对美国燃料循环设施抵御自然灾害标准的分析与思考

申 红

（环境保护部核与辐射安全中心，北京 100082）

目前，我国对核电厂的设计、建造有一系列总的安全规定的设计准则、设计方法和评价方法。但对其他核燃料循环设施（浓缩铀厂、铀转化厂、核燃料后处理厂等）却没有相应的有关安全设计和评价标准，给设计和生产运行带来了一定的困难和不便。

美国是自然灾害和地震灾害相当严重的国家，核设施的安全受到高度重视。为了防灾、减灾，美国能源部制定了一套较完善的关于核燃料循环设施减轻自然灾害影响的法规和标准体系(简称NPH标准) ，以工程可用的方式，为安全问题、选址调查、设计程序以及安全评价提供了一个相互协调的工作程序，有效地保障了核燃料循环事业的安全发展。

我国核燃料循环工程建设的迅速发展也要求有相应的标准、规范进行指导，如果能学习和借鉴美国标准，结合我国情况将一些标准转化过来，为我所用，是一件很有意义也很必要的事情。

1 美国NPH标准体系的特点及内容

美国能源部关于核燃料循环设施减轻自然灾害影响的标准体系，由法规、DOE命令与指南、技术标准组成。以工程可用的方式，为减轻自然灾害（主要考虑地震、大风、洪水影响）在选址、设计以及安全评价方面提供了工作程序。

1.1 NPH标准体系的构成

NPH标准体系由以下内容构成：

法规10CFR Part 830 核安全管理；

指令DOE O 420.1 设施安全；

指南DOE G 420.1-2 减轻自然灾害的指南。

技术标准：

DOE-STD-1020 自然灾害设计和评价准则；

DOE-STD-1021 建（构）筑物、系统和部件防御自然灾害的性能分类准则；

DOE-STD-1022 厂址自然灾害调查准则；

DOE-STD-1023 自然灾害评估准则；

DOE-STD-1027 设施危险分类和事故分析技术；

DOE-STD-3009 非反应堆核设施安全分析报告的编制导则。

1.2 NPH标准体系的特点

美国关于核燃料循环设施减轻自然灾害影响的标准体系具有以下特点：

（1）不同层次的技术法规体系

法规10CFR Part 830“核安全管理”和法令DOE O 420.1“设施安全”对减轻自然灾害（NPH）影响提出政策性的方针和要求，为满足这些要求，核燃料循环设施在设计、评价时要遵循标准（1020，1021，1022，1023、1027、3009）。

（2）NPH标准体系的整体性

NPH标准体系中各领域标准之间（1020，1021，1022，1023、1027、3009）相互协调、相互补充，将设施性能分类与安全分析活动、自然灾害设计准则之间有机地联系在一起，形成一个完整抵御自然灾害的标准体系。

（3）NPH标准体系为减轻自然灾害提供了相互协调的工作程序

NPH标准体系以工程可用的方式，为安全问题、选址调查、设计程序以及安全评价提供了一个相互协调的工作程序。采用NPH标准体系进行设计和安全评价步骤如下：

1）采用DOE-STD-1027、DOE-STD-3009对构筑物、系统和部件进行安全分类；

2）采用DOE-STD-1021对建（构）筑物、系统、部件进行性能分类；

3）采用DOE-STD-1022中的方法对厂址具体研究，或者评估有关NPH厂址特征的已有数据，需要时按照1022标准对厂址具体分析；

4）按照DOE-STD-1023完成对厂址自然灾害的评估；

5）设计建造新设施或评价已有设施，DOESTD-1020标准中提供了建立自然灾害承载的规定年超出概率、容许的响应水平、加载的组合准则、设计详细要求、质量保证要求；

6）DOE-STD-1027-92和DOE-STD-3009-94提供了设施危害分类和事故分析。

新设施的设计顺序和已有设施的评估顺序是按照从危害分类到通过安全分析最终将建（构）筑物、系统和部件的NPH类别归为性能级别（PCs）的顺序进行的。整个过程的聚焦点集中在对建（构）筑物、系统和部件防御自然灾害的性能分级上，性能分级是关键。而且设计过程与安全分析是相互反复的。

