG）、大范圍損傷管理導則（EDMG）、嚴重事故管理導則（SAMG）。對于上述規程和導則，電廠應考慮：

（1）制定一份關于超設計基準事故或嚴重事故管理策略的綱領性文件并加以維護；一個框架示例如圖6 所示。

圖6 事故規程整合框架示例Fig.6 Example of framework for integrated accident procedures

（2）應對策略進行審查以識別未覆蓋部分或不一致之處；

（3）每個策略均應包含在規程/導則中；

（4）從一種規程/導則到另一種規程/導則的準則應明確，如某一電廠參數；

（5）規程/導則中實施某一具體策略的準則應明確；

（6）相關策略應可以應對任何運行模式下的超設計基準事故或嚴重事故，某種規程是否完全適用于各種運行工況應予以考慮；

（7）應根據NEI06-12 來制訂策略以應對火災或爆炸引起的大范圍損傷事件，并考慮到不同運行模式下的適用性；

（8）對EDMG 和FSG 的整合應能符合NRC的相關要求。

而與設計基準事件不同，超設計基準事故和嚴重事故是沒有界限的，一般不假設同時再發生火災等（ELAP+火災）。然而，上述事件同時發生也是有可能的，這時候，最終UDM 應根據實際情況判斷緩解行動的優先級。

5 關鍵問題討論

5.1 關于事故工況的確定

經分析可知，MBDBE 不處理所有超設計基準事故，總會存在更嚴重的事故發生的可能性，MBDBE 考慮的事故工況歸納如下：

（1）考慮失去所有交流電源同時喪失至最終熱阱的正常途徑，要求考慮同一廠址的多個機組。針對電源配置要比CFR50.63 更加保守，CFR50.63 僅假設一個機組，規定在SBO 工況下保持功能的時間（允許SBO 的替代交流電源），MBDBE 假設所有交流電源損壞，而且沒有時間限期。

（2）EDMG 是受人為影響的單個機組的大面積危害，不考慮多機組，初期考慮的是失去主控室和備用控制室，或/且喪失所有交流和直流電。

從資源利用的角度，NEI 相關文件指出EDMG 的相關設備可用于FLEX，相關設備均可用于事故規程或嚴重事故管理導則。

5.2 關于多機組事故的應對

在MBDBE 的最終版中，保留了對多機組事故管理的要求，并在NEI12-06 中說明N+1套設備是可以滿足法規要求的一種可選方法。在法規編制的過程中，會考慮利益-代價比的問題，對公眾防護大幅度增加安全性的策略才會保留。

可以看出，美國從福島核事故的經驗反饋和分析認為，需要考慮自然災害可能造成的多機組事故的情況，并從硬件配置和人員方面給出了一套完整、可行的應對策略。

5.3 關于嚴重事故管理導則及規程整合

對于SAMG，NRC 經過詳細的風險分析得出結果，在法規層面仍無強制要求，作為業內的自主倡議所有電廠均開展了相關工作，并在福島核事故后有了相當的進步，NRC 要求在監督中開展SAMG 的定期監督（培訓、演練等），保障SAMG 的有效性。

盡管如此，在目前已發布的NEI 相關文件中，形成了一套相關規程/導則整合的切實可行的方法和策略，作為業界的倡議和共識，可以保證相關工作得到順利實施。

5.4 關于長期的功能維持

從MBDBE 法規中可以看出，由外部自然災害引起的超設計基準事故，即同一廠址的多個機組失去所有交流電源同時喪失至最終熱阱的正常途徑，維持堆芯、安全殼和乏池的冷卻功能并沒有限期，也即需要長期保持這些安全功能。雖然MBDBE 法規中沒有給出具體的策略，但在MSO（EA 12-049）和監管導則中認可了三個時間階段的處理方式。通過合理的使用已有資源、增加便攜式設備，以及建立廠外的區域救援中心，實現了合理、無縫的銜接，實現了長期保持安全功能的能力。

5.5 關于設備的合理防護

MBDBE 對涉及的相關設備有“合理”的要求。這包括兩個方面的含義，首先是有要求，比如通過外部事件的評估及布置，以及乏池的設計（凹槽防飛射物）等等，盡可能對設備進行設計防護，并有相關的維護要求；另一方面，并沒有“過分”的要求，這體現在不需要提高外部事件應對標準、不需要安全級或鑒定等方面，對于維護，相關文件中一直在強調基于性能基礎，比如，如某設備測試試驗性能一直很好，則可減少試驗頻率。

6 總結與建議

MBDBE 法規（10CFR§50.155）發布后，美國超設計基準事故（嚴重事故）的法規體系如下：

（1）氫氣控制（10CFR§50.44）；

（2）SBO（10CFR§50.63）；

（3）ATWS（10CFR§50.62）；

（4）MBDBE 法規（10CFR§50.155）；

（5）大飛機撞擊（10CFR§50.150）；

（6）包含熔融堆芯 -混凝土相互作用、蒸汽爆炸、高壓熔融物噴射、氫氣燃燒、安全殼旁通在內的嚴重事故［10 CFR §52.47（a）（23）］。

本文在總結福島核事故后美國核電廠的改進行動的基礎上，對于2019 年形成的MBDBE法規（10CFR§50.155）的提出背景、沿革、修改、主要技術內容，相關監管導則和指導性技術文件均進行了簡要介紹，對涉及的關鍵問題進行了初步探討。對比起來，國內亦在福島核事故后開展了若干改進行動，發布了相關要求，已開展的部分改進行動可能超出了美國要求，部分可能還存在一些不足，例如，我國對于移動設備布置標高、距離以及可達性比美國要求更加具體；而美國要求策略提供“N+1”套（N為廠址機組數），我國要求“多機組廠址配備至少兩套設備”。這些詳細技術要求的對比和借鑒是后續需要開展的工作。

在上述分析基礎上，對國內相關（僅對應于MBDBE）工作提出如下建議：

組織國內專家隊伍，在本文基礎上，對MBDBE 相關文件進行深入理解，對美國實施現狀進行詳細研究，從中汲取合理可行的部分，對國內相關工作提出優化建議（可能增加或減少），形成國內的法規標準要求，進一步優化《福島核事故后核電廠改進通用技術要求》（試行），將超設計基準事故（嚴重事故）管理作為運行專題進行監管，通過日常監督和檢查持續保證核電廠事故管理能力。