乏燃料运输船概念设计研究

郭一丁，郭 健，谭 美

(武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064)

0 引 言

随着我国核电产业的不断发展，投产的机组逐步增多，乏燃料数量迅猛增长，乏燃料运输成为当前我国核燃料产业末端急需解决的问题[1]。

目前，我国主要采用公路运输的方式，运输受到多方面因素影响导致能力有限。我国乏燃料后处理厂位于西北地区，而核电站多分布在沿海地区，参照国际经验，针对我国乏燃料运输数量大、距离远的情况，公海铁联运是最佳方案[2]。海上运输方式采用乏燃料运输船，其具有容量大、安全性好等优势。英国、俄罗斯、日本等国家都研制有多艘乏燃料运输船，而我国在这方面相对薄弱。

1 乏燃料运输船现状

早在1987 年，英国就完成了第5 艘PNTL 系列乏燃料运输船的下水。该船由日本三菱公司建造，全长103.9 m，可容纳24 个燃料组件运输容器。PNTL 系列乏燃料运输船之一Pacific Grebe 号如图1 所示。

英国乏燃料运输船已多次远洋航行，将日本的商用核燃料运送至法国和英国的港口，将玻化高放射性废物（HLW）从法国运输至日本，将混合氧化物燃料（MOX）从英国和法国运至日本，将日本和欧洲的研究堆乏燃料运至美国，将二氧化钚从美国运抵至欧洲[3]。

2006 年1 月，美国能源部全球威胁减少计划主导的俄罗斯研究堆燃料回收项目（RRRFR），要求对全世界贮存在俄罗斯研究堆的高浓铀乏燃料（SNF）运回俄罗斯。ASPOL 决定对MCL 货轮进行乏燃料运输船改装，MCL 货轮于1990 年在新加坡建造，用于俄罗斯军队核导弹运输任务，后改造为货船。2009 年俄罗斯完成了对MCL 运输船的调整，使其符合乏燃料的运输要求（见图2）。MCL 运输船全长95 m，船宽15.8 m，型深7.8 m，设计吃水6.31 m，排水量6 325 t，最大航速15 kn[4]。

图 2 俄罗斯MCL 运输船Fig.2 Photograph of the russian vessel MCL trader

2009 年4 月15 日，韩国大鲜造船交付了韩国首艘放射性物质专用运输船，该船长78.6 m、宽15.8 m，载重量为2 600 t[5]。

2012 年10 月25 日，荷兰Damen 造船集 团1 艘核燃料运输船下水。该船全长99.5 m，宽18.6 m，设计吃水4.5 m，入级英国劳氏船级社，定员21 人，航速为12 kn。主要承担从瑞典核电站到SKB 公司之间乏燃料的运输（见图3）[5]。

2 乏燃料运输船概念设计

2.1 设计需求

根据国防科工局组织编写的《核电站乏燃料处理基金2011-2020 年使用规划》，2016 年我国乏燃料年运输总量就已达600 组[6]。“十三五” 期间，我国核电站将有超过3 000 组乏燃料需要外运到后处理厂，运输需求急剧增加。我国2013-2020 年间核电站乏燃料当年产量和乏燃料产生累积量如表1 所示。

图 3 SKB 乏燃料运输船Fig.3 Photograph of the SKB spent fuel transport ship

表 1 2013-2020 年间核电站乏燃料当年产量和乏燃料产生累积量（单位tHM）Tab.1 Production and cumulative amount of nuclear power plant spent fuel from 2013 to 2020 (Unit tHM)

由表1 可知，2016 年，需要外运的乏燃料将快速增加，而我国目前的运输方式为公路运输，以大亚湾核电站为例，从核电站装料运到西北某处理厂每次大约3 个月时间。但公路运输会受到气候、公众活动的影响，实际运输时间往往严重超出，每年仅能完成2 次运输任务，最多运输104 组乏燃料组件，运输能力十分有限[3]。

从长远可持续发展角度，我国急需改变运输方式，建立公海铁联运的新模式。我国铁路运输能力强，因此需要着重加大力度发展海上运输，设计我国自主知识产权的乏燃料运输船。

2.2 母型船对比分析

经过调研，目前国内没有乏燃料运输船，国外比较成熟、先进的乏燃料运输船有俄罗斯的MCL 乏燃料运输船和英国的PNTL 系列乏燃料运输船。充分参考国外应用成熟的乏燃料运输船设计特点，基于母型船法设计，降低设计风险和难度。

