美国核潜艇退役与处理研究

聂玉强，赵海江，杨清轩

(1.海军装备部，北京100841;2.中国船舶重工集团公司第七一四研究所，北京100012)

0 引 言

核潜艇由于隐蔽性好、机动能力强、威慑力大，自20 世纪50 年代中期问世以来，成为大国海军完成其海洋战略的主要作战工具之一。目前世界上拥有和使用核潜艇的有美国、俄罗斯、英国、法国、中国以及印度等6 个国家，在役核潜艇总数达131艘(除中国外)［1］。

尽管核潜艇的使用年限并不固定，但根据目前的经验来看，核潜艇的寿命约为20 ～30 年，这一年限后核潜艇的维修保养费用将越来越高，同时也逐渐无法满足最新的作战需求，因此，核潜艇将面临退役和拆解。由于核反应堆的存在，导致核潜艇退役拆解不同于其他装备，其在拆解过程中很可能产生一系列危险的放射性污染，对人员和环境造成极大损害。因此，对核潜艇的退役处理必须谨慎，需要制定一套完善的退役处理方案，并确保资金充足以及相应设备和设施齐全。

截至2014 年，美国已退役130 艘核潜艇［2］。同时，其新一代攻击型核潜艇“弗吉尼亚”级正陆续建造服役，用以替代逐渐退役的“洛杉矶”级核潜艇。下一代弹道导弹核潜艇也在研制当中。可以预见，未来核潜艇退役数量将进一步增多，核潜艇退役处理问题将越来越受到重视。

1 核潜艇退役处理的基本程序

核潜艇退役的基本处理程序如图1 所示。从图中可看出，核潜艇退役的关键是乏燃料和反应堆舱的处理［3］。

核潜艇退役基本程序如下:

①在海军基地拆除所有的武器、爆炸装置、机密部件以及相关敏感材料;

②核潜艇将驶往指定船坞进行进一步拆解作业，如核潜艇自身状态不佳或有损毁已不能自行航行，将采用拖船或运载的方式将退役核潜艇运送至指定拆解场所;

图1 退役核潜艇处理流程图Fig.1 Nuclear submarine decommissioning process flow chart

③在拆解前反应堆会关闭一段时间，通常为90天左右，以便短暂的衰减放射性同位素。在这段时间内，潜艇上的一些消耗性物资、工具、备件、非固定性设备或装置都将被拆除;

④反应堆内乏燃料的卸载，卸载下的乏燃料有2 个处理办法:一是加工后回收利用，但技术难度大，目前各国均未实现;二是妥善封存后进入长期存储阶段，是现阶段各国均采用的方法;

⑤反应堆舱段的拆解与处理，通常将整个反应堆舱段拆下，封闭两端开口，将舱段运输至某个地点进行集中长期存放;

⑥将除反应堆舱以外的艇体回收处理。

1)乏燃料的卸载

核潜艇驶入干船坞后，则准备卸载乏燃料。通常这一过程根据船厂自身基础设施条件进行，如俄罗斯的乏燃料卸载方式就分为浮船卸载、岸上设备卸载和滑道码头卸载3 种(见图2 ～图4)［4］。其具体步骤通常为:打开艇体外盖，安装卸载乏燃料的设备，利用起重机、导向机和卸载容器取出铀棒燃料组件，放入准备好的存储容器等。

图2 浮船卸载Fig.2 Spent nuclear fuel unloading using FSV

图3 岸上设备卸载Fig.3 SNF unloading using on-shore defueling facilities

图4 滑道码头卸载Fig.4 Defueling in ship dock using“Imandra”FSV

图5 导向机与卸载容器Fig.5 Guiding mechanism with container

2)乏燃料和反应堆舱的处理

乏燃料取出过程将带走反应堆中99%以上的放射性物质，然而此时反应堆中仍存在2 种形式的放射性物质:一是诱导型金属放射性核素，产生于反应堆作用时中子的相互碰撞，附着在反应堆压力舱、管道和附近的舱壁上，大概占残留放射性物质的99.9%;二是放射性腐蚀产物(主要为钴-60)，成薄膜状附着在压力舱、管道之中，大概占残留放射性物质的0.1%。这些残留放射性物质中某些元素的毒性可能会残留几十万年，因此必须对反应堆舱进行有效处理。

至今没有任何一个国家的政府、海军部门或工业实体提出有效的彻底处理退役核潜艇的可行方案。目前，乏燃料与反应堆舱的处理原则都是封闭、隔离和长期存储，使其放射性不扩散、不污染环境、不对人员造成伤害。对乏燃料来说，目前通常是水池存放;对反应堆舱来说，美、俄、英、法等国家主要采用海洋处理、陆地浅层掩埋和陆地深层掩埋这3 种方法［5］。