2 NPH标准在设计中的应用

对于自然灾害，通过适当的设计,设施可以达到减轻自然灾害影响的目的，以下几个支持性标准提供了具体方法。

DOE-STD-1020 自然灾害设计和评价准则；

DOE-STD-1021 建（构）筑物、系统和部件防御自然灾害的性能分类准则；

DOE-STD-1022 厂址自然灾害调查准则；

DOE-STD-1023 自然灾害评估准则；

DOE-STD-1027 设施危险分类和事故分析技术；

DOE-STD-3009 非反应堆核设施安全分析报告的编制导则。

2.1 分级方法是设计的核心

设计中减轻自然灾害影响的一个关键因素就是分级方法的使用。由于核燃料循环设施具有多样性，有些设施是不具有放射性的辅助设施，有些则是包含危险性材料的设施。采用分级方法，可以根据不同的设施制定不同的保护目标，采取不同的保护措施，使安全性和经济性得到优化分配。NPH标准要求利用分级方法为各种各样的核设施提供自然危害保护的合理级别。

DOE-STD-1021建（构）筑物、系统和部件防御自然灾害的性能分类准则在决定核设施内部具体的系统、结构或部件属于哪一危害性能类别时提供了指导帮助。该准则论述了设施安全分类和性能类别的概念,指导如何选择性能类别以满足减轻自然灾害影响的要求。

基本分级方法要求核设施中的每一个构筑物、系统和部件都要根据其安全重要性归为5个性能类别中的1个，按照自然危害不可接受概率,每一个性能类别要有一个特定性能目标。分级基本方法如下：

PC-0：没有必要考虑的自然危害，即此类自然危害不能成为问题。

PC-1：要防止主要结构破坏、倒塌或其他故障危及人员的生命安全。但是没有考虑危害发生后，建（构）筑物、系统和部件是否继续使用的问题。

PC-2：要保证基础设施（消防中心、应急中心、医院）的可运行性及防止操作人员的身体受伤。当安全分析确定因工人安全需要对低危险性物质做局部有限密封时，有关的建（构）筑物、系统和部件，要按照PC-2的规定执行。如手套箱、局部过滤器、通风系统、监测器、报警器、走廊、楼梯和门、通讯系统、撤离的应急照明。PC-2的设计准则与标准建筑规范中基础设施（医院、火警站、紧急运行中心）的设计准则相类似。

PC-3：当设施在实现它们的安全职能时发生故障，由于这些故障的发生导致放射性或有毒性物质从设施内部释放出来，引起对公众健康和环境的潜在危害。PC-3要预防或减轻临界事故、化学爆炸和危险性材料释放到设施外的潜在事件。这个类别的设计主要考虑通过设计基准事件限制设施损害，使危险性材料被控制，保护运行人员，保证设施运行不被中断。当安全分析确定因工人安全需要对高危险性材料进行局部密封时，有关的建（构）筑物、系统和部件,要按照PC-3 的规定执行。PC-3与商用钚设施的建筑规范要求和民用核电站中的保守性相一致。

PC-4：设施在实现它们的安全职能时发生故障，由于这些故障的发生导致大量的放射性或有毒性物质从设施内部释放出来，造成对公众、环境的危害。PC-4建（构）筑物、系统和部件,被指定为“类似反应堆”，确定释放出的放射性或有毒性物质是否类似于大型反应堆的释放量，可依据安全分析报告。这个类别的设计主要考虑通过设计基准限制设施损害，使得危险性材料被控制和限制，保护运行人员，保证设施的运行不被中断。PC-4地震条款与民用核电站地震评价或设计中采用的条款相似。

2.2 自然灾害评估

地震和其他严重自然灾害是很难分析和预测的,因此对建构筑物、系统、设备等选择出可防御的合适的设计荷载是很困难的。利用历史记录、区域地质图和其他调查报告的信息，研究人员建立一个模型来估计各种等级的自然危害对某一场所的影响，设计者和建造者利用这些信息，设计建造建（构）筑物、系统和部件，以抵制这些危害的影响，从而减少了对人类生命、财产和环境造成危害的风险。DOE-STD-1023介绍了现场自然灾害评估要求及评估方法。

自然灾害估计要和分级法考虑的性能类别对应。对于含有性能类别3和4的建（构）筑物、系统和部件的厂址，必须要有厂址具体的自然灾害评价报告。对于含有性能类别1和2的建（构）筑物、系统和部件的厂址，如没有厂址自然灾害评价，使用标准建筑规范或国内统一标准的自然灾害图就能满足要求。对于有厂址具体自然灾害评价的厂址，性能类别1和2中的建（构）筑物、系统和部件，必须要评价或设计现场最大的特定值，并要能证明这些值是合适的。