1）主要参数

Pacific Grebe 号和MCL 号运输船主要要素对比如表2 所示。

表 2 主要参数对比Tab.2 Main parameters comparison

2）货舱布置

Pacific Grebe 号乏燃料运输船设置4 个货舱区（见图4），每个货舱内设计中间活动甲板，将货舱分为上下两层，每一层均可装载乏燃料容器，容器布置考虑了船舶稳性和重量平衡。

图 4 Pacific Grebe 号乏燃料运输船货舱布置Fig.4 Photograph of the Pacific Grebe holds plan

全船设有2 个货舱，分别配置1 台吊机，具有自装卸货功能（见图5）。No.1 货舱位于船首部，采用罐式集装箱密封装运具有INF-2 级的乏燃料。No.1 货舱是船舶重点设计及控制区域，需要满足公众或船员的辐射防护要求。No.2 货舱靠近尾部主机舱、生活区和驾驶甲板，考虑对人员的辐射安全，该货舱仅装载常规货品，作为No.1 货舱与人居处所的隔离。

2.3 设计结论

通过比较英国与俄罗斯的乏燃料运输船，主要存在以下区别：

1）装卸方式

俄罗斯MCL 方案采用设置货舱吊机的设计，降低了对码头设施的要求，灵活性较好；

英国Pacific Grebe 方案不设置货舱吊机，对码头设施提出了较高的要求，灵活性较低。

2）运输容器型式

俄罗斯MCL 方案采用罐式集装箱乏燃料运输容器，通过箱角与货舱固定，便于装卸货操作；

英国Pacific Grebe 方案采用圆筒式乏燃料运输容器，通过基座与货舱固定，装卸操作较复杂。

3）运输货品级别

按照INF 规则，俄罗斯MCL 可运输INF-2 级活度的放射性物质，英国Pacific Grebe 号可运输INF-3 级活度的放射性物质，从运输货品范围来看MCL 不及Pacific Grebe。

目前我国相关资源配置情况如下：

1）核电站使用的乏燃料运输容器是由美国设计，西班牙建造的NAC-STC 型容器，该容器经中核清原公司引进。容器参数如表3 所示。

图 5 MCL 号运输船货舱布置Fig.5 Photograph of the MCL holds plan

表 3 NAC-STC 容器主要参数Tab.3 Main parameters of NAC-STC

2）核电站布置在南北沿海一带，涉及到港口众多，码头设施层次不齐，对乏燃料运输船具有自主装卸货功能提出了要求。

3）除了陆上核电站，海洋核动力平台有海上运输放射性废固运输需求，需要设置独立的货舱用于装运不同放射性活度的放射性物质。

因此，乏燃料运输船型选择以英国乏燃料运输船为母型，在运输容器及装载方式上参考英国的圆筒型乏燃料运输容器模式，设置多个货舱满足多种货品装载需求，同时配置自携式货舱吊机满足不同层次的码头设施水平。

综合上述设计分析，提出乏燃料运输船概念设计参数如表4 所示。

乏燃料运输船的外形及总体布置如图6 所示。

3 功能定位与系统设计

3.1 功能定位

乏燃料运输船为运输放射性物质的焊接结构钢质运输船，主要用于解决海上核设施乏燃料运输问题，同时服务于滨海核电站与后处理厂之间的转运，避免陆上运输对周边人员聚居区、交通主干线的影响。本文所设计运输船属于放射性物质运输船，除了具备普通运输船的功能外，还应具备以下特殊功能：