①海洋处理

针对退役核潜艇，进行海洋投弃是大多核潜艇国家采用的方法。直到现在，向海洋投弃液态或固态放射性废弃物仍然是许多拥有核工业国家的普遍做法。冷战期间，由于核废料的处理问题未引起各国重视，运作简单的海洋处理方法成为各国处理核废料的首选。这一做法在苏联和俄罗斯持续了30 多年，而其他一些核国家也持续了20 多年。但随着国际社会对核废料处理问题重视起来，越来越多限制海洋核废料处理的国际公约被采纳，如《伦敦倾废公约》、《联合国海洋公约》等。总的来说，目前海洋处理核废料的做法将面临着很大国际压力。

②浅层地表掩埋

浅层地表掩埋处理核废料的做法首创于美国。20 世纪80 年代中期，美国海军对核潜艇的反应堆舱采取浅层地表掩埋的处理方式。具体操作步骤包括退役核潜艇驶入干船坞，拆解反应堆舱，密封反应堆舱，运输反应堆舱以及最后在5 m 深地下掩埋反应堆舱。

尽管美国海军认为建造核潜艇反应堆舱的材料不易腐蚀，浅层地表掩埋处理核废料对环境危害微乎其微。但也有学者指出浅层地表掩埋放射性废弃物和核反应堆仍存在核泄漏事故的风险。总的来说，浅层地表掩埋的处理方式需要一片广阔的“无人区”，不适合国土面积较小的国家。

③陆地深层掩埋

相比海洋处理和地表浅层掩埋处理核反应堆的方法，陆地深层掩埋所需成本较高。但是，随着《伦敦倾废公约》最新版本的颁布，极大限制了海洋处理核废料，对于不具备浅层掩埋核废料条件的国家则开始考虑陆地深层掩埋核废料，例如英国就考虑采用陆地深层掩埋处理核反应堆舱［6］。

除成本较高外，陆地深层掩埋还存在一些问题，例如由于尺寸限制，直径10 m、重850 t 左右的反应堆舱无法完全掩埋，因此在进行陆地深层掩埋之前，反应堆舱需进一步拆解，由此产生的安全风险和处理成本将远高于海洋处理和浅层陆地掩埋。为降低处理成本，在进行深层掩埋前，需要在临时存储地冷却很长一段时间，同时对其进行彻底的清洗。总的来说，目前尚没有国家真正采用陆地深层掩埋的处理方法。

2 美国退役核潜艇处理措施

在核潜艇退役处理问题上，美国曾进行了大量研究，并于1984 年公布了一份综合报告。该报告阐明:经过专门处理的核潜艇反应堆舱，无论在陆地还是在海洋埋藏都是安全的，技术上也是可行的。20 世纪80 年代末，美国完成了对有关工艺的研究，制定了核潜艇退役处理标准，随后开始付诸实施。

20 世纪90 年代早期，因拥有充足的资金、完善的生产设施和相关基础设施的支持，美国启动了核潜艇退役处理综合方案。根据“核动力船舶和潜艇回收计划”，所有退役的核潜艇和核动力导弹巡洋舰都在华盛顿州布雷默顿的普吉特湾海军造船厂拆解，该造船厂是美国唯一一个参与回收计划的造船厂［7］。

图6 美国普吉特湾海军造船厂Fig.6 Puget sound naval shipyard

1)退役核潜艇的处理

根据美国工艺规程，普吉特湾海军造船厂把退役核潜艇送到船坞之前，要把潜艇上的武器装备全都拆卸下来;送到船坞后，先熄灭核反应堆，然后按通常办法卸下乏燃料。与此同时，还要做好以下工作:把全部消耗材料、工具、备用品和设备搬走;卸下蓄电池、备用冷冻剂和氧气装置;排干水管、蒸汽管、饮用水管、油管里的水和液体;给医疗卫生系统消毒;切断供电和照明系统的电源;设置临时通风、照明、供电和压缩空气供给系统。上述这些工作通常称为“钝化”。在核潜艇钝化完成后，余下“空”的核潜艇正式退役，剔除出美国海军舰艇名册。目前，由于美国普吉特海湾的工作量过大，退役核潜艇需在其他海军船坞将钝化工作完成后再拖到普吉特海湾进行拆解。

政府对游说的管控主要是以透明原则为基础。但是如作者所指出的:第一，通过立法可以要求游说人公开其游说活动以及与政府官员的重要接触。这样透明却不一定会收到问责的效果。第二，对游说活动的管控最有效的途径，应该是把重点落在政府官员而不是说客身上，因为前者对公众负有信托责任 (fiduciary obligation)，而后者没有。

2)乏燃料和反应堆舱的运输

①乏燃料运输工作

美国退役核潜艇上的乏燃料将全部运至爱达荷(Idaho)国家工程实验室进行处理。在运输乏燃料所用容器上，根据运输方式不同(卡车、火车/驳船)，屏蔽容器也有所不同。

美国卡车公路运输乏燃料用的屏蔽容器重25 t，火车/驳船运输用的屏蔽容器重达125 t。屏蔽容器的外形像一个木桶，内部外部皆采用封装不锈钢结构，里面注满惰性气体，并在外部配置了吸能设备，以减轻事故发生时冲击力对屏蔽容器造成的损伤。

