国外核潜艇反应堆系统事故浅析

卢 川，张 丹，鲜 麟

(中国核动力研究设计院 核反应堆系统设计技术国家重点实验室，四川成都610213)



国外核潜艇反应堆系统事故浅析

卢 川，张 丹，鲜 麟

(中国核动力研究设计院 核反应堆系统设计技术国家重点实验室，四川成都610213)

本文针对国外已发生的核潜艇反应堆系统事故进行了梳理分析研究，发现国外核潜艇反应堆系统事故多发生于早期型号，近年各国在役及新一代核潜艇未出现反应堆系统发生事故的报道。此外，还发现各国已发生的核潜艇反应堆系统事故中，失水事故和反应性事故所占比例最大。本文研究表明，通过先进核安全方法及技术的采用、核安全文化的重视、核安全监管力度的加强，反应堆系统事故可不会给核潜艇带来额外的事故风险，核反应堆及核安全能够不成为制约核潜艇发展的主要因素。

核潜艇，反应堆，事故

1 概述

自从1954年世界上第一座核潜艇“鹦鹉螺”号服役以来，核潜艇作为核威慑和核反击力量的重要组成部分，受到了世界各核大国的高度重视和优先发展。粗略统计，截至2015年，全世界已先后建造了500余艘核潜艇，为各核大国完成国家战略任务发挥了关键作用。由于核潜艇系统结构庞大、运行工况复杂、运行环境恶劣、涉及核反应堆和核弹头等多重核设施，其发生故障并引发事故的情况也时有发生。截至当前，全世界共先后发生了较为严重的核潜艇事故300余起，包括多起核潜艇沉没事故和重大核事故等恶性事故。据统计，在国外核潜艇所发生的事故类型中，碰撞事故次数最多，约占所有事故的47%，其他事故类型还包括核事故(约占15%)、火灾事故(约占14%)、沉没事故(约占6%)、爆炸事故(约占5%)、毒气泄漏事故(3%)、舱室进水事故(2%)和其他事故(8%)[1,2]。本文主要对国外核潜艇核事故中的反应堆系统事故进行了梳理和分析，对各国核潜艇反应堆系统事故特点进行了研究和总结，以期为核潜艇核安全及辐射安全相关工作提供参考。

2 核潜艇反应堆系统事故分类

世界上除美国早期“海狼”级核潜艇装备的S2G反应堆采用了液态钠作冷却剂，苏联645型核潜艇装备的BT-1反应堆和α级核潜艇装备的BM-40A反应堆采用了液态铅铋作冷却剂以外，其余的核潜艇全部采用了压水堆。

对于核潜艇反应堆系统而言，针对全部运行状态，根据其发生频率及后果影响的不同可分为以下四类基本工况：正常运行工况、一般事故工况、严重事故工况和极限事故工况。其中正常运行工况是核动力装置寿期内频繁出现的一种运行状态，通常只依靠控制系统和反应堆设计裕量即可维持反应堆系统的正常运行，它不属于事故工况；一般事故工况是指反应堆系统在运行寿期内预计出现一次或数次偏离正常运行，可能导致安全保护系统动作及停堆，但不会导致放射性物质泄漏的一类工况；严重事故工况是指在反应堆系统运行寿期内极少发生，发生频率约为10-4～3×10-2次/(堆·年)，可能需要专设安全系统动作，可能导致一定数量的燃料元件包壳破损，且核动力装置在一个相当长时间内不能恢复功率运行的工况；极限事故工况是指在反应堆系统中预期不会发生，但在设计中需要假想发生的，发生频率约为10-6～10-4次/(堆·年)，且事故发生后后果非常严重，可能导致大量放射性物质释放的一类工况[3]。

另一方面，针对反应堆系统预期可能发生的事故类型，以设计基准事故的形式，又可将其划分为以下几类：1) 反应性事故：是指向堆芯引入意外的反应性，可能导致堆芯功率急增或功率分布急剧变化，从而可能引发堆芯燃料烧毁的一类事故；2) 失流事故：由于主泵机械或电源等故障，引起系统冷却剂流量降低，从而可能导致堆芯功率和流量不匹配而引发堆芯烧毁的一类事故；3) 排热增加或减少类事故：由于二回路故障而引起冷却剂排热增加或减少，导致冷却剂温度升高或降低，从而影响堆芯安全的一类事故；该类事故中的蒸汽管道破裂事故(SLB) 是比较典型的排热增加类事故；4) 断电事故：由于电力系统故障，导致系统设备断电，从而影响系统正常运行并危及系统安全的一类事故；5) 蒸汽发生器传热管破裂事故(SGTR)：由于蒸汽发生器传热管破裂，导致一回路冷却剂泄漏至二回路，从而可能导致放射性物质污染机舱的一类事故；6) 失水事故(LOCA)：由于反应堆系统压力边界受到破坏，导致冷却剂泄漏的一类事故；根据压力边界破口尺寸，又可分为大破口事故、中破口事故和小破口事故等几种类型；7) 未能紧急停堆的各种预期瞬态(ATWS)：是指由于反应堆保护系统电气故障或机械故障，导致控制棒不能插入堆芯，从而造成不能紧急停堆或实施反插的预期瞬态[4]；8) 其他事故：是指除上述各类事故以外的其他类型的事故。

