滨海核电厂大件码头用于乏燃料海运的可能性探讨

张震，张俊，王海良，孙继涛，李佩，夏悟民，王安

（1.中核清原环境技术工程有限责任公司，北京 100037；2.中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230）

0 引言

为实现核能可持续发展，我国早在20世纪80年代即确定了核燃料闭式循环的技术路线，即将自核电站卸出的乏燃料通过后处理，进而提升核燃料的利用率。截至2018年3月，大陆在运行核电机组38台，在建机组18台[1]；根据核电中长期发展规划，到2020年，在运行核电机组装机容量将达到5 800万kW，在建机组装机容量将达到3 000万kW以上[2]。目前在运行及建设的乏燃料后处理厂位于西北内陆，而核电机组均分布在沿海各省，核电站乏燃料通过长距离、固定线路公路运输至西北内陆后处理厂。

随着核电的快速发展，需运输乏燃料至后处理厂的核电站数量以及乏燃料量也快速增加，在面临多批次、多电站的运输时，单一的公路运输模式面临速度慢、安全压力大、对高速公路运输干扰大、成本高等问题，建立公路、铁路、海路联运体系被国内外视为大宗乏燃料远距离运输的最佳方案，乏燃料海运是其中的重要环节。目前乏燃料海运的相关标准、规范尚未建立，乏燃料码头设施还未规划建设，难以适应迅速增长的乏燃料运输需求。鉴于国内的滨海核电厂均配套建设有大件码头用于重大件设备运输，考虑利用该大件码头开展乏燃料海上运输，再由中转码头集中上岸经固定的铁路线路运输至后处理厂。

论文重点分析国内外核电站乏燃料运输现状、国内乏燃料运输需求、大件码头的设计船型、码头设施以及外部交通条件，综合评价滨海核电厂大件码头对乏燃料船靠离泊和乏燃料货包接卸的适应性，并提出建议的乏燃料船总长和满载吃水、大件码头改造措施以及乏燃料海运备选中转码头，供建立乏燃料海运体系参考。

1 乏燃料运输现状及需求预测

1.1 国内乏燃料运输现状

自2003年实施大亚湾核电站乏燃料公路运输以来，经历多年的安全运行，我国已建立了一套成熟且完整的乏燃料公路运输体系，运输能力为50 tHM/a。

为确保乏燃料运输的安全，运输包装容器的设计要求极高，通常单个运输货包重约120 t，长度约7 m。采用公路运输属于超限运输，乏燃料运输过程中车辆行进速度须严格控制，沿途交通受到一定程度影响[3]。

1.2 国外乏燃料运输情况

英国和法国均建立了乏燃料铁路运输和海铁联运体系，由专业化的单位负责运输。英国、法国国土面积较小，铁路运距较短，核电站基本均具备铁路直通条件，其国内乏燃料运输以铁路运输为主；同时，英国、法国还为日本、瑞士、德国等国家的乏燃料提供后处理服务，其中日本各核电站的乏燃料均利用核电厂大件码头通过专用船舶远洋运输至英国、法国的后处理设施。另外，瑞典和俄罗斯根据其国内核电站和乏燃料处理设施的特点，建立了公海/公海铁乏燃料运输体系[4]。

乏燃料组件的海上运输采用专门船舶，其建造应当满足国际海事组织针对装运该类型物品运输船舶的专门要求[5]，乏燃料运输船在结构上具有双层船壳和船底，整个船舱隔成若干个密封仓，船头设防撞舱壁和辅助防撞舱壁。船上装有专门屏蔽、冷却装置、监测和去污设备以及特殊的安全、导航和通信系统等。船舶针对通航水域、停泊码头的条件进行了特殊设计。国际上典型的乏燃料专用运输船舶参数见表1。

表1 国际上典型的乏燃料船参数Table 1 Typical spent fuel ships parameters on the international

1.3 国内乏燃料运输需求

根据已经建成核电站的运营时间[1]，按照乏燃料自核电站水池卸出后5～8 a即可满足乏燃料运输容器装载运输条件分析[6]，2020—2025年期间的乏燃料运输主要来源核电站分布在辽宁、浙江、福建、广东、广西、海南等沿海6省区的8个核电基地内，按照单台百万千瓦级机组每年卸出的乏燃料数量约25 tHM估算[7]，届时每年的运量将达到200 tHM以上，远超现有乏燃料公路运输体系的50 tHM/a的运输能力。