图7 卡车与火车运输用屏蔽容器Fig.7 Generic truck cask for spent fuel and rail cask for spent fuel

表1 卡车和火车运输用屏蔽容器性能参数Tab.1 Typical specifications generic truck cask for spent fuel and rail cask for spent fuel

②反应堆舱运输工作

在装运工作上，首先把准备好的反应堆舱装载到非常牢固的驳船甲板上。在装载过程中，水平移动靠专用拖车，垂直移动用液压起重机。安放稳妥后将其焊在驳船甲板上，然后用大型拖船拖往华盛顿州的本顿港。全部拖载作业包括沿航线行驶、日常行动和发生事故时的应急行动，都要由承包单位拟定计划，并经海军批淮。除运输部和海岸警卫队提供的帮助外，海军还要采取专门防范措施，保证拖载安全。

此外，美国在废弃反应堆舱装运驳船及其运输等工作，都制定了严格标准，如运输部和核能委员会关于包装、运输低放射材料的标准;能源部关于埋藏这种材料的标准等，甚至运输反应堆的驳船都有相应的标准。

3)乏燃料和反应堆舱的贮存

①乏燃料贮存工作

目前，美国所有核潜艇乏燃料存放在爱达荷国家工程实验室的水池中。另外，由于美国政府要求存放在爱达荷的核潜艇乏燃料必须在2035 年之前得到进一步处理，有关方面正积极寻找过渡性或长久性的乏燃料储存地。

图8 美国爱达荷国家工程实验室(左)与乏燃料贮存水池(右)Fig.8 Idaho national engineering laboratory and spent fuel storage pool

②反应堆舱贮存工作

美国的核潜艇反应堆舱大部分埋藏在华盛顿州的汉福德试验场。该试验场分东、西2 个区，由8个区段构成，总面积约2.1 km2。反应堆舱埋在东部高地的专门区段，海拔高度约213 m，距试验场中心不远。从1976 年起，这个地段就成为埋藏放射性核废料的场地，到1993 年8 月，这里已埋藏了31个反应堆舱。

图9 华盛顿州汉福德反应堆舱存放场Fig.9 Naval reactor compartments at Hanford

在反应堆舱贮存安全上，根据美国的检测结果，反应堆舱的密封防护程度比汉福德试验场规定的标准和海军放射监督勤务部门为密封集装箱规定的标准要高。据推算，反应堆舱在30 年内不会失去密封性。在今后相当长一段时间内，反应堆舱将有效地同周围环境隔绝，这期间不稳定的同位素将会分裂，只有少量放射物质还留在合金里，而在汉福德这种土质条件下，合金可长期抗腐蚀［8］。

该结果还显示，只有反应堆舱外部钢壳因腐蚀破坏，反应堆部件直接锈蚀时，放射性和有毒物质才会释放出来，但这一过程在荒漠条件下十分缓慢。研究结果表明，600 年之后铅防护层的某些地方才开始破坏，而反应堆外壳保护层受破坏需更长时间。

4 结 语

总的来说，在退役核潜艇的处理上，目前美国表现出的特点为:制度完善、技术先进，但乏燃料处理仍未完全成功。

美国国土面积广阔，在处理贮存退役核潜艇的核反应堆舱上具有良好的浅层地表掩埋条件。此外，制度完善、技术先进和充足的财政支持有力保障了美国拆解核潜艇的高效率。同时在事故防范上美国也从未松懈，例如2009 年美国能源部于科罗拉多州丹佛市举行海军乏燃料铁路运输事故演习(类似的事故演习约2 年1 次)。

不过随着美国越来越多的核潜艇退役，爱达荷国家工程实验室的水池面临饱和的问题。通过论证，美国认为在乏燃料水池饱和后用干燥储存桶储存乏燃料是可以接受的方案。为此，美国能源部推出全国乏燃料计划(NSNFP)，以对包括核潜艇乏燃料在内的美国能源部所储存的全部乏燃料和高放废物进行分类和定义，便于日后用干燥储存桶进行储存。

［1］IHS，Jane′s Fighting Ships［M］.2012 -2013.

［2］汪玉，姚耀中.世界海军潜艇［M］.北京:国防工业出版社，2006.

［3］DIAKOV A S，KOROBOV V K，MIASNIKOV E V.Nuclear powered submarine inactivation and disposal in the U. S.and russia:a comparative analysis［J］.Problems of Material Science，Issue，1997，2(8):37 -44.

［4］TIMOFEEV A V，KOSTIN V I，SANDLER N G，et al.Defueling of retired nuclear submarines［R］.

［5］KOPTE S.Nuclear submarine decommissioning and related problems［M］. Bonn International Center of Conversion，1997.

［6］United States Nuclear Regulatory Commission Office of Public Affairs.Transportation of Spent Fuel and Radioactive Materials［R］.

［7］James clay moltz，Russian nuclear submarine dismantlement and the naval fuel cycle［R］.2000.

［8］DYER R S，Completion of the first integrated spent nuclear fuel transshipment/interim storage facility in Russia［R］.2003.