3 各国核潜艇反应堆系统事故初步研究

世界上，美国、苏联/俄罗斯、英国和法国均发生过核潜艇反应堆系统事故，表1～表4分别列出了以上国家核潜艇反应堆系统发生事故的时间、地点、事故概况及后果、事故类型以及核潜艇和反应堆的型号。

3.1 美国

美国是世界上最早使用核潜艇的国家，也是核潜艇技术发展最快的国家。截至目前，美国已建造了200余艘核潜艇，先后发展了四代潜艇反应堆技术，批量装备的主要包括S5W、S6G、S8G和S9G反应堆。从表1可以发现，从1954年9月到2012年10月，在统计给出的美国共发生的151起核潜艇事故中，由反应堆系统原因引起的事故共12起(其中2起发生于S2G液态钠冷反应堆)，约占事故总数的8%。

表1 美国核潜艇反应堆系统事故列表[1]

其中，美国第一代潜艇反应堆S2W共发生了3起，美国首批标准型潜艇反应堆S5W共发生了6起。分析其原因，主要是由于S2W为美国第一代潜艇反应堆，其反应堆技术在很大程度上还带有验证性质，通过“鹦鹉螺”号核潜艇的实际运行暴露出了很多设计中未考虑到的技术问题。S5W为美国首批标准型潜艇反应堆，先后共装备了98艘核潜艇，其反应堆技术主要源于S2W以及后来的S3W和S4W，由于装艇数量多，相应的发生事故的次数也多。进一步分析发现，S5W系列反应堆发生的事故主要是由各类设备故障引起的，这跟美国早期潜艇反应堆批量建造阶段追求数量而相对忽视建造质量及设备可靠性有关。从表1还不难发现，美国核潜艇反应堆系统事故主要发生在1961年及以前，在这之后仅在1973年和1986年发生过两次。发生事故的反应堆均是S5W及以前的堆型，S5W以后的各类反应堆均未出现事故报道。究其原因，可能跟S5W以后的潜艇反应堆均具备一定的自然循环能力(即具备一定的固有安全性)有关；另外也跟美国在S5W反应堆发生多起事故以后，更加注重提高系统和设备的可靠性，更加注重提高操作人员的核安全文化水平，更加注重运用非能动安全技术等措施有密切关系。

3.2 苏联/俄罗斯

苏联/俄罗斯是仅次于美国研制出核潜艇的国家，其第一艘核潜艇“列宁共青团”号于1958年服役，截至目前，苏联/俄罗斯已发展了四代潜艇反应堆技术，先后建造了200余艘核潜艇，并且大部分为双堆装艇，为世界上建造潜艇反应堆数量最多的国家。从表2可以发现，从1960年10月到2011年12月，在统计给出的苏联/俄罗斯共发生的119起核潜艇事故中，由反应堆系统原因引起的事故共28起，约占事故总数的23.5%。

表2中，除其中6起事故发生于铅铋冷却堆以外，其余的事故中有16起发生于苏联第一代潜艇反应堆VM-A中，有1起发生于苏联第二代潜艇反应堆VM-2中，有3起发生于其第二代潜艇反应堆VM-4中，其第三代潜艇反应堆VM-5和第四代潜艇反应堆KTP-6目前未见反应堆系统事故报道。由此可见，苏联潜艇反应堆系统事故绝大部分发生于其第一代VM-A反应堆上。究其原因，一方面，苏联在20世纪五六十年代急于追赶和对抗美国，在潜艇反应堆的研制和生产过程中过于追求速率而忽略安全及质量；另一方面，苏联第一代潜艇反应堆也带有很大的验证性质(虽然它也实现了批量化建造)，缺乏经验反馈，很多与反应堆安全相关的理念和技术未引起关注和重视，在实际运行过程中，暴露出了多种类型的反应堆系统事故。后来苏联通过技术改进，其第二代潜艇反应堆发生事故的次数大幅降低，其所发生的4次事故均为操作人员误操作引起，反应堆系统的安全性得到了明显提高。这与苏联/俄罗斯注重提升潜艇反应堆的系统及设备可靠性、提高反应堆的自然循环能力、实现系统简化及紧凑化、充分运用系统固有安全特性和非能动安全技术、提高操作人员的核安全文化水平等措施手段密切相关。