2 滨海核电厂大件码头基本情况

滨海核电厂大件码头主要用于电厂建设期接卸重大件设备，按件杂货码头设计，执行交通运输部的码头设计规范体系。通常在核电厂附近独立建设，远离其它港区，具有标准高（配置420～1 000 t起重机）和使用频次低（重大件设备运输完后基本闲置）的特点，建设规模为满足1艘3 000～5 000 t的甲板船或杂货船靠泊的码头。

国内已竣工的核电厂大件码头有红沿河、石岛湾、海阳、田湾、三门、宁德、福清、大亚湾（岭澳）、台山、阳江、昌江和防城港等12座核电厂大件码头，典型的大件码头现状如图1～图4所示，在建的核电厂大件码头有徐大堡和陆丰等2座核电厂大件码头。

图1 海阳核电厂大件码头（桅杆式起重机）Fig.1 Heavy cargo wharf in Haiyang Nuclear Power Plant(derrick crane)

图2 田湾核电厂大件码头（全回转固定式起重机）Fig.2 Heavy cargo wharf in Tianwan Nuclear Power Plant(stationary slewing crane)

图3 三门核电厂大件码头（桥式起重机）Fig.3 Heavy cargo wharf in Sanmen Nuclear Power Plant(bridge crane)

图4 防城港核电厂大件码头（门式起重机）Fig.4 Heavy cargo wharf in Fangchenggang Nuclear Power Plant(gantry crane)

2.1 设计船型

国内在运营和已建核电厂大件码头的设计船型包含3 000 t甲板驳、4 200 t深舱驳、5 000 t甲板驳、3 000 DWT杂货船和5 000 DWT杂货船，船型列表见表2[8]。

表2 核电厂大件码头设计船型列表Table 2 List of heavy cargo wharf design ships of nuclear power plant

2.2 码头设施

核电厂大件码头的长度与设计船长和起重设备形式相关，其中设计船长与码头长度正相关，设计船长相同条件下，配置桅杆式和固定桥式起重机的码头需要移船作业，码头长度相对较长；港池和航道设计水深与设计船舶满载吃水正相关。各个核电厂的码头长度和装卸设备配置情况见表3[8]。

表3 各核电厂大件码头设施参数列表Table 3 Parameter list of heavy cargo wharf facilities of each nuclear power plant

2.3 对外交通

1）水运交通

大件码头通过港池航道对外水路交通，各核电厂大件码头港池水域天然水深均不满足要求，经人工疏浚后满足设计船舶停泊；除田湾大件码头利用长距离人工疏浚航道进港，其它大件码头航道通航水深条件良好，仅部分大件码头航道发生少量疏浚。

2）铁路交通

大件码头均未考虑对外交通的货运铁路线，无法直接转铁路联运，因此在公海铁联运的模式下，还需要依托核电厂附近的铁路线路实现陆上铁路换装及运输，各大件码头与最近的铁路站的距离见表4。

表4 各核电厂大件码头与最近铁路站点距离列表Table 4 List of distance between each heavy cargo wharf and latest railway station

3 大件码头用于乏燃料海运的适应性分析

3.1 码头设施

重点评价大件码头的码头长度、港池航道水深以及起重能力等与乏燃料船舶靠离泊和吊卸需求的适应性。

1）码头长度适应性

配置全回转固定式或门式起重机时，不考虑移船作业；配置桅杆式或桥式起重机时，考虑两端移船1/4倍船长，最大移船工况时，码头端部与船艏或船艉平齐。满足乏燃料运输船舶靠泊所需的码头长度计算原则如下：

配置全回转固定式或门式起重机：Lb=L+2d

配置桅杆式或桥式起重机：Lb=L+0.5L

式中：Lb为码头长度；L为设计船长；d为船舶间富裕长度[9]。

经核算和分析，国内核电厂大件码头长度满足新建乏燃料运输船舶靠泊的保证率结果列表如表5。

表5 新建乏燃料船总长与大件码头保证率Table 5 The spent fuel ship's length overall and reliability of heavy cargo wharf

从表5可见，如新建乏燃料船总长取75 m，仅有1座核电厂大件码头不满足靠泊长度要求，如燃料船总长加长，则码头长度不足的电厂数量相应增加。对于不满足乏燃料船舶靠泊码头长度要求的大件码头可在其两端增设系缆墩。

新建乏燃料船总长取85 m时，满足乏燃料运输船靠泊的配置全回转固定式或门式起重机的码头长度为105 m，则田湾核电厂的码头长度需加长35 m，福清、防城港需加长10 m，昌江需要加长5 m。如乏燃料船总长取92 m，满足乏燃料靠泊的配置全回转固定式或门式起重机的码头长度达到116 m，则田湾核电厂的码头需加长46 m，福清、防城港需加长21 m，昌江和宁德分别需加长16 m和6 m。

