从MOX燃料芯块烧结气氛谈工程设计安全

尚改彬

（中国核电工程有限公司，郑州450052）

1 发展现状

世界上许多国家进行了MOX核燃料研究和开发，有的建成了生产线，有的因在设计阶段对技术复杂性考虑不足，或生产过程中安全隐患，或资本市场等原因，已有多项退役或停止运行。燃料芯块烧结气氛直接影响成品芯块性能和质量，气氛选择首先符合工艺要求，并考虑物理冲击和化学反应冲击的安全性及潜在泄漏后安全措施。工程中考虑气体的适应性和参数控制，有采用加湿氢氮混合气体，也可采用如氮气或二氧化碳等其他惰性气体，特定烧结气氛安全性经理论分析和实验验证是可靠的[1]。

2 工艺流程

MOX（Mixed Oxide）核燃料是铀钚混合氧化物（UO2+PuO2），其他金属氧化物混合而成的，也称MOX核燃料，可应用于快堆（FBR）和压水堆（PWR）、沸水堆（BWR）等[2]，美国、俄国、德国、法国、比利时、日本、印度等国对此有研究和开发应用。MOX核燃料组件制造工艺流程同压水堆UO2核燃料组件制造工艺基本一致，MOX燃料有较强的放射性和生物毒性。为适应和满足燃料应用需求，多国开展了MOX核燃料元件的研究开发。

MOX燃料的制造工艺过程主要有：进料、混合、球磨、压制烧结、装管组装等[3]。钚有化学毒性和核临界性能，粉末制备工序是制备过程中的关键环节，在这个工序要求粉末的均质化，钚等效可裂变同位素一致，一定的参数要求。粉末成型高温烧结，或进行研磨和外观检查，装入包壳中，制成棒束和组件。

3 安全措施

设备布局、物项分级原则、放射性分区及安全设计准则是核工程安全策划的起点，专用实验台、远程操作、投资优化等工作应尽早确定设计标准和方案，要求设计参照工程设计经验按照“系统独立、考虑裕量”的原则设计。工程事故后果严重程度与发生概率研究后确定了相应的结构、系统和部件的安全等级要求，如地震动计算方法、动力系统要求等，维持较高的安全等级水平。工程中的物项，指材料、零件、部件、系统、构筑物以及计算机软件的通称。工程质量保证是为使物项或服务与规定的质量要求相符合，并提供足够的置信度。自动控制方案、动力系统设置与重大设备运输路线等均需分析论证，确定物项分级并分级进行质量保证管理，确保安全。

在工业设计安全中，首先考虑核安全，然后再分析论证工业安全，如地震水淹火灾爆炸气象极端条件等等，像那种大型核设施如核电站之类，常常需极端情况，甚至飞行物撞击、附近工业运输影响，以及对环境影响等。而工业设计中最常见的问题，如设备布置、管道布置、大型设备运输、检修维护空间与吊装工具，安全类设置如放空阀、安全阀、消音器等，设备地脚基础，操作空间，管道反向放坡，地下物设置、操作位可接近，管道等级等，应特别注意。

4 放射性物料源项

在放射性物料加工中，临界安全和辐射防护是首要安全设计内容，使用套箱、热室和机械手，放射性物质储存运输以及处理、物料金属平衡及退役先期策划等项需分析工程安全。

物料从输入到输出以及中间的变化，要明确责任和边界，对于整个系统装备的布局、空间的布局、物项的分级防护与空间分区，如放射性分区、密封性分区和负压梯度，要结合不同的控制要求和剂量的控制要求确定。生产线仪表控制系统的水平要与总体生产线水平相适应，现在常提到的自动化控制接口、智能化制造以及接口的协调统筹确定，会直接影响人员、场地及投资和生产能力。核事故应急管理，特别是事故后果及响应时间、持续时间的论证，应借鉴国内外标准和经验，进行事故源项分析，结合核安全理念，确定方案的安全性。

5 顺逆流程概念设计

项目从原料处理到产品和尾料处理，顺向设计流程，在项目建设的一致性高、人员的总体把握性高时，可以顺利完成任务。如果对产品进行反向分析，提出需要完成产品的必须中间产品及处理工艺，对工艺进行需求梳理和选择优化，找到突破口和关键点，渐次推动，最终能够得到原料的处理方式和尾料的处理处置。这样从产品到原料的逆向设计流程，在项目建设多种变化、设计总体与局部同时进行的情况下，有一定的优势。实际上，将顺向和逆向结合，如先进行逆向设计，从产品到原料设计，确定中间产品和可选工艺；再进行顺向设计，或局部进行顺向设计，从产品到产品设计，对中间产品和工艺进行优化，这将加深对生产流程的深度掌握，加深对工艺流程的优化，有利于快速形成工艺流程概念设计，进而形成设计流程，并适时处理项目实施过程中较多的变更控制。

顺向而言，从原材料加工处理到中间产品，然后到最终产品加之尾料处理；逆向而言，从产品到中间产品再到原材料的加工制造。经过顺向逆向结合方法，分析项目技术关键点，或验证和研究，如烧结炉工艺炉气的控制、选址中安全的控制、产品释热量的控制、尾料利用与总体布局等，在适当的研究验证和方案论证下，结合项目的特点确定安全合理的工艺方案，不失为一种良好的经验。