表2 苏联/俄罗斯核潜艇反应堆相关事故列表[1]

续表序号潜艇名称反应堆型号时间地点事故概况及后果事故类型17DELTA-Ⅰ级(K-171)VM-41978太平洋由于误操,使未运行状态的一座反应堆一回路补水柜超压破裂,水流到反应堆顶盖上,艇员企图启堆蒸干残水,堆舱温度升高后,舱内人员打不开舱门,致3人死亡其他事故18回声Ⅱ级(K-116)VM-A1979在水面航行时,左舷的反应堆活性区发生泄漏,艇员受到超剂量辐射,舱室进水,设备受损。9人不久死亡;潜艇搁置到1985年提前退役放射性泄漏,原因不明19回声Ⅰ级(K-45)VM-A1979执行任务时,反应堆一回路的水泄漏,被迫返航失水事故20A级铅铋堆20世纪70年代后期巴伦支海因操作不慎引起堆芯熔化事故金属堆,严重事故21P级(papa级,K-162)1980北德文斯克船厂在大修更换反应堆堆芯时,由于控制棒电源相位接反,控制棒误提出堆芯,反应堆非控启堆,反应堆受损;泵的补偿器超压破裂,数吨放射性水漏入舱内。被迫封存9年后退役反应性事故叠加失水事故22回声Ⅰ级(K-66)VM-A1981右舷反应堆的一回路水泄漏失水事故23A级(K-123)铅铋堆1982巴伦支海液态金属冷却剂从蒸汽发生器中泄漏,大约2t金属合金漏到反应堆舱。更换反应堆用时9年液态金属从蒸汽发生器泄漏24回声Ⅱ级(K-431,原编号为K-31)VM-A1985海参崴附近恰日马角海湾船坞内修船时违反操作规程,引起反应堆瞬发临界爆炸并起火,艇沉没。8～11名艇员死亡;后被拖到岸边;损失5000万卢布反应性事故25回声Ⅱ级(K-175)VM-A1985红海南部海域发生核反应堆事故后,误将四氯化碳注入堆内,致使燃料棒断裂。137名艇员受到辐射伤害;后被拖至金兰湾其他类型26回声Ⅱ级(K-192,原K-172)VM-A1989挪威海(距挪威岛70nmile)在水下潜航时,反应堆一回路冷却管路突然发生爆裂漏水,造成停堆事故和火灾。事故发生后,艇紧急上浮,将火扑灭。后来,艇由救生船和潜艇供应船拖回基地失水事故27回声Ⅱ级(K-192,原K-172)VM-A1989失冷事故。3名艇员死亡失冷事故,原因不明28A级铅铋堆1990反应堆系统故障关闭,艇浮出水面,启动柴油机。水样中有少量碘-131丧失主动力,原因不明

3.3 英国

英国于1963年拥有了第一艘多用途核潜艇“无畏”号，装备了其第一代潜艇反应堆PWR-1。目前已研制出第二代潜艇反应堆PWR-2，并装备于“前卫”级弹道导弹核潜艇和“机敏”级攻击型核潜艇上。从表3可以发现，从1962年4月到2011年5月，在统计给出的英国共发生的43起核潜艇事故中，由反应堆系统原因引起的事故共7起，约占事故总数的16.3%。

表3 英国核潜艇反应堆系统事故列表[1]

进一步分析发现，英国所发生的7起反应堆系统事故均发生于其第一代潜艇反应堆PWR-1上，并且事故类型多样化。其原因与美国和苏联类似，均是由第一代潜艇反应堆技术未充分验证、设计考虑不充分、运行经验缺乏所致。据悉，英国在PWR-1反应堆的改进系列中，考虑了包括(破前漏)LBB技术在内的事故对抗技术，大幅提升了反应堆系统对抗事故的能力。

3.4 法国

法国第一艘核潜艇“可畏号”于1971年服役，目前一共发展了四代潜艇反应堆技术。从1985年5月到2009年2月，在统计给出的法国共发生的6起核潜艇事故中，由反应堆系统原因引起的事故仅1起，约占事故总数的16.7%。