2）港池航道设计水深适应性

国内滨海核电厂大件码头港池航道设计水深满足新建乏燃料运输船舶靠泊的保证率结果统计分析见表6。

表6 新建乏燃料船满载吃水与大件码头保证率Table 6 The spent fuel ship's load draft and reliability of heavy cargo wharf

从表6可见，如新建乏燃料船舶设计满载吃水取3.8 m，仅1座核电厂大件码头港池航道设计水深不满足要求，如设计满载吃水加大，则设计水深不足的电厂数量相应增加。对于港池航道设计水深不足的大件码头，可采取码头前沿护底结构改造和港池航道浚深的措施。

乏燃料运输船满载吃水取4.1 m时，田湾核电厂港池航道需要浚深1.1 m，福清、防城港、海阳、石岛湾和三门的港池需要浚深0.3 m。田湾、福清、海阳、石岛湾和三门等4处大件码头采用重力式结构，前沿停泊水域设计水深含0.6 m的备淤深度，因此田湾大件码头需要采取码头前沿护底结构改造措施，其它大件码头前沿停泊水域利用原设计水深基本上满足停泊要求；防城港大件码头采用桩基结构，港池具备浚深0.3 m的条件。如乏燃料运输船满载吃水加大至4.5 m，福清、海阳、石岛湾和三门等其它4处大件码头需采取码头前沿护底结构改造措施以满足前沿停泊水域浚深0.7 m的要求。

3）码头起重能力的适应性

除大亚湾大件码头为光面码头，不具备固定式起重机作业能力，其余电厂均配置420～1 000 t起重机，满足乏燃料货包（单个货包150 t）的吊卸要求。

4）综合评价

核电厂大件码头基本满足乏燃料货包的吊卸要求；需要结合乏燃料船的总长和满载吃水对码头长度和港池航道水深不足的大件码头进行改造，以满足乏燃料船靠离泊和进出港要求，改造措施包括在码头两端增设系缆墩、码头前沿护底结构改造以及浚深港池航道。

如乏燃料船总长和满载吃水分别控制在75 m和3.8 m，仅田湾需要进行码头加长和港池航道浚深。参考表1中瑞典核燃料和废物管理公司M/S Sigrid运输船舶参数，建议控制新建乏燃料运输船单船运输10个货包，总长和满载吃水分别取85m和4.1 m，对田湾、福清、防城港等3个大件码头进行码头加长和港池航道浚深，对海阳、石岛湾和三门等3个大件码头港池进行少量的浚深。如乏燃料运输船总长和满载吃水进一步加大，大件码头改造的数量和成本过大，不经济。

3.2 对外交通

对设计水深不满足乏燃料船靠离泊和通航的大件码头的港池航道进行浚深拓宽即可满足水路交通运输条件。可选择1～2处核电厂大件码头作为中转码头，集中上岸转运铁路运输至西北内陆后处理厂。福建、广西、海南铁路线相对不发达，且运输距离过长，故宁德、福清、防城港和昌江等核电大件码头不适合作为公海铁联运的中转码头；而广东的陆丰、大亚湾、台山、阳江和浙江的三门核电厂受制于京广线和京沪线铁路编组困难不适合作为公海铁联运的中转码头。田湾、海阳、石岛湾、徐大堡和红沿河核电厂对外的铁路交通条件较好，可作为乏燃料公海铁联运的备选中转码头。除考虑其附近铁路站场接驳的便利条件，具体中转码头的选取还需要考虑铁路沿线人口分布密度、铁路运输里程、客车对数、线路通过能力、技术条件、事故概率等方面因素[10]，本文不再展开论述。

4 结语

1）国内滨海核电厂大件码头可作为乏燃料运输海运码头，需根据乏燃料船的系泊、靠离泊要求，对码头长度和港池航道水深不足的核电厂大件码头进行改造，可采取大件码头两端增设系缆墩以及码头前沿护底结构改造和港池航道浚深的措施；除大亚湾核电厂大件码头需新配置起重设备或者陆路转运外，其它核电厂大件码头配置的起重机均满足乏燃料货包装卸要求。

2）建议控制新建乏燃料船单船运输10个货包，总长和满载吃水分别在85 m和4.1 m左右，需对田湾、福清、防城港等3个核电厂大件码头进行加长和水域浚深，对海阳、石岛湾和三门等3个核电厂港池进行少量的浚深。

3）田湾、海阳、石岛湾、徐大堡和红沿河核电厂对外的铁路交通条件较好，可作为乏燃料公海铁联运的备选中转码头，具体中转码头的选取应综合考虑其码头条件及后方铁路运输条件确定。