（1）新厂址

评估：对于含有性能类别3和4的建（构）筑物、系统和部件的新厂址，必须要有厂址具体的自然灾害评价，这份评价需要包括DOESTD-1022中说明的现场具体信息。

选址：选址计划必须考虑所有的自然灾害的影响。例如，地震活动、地质危害和土壤破坏危害都必须要考虑到。必须避免将建筑物的地址选择在活性地质断层、遭受滑坡或土壤液化极易发生的不稳定性区域。除此之外，不能将建筑物的地址选择在没有保护（防洪堤或堤防）的洪区内，那里等于或超过性能目标的年超过概率的洪水深度和其他的洪水效应会严重影响到建筑物的性能。特别要注意可能遭受包括地震引起的故障使上游水坝或水库发生溃坝的厂址。

（2）已有现场

对已有现场，如果NPH评估的技术发展水平或厂址具体信息发生了重大变化，则必须更新自然危害评价。如果在以前仅有性能类别1和2的建（构）筑物、系统和部件，且没有厂址具体自然危害评价，而现在要建造或安装性能类别3和4的建（构）筑物、系统和部件时，必须要进行厂址具体NPH评价。至少每十年要对自然危害评价方法的技术发展水平和厂址具体信息进行一次审评。

2.3 缓解自然灾害的设计

自然灾害设计和评价准则（DOESTD-1020）提供了根据划分的建（构）筑物、系统和部件性能类别来进行设计评价的程序。标准采用了分级方法来保证设计/评价中的保守性，规定了地震、风、洪水等自然灾害方面的设计/评价方法，规定了怎样建立各级别建（构）筑物、系统和部件的设计/评价基准地震荷载；怎样评估建（构）筑物、系统和部件对这些荷载的反应和怎样判断反应是可接受的。标准也涉及设计细节和地震安全的质量保证。地震设计/评价规定不仅适用于建、构筑物，也适用于建、构筑物内所包含的设备、系统、管道。

设计/评价准则要求对每一个性能类别的建（构）筑物、系统和部件规定特定性能目标，性能目标用自然危害不可接受概率表示。根据不可接受概率可进一步得出自然危害的承载能力。将承载能力与一定保守性水准的设计评估程序结合起来，就可以达到执行目标。设计评估程序要与工程实践中的国家统一规范标准紧密结合。

自然灾害设计/评价程序包括以下几个步骤：

1）按照每一个性能类别自然危害不可接受的概率(自然危害概率)来确定自然危害承载能力。

2）评价建（构）筑物、系统和部件对自然灾害荷载的反应。

3）评估计算联合承载能力得出的反应是否容许。

4）在自然灾害可能发生时，为达到预期的性能目标，按照相应的条款进行设计。

3 对NPH标准的思考

3.1 NPH标准的先进性

（1）体现了风险防范、事前预防的原则

美国这套体系体现了风险防范的原则，强调对安全问题进行认真的提前分析规划和采取有效措施阻止潜在的有害行为，这一点对核能安全非常重要，因为核事故一旦发生，可能会造成无法挽回的灾难性后果。因此，对于自然灾害，核设施安全标准的重点应着眼于事前的风险防范，围绕核设施整个生产环节，尽可能考虑所有可能的风险因素。

事前预防体现在技术安全方面主要是在工程设计上要尽可能考虑到一切可能会出现安全隐患的环节，确保设计的安全、科学。首先是选址安全，设施的建造必须考虑合适的地质条件，防止地震、洪水等事故造成放射物质外泄。

（2）是一套完整的不同层次的技术法规标准体系

法规、法令作为顶层文件对减轻自然灾害影响提出政策性的方针和要求，为满足这些要求，制定了相关标准。在法律法规等法律形式文件中引用技术标准，使标准成为法律法规的技术依据和组成部分。这是发达国家标准法制化的重要特征。