表4列出的反应堆系统事故发生于其第二代潜艇反应堆CAS-48上。据悉，法国潜艇反应堆多采用一体化布置形式，可消除大破口失水事故，在潜艇反应堆的研制中运用了概率安全分析技术(PSA)，采用了安注箱等非能动安全技术，并且考虑了包括防氢气爆炸在内的严重事故对抗措施，其反应堆系统的安全水平不断提高。

表4 法国核潜艇反应堆系统事故列表[1]

4 国外核潜艇反应堆系统事故类型分析

表5按照事故类型进一步对国外核潜艇反应堆系统事故进行了分类统计，从表中可见，在国外核潜艇反应堆系统已发生的各类事故中，失水事故比例最高，约占所有事故类型的1/3；其次是反应性事故，约占事故比例的14.3%；放射性泄漏和设备缺陷或故障两类非设计基准事故比例约为9.5%；蒸汽发生器传热管破裂事故约占事故比例的7.1%；另外还有误操作或原因不明的事故约占11.9%，其余的事故比例都较低。

表5 国外潜艇反应堆(压水堆)事故统计表

从国外已发生事故类型可以发现，在核潜艇反应堆系统的设计中，应重点考虑失水事故的影响，其次应重视反应性事故的影响，应注重辐射防护和提高设备可靠性。相反，排热增加和减少类事故、断电事故以及ATWS类事故发生频率较低，在设计时可在一定程度上适当降低对该类事故的过度关注。

另外，在设计基准事故以外，也有一些事故存在一定的发生概率，例如误操作类事故、非预期停堆类事故等，这需要在以后的安全分析中加以适当考虑。

5 结论和启示

本文通过对国外核潜艇已发生的反应堆系统事故进行了初步分析研究，可以得出以下结论：1) 核潜艇反应堆系统事故多发生于各国早期潜艇反应堆上，这与当时的技术水平相对落后以及核安全观念相对薄弱有很大关系；2) 各国在役及新一代核潜艇暂未发现发生反应堆系统事故的报道，这与各国提高反应堆安全技术水平，提高反应堆系统及设备的建造质量和可靠性，重视人员核安全文化培养密切相关；3) 在已发生的各类核潜艇反应堆系统事故中，失水事故和反应性事故发生频率最高，应在设计和运行中给予高度关注；4) 通过先进核安全方法的运用、先进核安全技术的采用、核安全文化的重视、核安全监管力度的加强，反应堆系统事故可以得到有效地避免；反应堆系统事故可不给核潜艇造成额外的事故风险，核反应堆及核安全能够不成为制约核潜艇发展的主要因素。

我国的核潜艇发展应该充分借鉴国外的成功经验、吸取国外的事故教训，通过加强先进核安全技术的研究、提高反应堆系统的可靠性、保证核反应堆建造的质量、加大核安全监管的力度、重视核安全文化的推广等有力措施，一定能够确保我国核潜艇反应堆的安全可靠运行，为核潜艇履行保家卫国的光荣使命提供重要支撑。

[1] 高维，杨连新. 论说国外核潜艇事故[M]. 北京：海潮出版社，2013.

[2] 杨连新.国外核潜艇事故[M]. 北京：海军出版社，2001.

[3] 彭敏俊. 船舶核动力装置[M]. 北京：原子能出版社，2009.

[4] 朱继洲，奚树人，单建强，等. 核反应堆安全分析[M]. 西安：西安交通大学出版社，2004.

Review of Reactor Accidents of Foreign Nuclear Power Submarine

LU Chuan， ZHANG Dan， XIAN Lin

(Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory, Nuclear Power Institute of China，Chengdu, 610213, China)

Foreign nuclear power submarine reactor accidents were surveyed. It was found that the reactor accidents almost occured on early types of nuclear power submarine. Reactor accidents have not been reported on recent types of nuclear power submarine all over the world. The lost of coolant accident and the reactivity induced accident occupy dominant proportion on all types of accidents. Based on advanced safety technology, safety culture and strict safety supervision, the reactor accident could not induce additional risk for nuclear power submarine, which could also be achieved that the reactor and the atomic safety would not be the key factor for restricting the development of nuclear power submarine. This paper wishes to provide reference for the safety development of nuclear submarines in China.

Nuclear power submarine, Reactor, Accident

2016-11-20

国家高技术研究发展计划(863计划)课题(2012AA112701)，装备预先研究项目(4160204)

卢川(1982—)，男，四川省成都市人，高级工程师，硕士，现从事反应堆总体设计工作

TL38+3

A

0258-0918(2017)03-0442-08