表 4 乏燃料运输船参数Tab.4 Parameter of spent fuel transport ship

图 6 乏燃料运输船总体布置图Fig.6 Arrangement plan of spent fuel transport ship

1）自主装卸放射性物质容器；

2）对放射性物质容器冷藏处置；

3）实时监测放射性物质容器辐射；

4）人员的放射性去污；

5）沾染放射性的废气、废液和废固的处理；

7）对作业海域周界空中、水面、水下三维空间威胁目标实施探测、预警、告警、拒止和驱逐；

8）事故应急处理；

9）火灾防护、火灾监测以及紧急灭火。

3.2 系统设计

为实现乏燃料运输船的特殊功能定位和保证船舶安全运行，船舶应具备以下系统：

1）吊装系统

系统配置2 台120 t 的吊机，装卸过程有专人操作吊机，并有指挥人员全程指挥，严格的执行吊装流程和操作规定。

2）货舱环境控制系统

综合INF 规则要求与英国乏燃料运输船的参数，货舱环境温度要控制在-40 ℃～+38 ℃。

典型的方案是在货舱底部设置2 个强制循环空气冷却器，在较高的位置布置轴流式风机。系统采用冗余设计模式，所有关键设备采用一用一备的方式。

3）辐射监测系统

系统功能主要为监测管理舱室、排出流、控制区进出、个人剂量以及船舶靠港时对环境的辐射情况，确保乏燃料或放射性废物安全、人员及环境辐射安全。乏燃料运输船设置的辐射监测系统，由船内辐射监测系统和船外周边环境辐射监测系统组成。

4）放射性废物管理系统

系统主要是对沾染放射性的 “三废” 进行处理和人员的洗消去污，主要有以下功能：

① 货舱通风和负压产生的沾染放射性的废气，经过滤系统处理后排放；

② 针对船舶货舱产生的沾染发放射性的废液，贮存在专门设置的压载水舱内，在船舶停靠码头时驳运至岸上特殊的废液箱；

③ 对货舱区产生的沾染放射性的废固，设置屏蔽桶贮存，在码头时调离船舶；

④ 设置洗消系统，用于进出货舱区人员更衣洗浴、沾染检测和消除、剂量监测管理等需求。

5）实物保护系统

主要是运输过程中核材料的实物保护，防止破坏分子非法转移或破坏核材料。该系统由船舶周界警戒、防卫、视频监控、出入口控制、入侵报警、人员定位、安保通信等子系统组成，具有以下功能：

① 限制与运输无关的人员在乏燃料运输船附近区域活动，能及时探知未经授权人员、材料、物品、船只进入运输控制区；

② 能阻止或延迟未经授权人员、物品、船只靠近乏燃料运输船，防止将未经批准的材料或物品带入乏燃料运输船；

③ 防止内部人员或外部人员采用内外勾结的方式从乏燃料运输船内非法窃取和破坏核材料；

④ 与响应力量保持通信畅通，对突发事件能立即作出有效响应，在当地公安部门或响应力量到达之前能牵制和阻止入侵者的违法行动。

6）应急响应系统

根据国家相关规定，乏燃料运输船事故应急可分为：非辐射事故应急、潜在辐射事故应急和辐射事故应急3 种状态。

系统根据3 种不同的应急状态制定不同的应急方案，并建立、健全海上应急响应机制，成立海上应急响应小组、配备应急响应物资。

发生事故后，根据国家和地方有关环保法规分析造成事故的原因，并结合实际情况提供技术方面的处理措施，及时安排人员进行应急响应行动，发挥应急作用，承担海上应急响应、抢险救灾、支持保障、善后处理等应急工作。

7）火灾监测和消防系统

系统由防火、火灾探测报警和灭火等3 部分组成。

船舶防火主要是通过划分防火区域和布置防火结构阻止火灾蔓延，确保人员能安全脱险，船舶根据规范划分为数个防火主竖区。

火灾探测报警主要是在船舶大部分舱室采用分布智能式船用感烟探测器和感温型探测器。在特殊部位，如厨房等部位仅设置感温型火灾探测器；蓄电池室设置防爆紫外、红外感光探测器和防爆感烟探测器；货舱内部采用耐辐照感烟探测器和耐辐照感温探测器的组合，并借用视频监控措施对火灾报警予以确认。

船舶灭火系统要根据不同区域特点选择合适的灭火方式，特别地，货舱除设有气体灭火装置外，还在货舱顶部设置水喷淋系统。

4 结 论

我国乏燃料运输未来需求量大，发展海上运输势在必行。本文提出了乏燃料运输船的总体方案概念设计，旨在为我国乏燃料运输船设计建造提供技术参考。