（3）重视安全分级与事故分析

设计中减轻自然灾害影响的一个关键因素就是分级方法的使用。由于核燃料循环设施具有多样性，有些设施是不具有放射性的辅助设施，有些则是包含危险性材料的设施，采用分级方法，可以根据不同的设施制定不同的保护目标，采取不同的保护措施，使安全性和经济性得到优化分配。NPH标准要求利用分级方法为各种各样的核设施提供自然灾害保护的合理级别。分级的思想贯穿于整个核活动，各标准之间相互协调，保证整个核活动要求的一致性。重视事故分析，有利于设施的安全评价、性能分类。

（4）安全分析采用概率法

与传统的确定论安全分析相比，概率安全分析提供了一种系统的方法，可以找出源于各种始发事件的事故序列，现实地确定事故序列的后果及频率。概率安全分析还可以现实地确定核燃料设施的风险水平。

3.2 几点考虑

我国目前没有针对核燃料循环设施抵御自然灾害的标准, 我国在设计这类设施时，对于放射性风险相对低的设施如：铀转化工厂、铀浓缩工厂、元件厂等所采用的标准大都为民用标准，而对放射性及化学污染风险相对较高的乏燃料后处理厂，其主要厂房设计采用的是核电标准。美国NPH标准是一套完整的针对自然灾害的标准体系, 在对NPH标准分析与理解的基础上,有以下几点考虑:

（1）加快我国核燃料设施法规制修订工作

加快我国核燃料设施的法规制修订工作，如对HAF301民用核燃料设施安全规定进行修订，借鉴国外经验,在有关核燃料循环设施安全法规中补充明确对自然灾害要求的技术文件，增强法规的可操作性。

（2）建立我国核燃料设施抵御自然灾害标准组成框架

以法律法规作上层文件, 在法律法规下制订抵御自然灾害标准。以标准组成框架为指导，进行标准的制定。

（3）对NHP标准进行转化

美国NPH标准，涉及地质、气象、风险评估、土木工程设计等领域，内容全面、详细，其中有很多对具体方法的描述、解释和举例。结合我国的工程技术经验,对一些标准进行转化。如转化DOE-STD-1020自然灾害设计和评价准则；DOE-STD-1021建（构）筑物、系统和部件防御自然灾害的性能分类准则；DOE-STD-1022厂址自然灾害调查准则；DOE-STD-1023自然灾害评估准则等。

4 结束语

我国核燃料循环工程建设的迅速发展，急需有相应的标准、规范进行指导，但要直接应用美国这些标准有一定的困难，因为美国标准之间的联系非常紧密，标准往往与DOE命令、指南及其他有关的国家规范一起使用。因此，很有必要做标准转化工作，使标准与我国其他标准兼容，并符合设计要求，NPH标准涉及面广，转化成符合我国国情、与国际接轨的标准，是一项复杂的、难度非常大的工程，但却是一项非常有意义和有必要的工作。

[1] GB 50011—2001 建筑抗震设计规范[S].（GB 50011-2001 Code for Building Aseismic Design[S].）

[2] 民用核燃料循环设施安全规定[S]（1993年6月17日 国家核安全局令第3号发布）.（Safety Regulations for Civil Nuclear Fuel Cycle Facilities[S] (No.3 decree of the National Nuclear Safety Administration issued on June 17, 1993).）

[3] 我国核安全法规概述[J]. 辐射防护通讯，2007，2.（Overview of China’s nuclear safety laws and regulations[J]. News Report of Radiation Protection, 2007, 2.）

[4] 田胜清. 核工程的抗震分级、建构筑物分类、设防标准及抗震分析方法[R]. 核工业第二研究设计院.（TIAN Sheng-qing. Seismic grading,classification of building and structures, defense setting standards and aseismic analysis methods for nuclear engineering[R]. Beijing Institute of Nuclear Engieering.）

[5] Natural Phenomena Hazards Design and Evaluation Criteria for Department of Energy Facilities（DOE-STD-1020）.

[6] Natural Phenomena Hazards Performance Categorization Guidelines for Structures，Systems and Components（DOE-STD-1021）.

[7] Natural Phenomena Hazards Assessment Criteria（DOE-STD-1022）.

[8] Natural Phenomena Hazards Assessment Criteria（DOE-STD-1023）.

[9] Doe Standard Hazard Categorization and Accident Analysis Techniques for Compliance with Doe Order 5480.23，Nuclear Safety Analysis Reports（DOE-STD-1027）.

[10] Preparation Guide for U.S Department of Energy Nonreactor Nuclear Facility Documented Safety Analyses（DOE-STD-3009）.