其中，生坯芯块在烧结炉的高温烧结工艺，目的是制成陶瓷化的MOX芯块，需为后续流程创造条件，即燃料元件的质量控制要保证堆内安全可靠运行，制备的芯块要保证密封包装的方便安全可靠，MOX粉料要保证可压制可烧结。烧结过程有高温过程，并根据工艺需要或可能加入可燃气体成分，工艺过程中需重视安全前提下工艺实现，必要时要进行模拟计算、基础实验和实验验证。

6 物项分级

核安全贯彻执行“安全第一，质量第一”方针，设计安全主要分析工程物项分级和放射性物料源项。核安全有关的特殊问题，应用法规标准明确选址、项目组成及布局原则。国际核事故事件分级为7类，其中，第7级事故是最严重的事故，如苏联切尔诺贝利核电事故和日本福岛核电事故。在适当的情况下考虑现场控制室以及应急控制室的居留性，要进行充分的论证。事故事件后果及修复，采用更换或者是检修，甚至是其他处置等措施，要求完成时间，协调确定安全的等级和物项的分级。

工程涉及的各种物项指结构体、系统和设备部件等，物项的分级概念按照物项安全功能进行划分，对安全目标实施纵深防御，终极目标是保护人员和保护环境。纵深防御有多重性、多样性、独立性和冗余设计的系统和设置要求，装置的正常运行状态、异常运行状态、事故事件状态以及超越设计基准的极端事故状态，应急的措施要求设置完备。

项目规划、建造、运行、退役检修及监管的各方面，物项安全功能分析确定以后，研究确定抗震等级、防洪等级、消防等级以及相关的建设标准和质量保证等级。如果对于核电厂物项，要求是反应性控制、临界安全控制、包容核物料的密封性控制及对于安全设备支撑部件；对其他核工程而言，则主要分析防止临界出现和物料的包容密封性实现，以及安全设备支撑部件的安全性。

质量保证等级确定的一般原则，如果是标准定型产品，检修维护或更换相对容易，则确定为质保等级QA3或更低质保等级，依据供货商质保程序进行；如果是非标准设备，检修维护或更换相对容易，则确定为质保等级QA2，设计审查和制造要求较为严格的质量保证程序；如果是非标准设备，检修维护或更换困难，则确定为质保等级QA1，采用设计审查、制造要求和原材料复验及节点控制等最严格的质量保证程序。

对于一般核工程，有创新技术的生产线，要分析执行安全功能的物项事故后果严重程度，即对于环境、人员产生的重大影响，以及产生这种影响的事故始发事件或事故可能发生的概率。此外，还包括事故可能持续的时间，以及需要多长时间进行应急救援和干预，需要干预的持续时间等。核电工程一般要进行非常多的研究和试验验证，对系统的分解和安全论证细致而清楚，常使用确定性方法和概率论方法结合，但不同型号的反应堆，也有不同的物项分级方法和认定。核工程通常会借鉴核电工程的一些标准或经验。

7 基准探讨

有的项目设计基准事件，如外部飞射物影响，需要考虑防护墙的厚度和耐受力，以及掩体里面储存生存物资的丰富程度，以满足食品的要求、饮用水的要求和最基本的呼吸控制的要求，实现可居留性，时间长度则考虑1周或2周。有研究显示，经过高效过滤器送风的控制室，在远离反应堆一定距离时，可以防止极端状况下烟羽区带来的影响，保证人员的安全。有些项目要求控制室的可居留性，核电会产生烟羽区和放射性物质失控释放事故，非反应堆的核工程项目则不同，只是针对化学品的原因进行可居留性设计。化学品的防护自有其特点和要求，宜分别表述并分别要求，不宜盲目照搬。物项的分级可分为安全级、非安全级甚至是非安全级有特殊的要求，对于其界面接口边界的处理，就高不就低。因此而确定的物项，其设计思路与验证思路也不同，会根据安全功能采取不同措施，表现在抗震水平、采用标准、质量保证等级不同，甚至于检测检验标准严格程度也不同。

核工程项目中的安全设计可根据实际情况和业主需要，初步提出设计标准与安全审评机构沟通。一般放射性包容功能为主要安全功能，分级采用定量计算的方式，根据物项所包容的放射性物质核素的种类与总活度的大小来进行级别划分，分析放射性物质的量、形态、相互作用与弥散特性等因素，建立数学模型，依据放射性的吸入与照射水平确定。

非反应堆类核工程项目，由于各种项目特点属性不同，工程选址和生产能力不同，加工生产的产品物料属性和源项不同，工程安全等级和工程措施也不同。目前的标准建设相对而言无法充分满足各类项目生产建设需求，细致化程度也有差别，编制标准需要研究和时间，因此，应多借鉴相应标准。核电厂标准相对完善，但在借用时，应考虑论证其有效性和适用性，标准的来龙去脉，而不能一味拔高标准。特别是抗震标准这类对工程影响较大的标准条款，如针对核电特有的余热排出和反应性控制等特性制定的相应措施（如防止烟羽区的可居留性等），在实际工程中均可进行研究，根据实际情况确定。

8 结语

MOX核燃料芯块烧结气氛首先要符合工艺要求，工程中考虑气体的适应性和参数控制，并考虑物理冲击和化学反应冲击的安全性及潜在泄漏后安全措施。像这样的工程生产项目，策划时经分析确定物项分级，对事件事故后果影响程度及其可能发生的概率，综合考虑论证，确定物项分级；在工程设计中，物料源项和产品要求反复探索验证，确定论证和验证的方案技术关键点，会使生产工艺流程更趋合理可行。