核应急处置中消防降温工程装备国内外现状分析

李伟 杨刚 张涛 姚子龙

0 引言

核能具有清洁、环保、低耗等优点，并在当前能源结构多维度优化、能源安全保障以及气候变化的改善应对中发挥重要的作用。目前我国在建核电机组数量世界第一，运营机组规模世界第四。据公开信息显示，除了沿海地区的在建核电站，被称为内陆三大核电项目的湖南桃花江核电站、湖北咸宁大畈核电站、江西彭泽核电站也早已进入考察论证。随着核电机组的不断发展更新和投入运行，放射源、射线装置的数量也随之持续增加，核技术的利用活动愈发频繁，因此核应急响应体系建立是核能安全利用的重要保障[1]。若因不可抗拒的自然灾害和无法预料的生产安全事故等因素导致相关核设施失控，所产生的危害将极其严重，如历史上对核安全利用产生重大影响的三哩岛核事故、切尔诺贝利核事故、以及目前时刻让世人所关注的福岛核事故等[2]。为了充分保障核能的安全利用，我国高度重视核安全与放射性污染防治工作，以习近平同志为核心的党中央明确提出理性、协调、并进的中国核安全观，并将核安全纳入国家总体安全体系，写入《国家安全法》，进一步明确了核安全与放射性污染防治工作的战略定位和重大任务。同时，国家相继出台了《核安全与放射性污染防治“十三五”规划及2025年远景目标》《中国的核应急》白皮书等文件，明确强调必须持续加强和改进核应急准备与响应工作，不断提升中国核安全保障水平。到目前为止，我国的核电设施均安全有序运行，未发生特别重大事故，安全生产过程中各类含辐射的废弃物也及时得到收贮，有效保障了生产和环境的安全。但是，由于辐射放射源的衰变时效相当长，对于历史遗漏的放射性废物、乏燃料的存储等所存在的安全风险不可忽视。此外，世界核安全形势复杂，这些都对我国核应急保障能力的提升，核应急工程装备的发展提出了更大的挑战[3]。

本文针对核应急处置过程中使用的消防车、泵车、直升机以及智能机器人等消防降温工程装备的国内外发展典型状况进行分析，明确我国在发展此类装备方面存在的不足，探讨了应该采取的应对措施，以期为核应急处置中相关消防降温装备保障能力建设和发展需求提供借鉴参考。

1 降温冷却在核应急处置中的重要作用

相比其他危化品生产安全事故的处置，核事故的处置更具难度和挑战性。在核事故中，除了核设施中的高温高压容器易产生爆炸、燃烧等危害，其最大的特点是会产生核泄漏，而核泄漏导致局部环境具有强辐射，不仅会对救援人员产生危害，还会直接影响机械化装备的效能，即在核辐射作用下，若无耐辐射防护，常规机械化装备的电子元器件及相关控制系统极其容易失效，从而无法实施救援处置，还会变成处置通道上的障碍物[4]。因此，在核事故应急处置中，不仅需要常规的消防救援工程装备，还需针对强辐射环境下的无人化耐辐射装备协同才可完成相关救援处置任务。此外，核事故中因反应堆冷却系统损坏、高温高压相关设施的损坏，极易引起燃烧、爆炸等灾害。为了防止和抑制从破坏的系统中释放出放射性物质，也需要对相关反应堆设施进行冷却降温，如日本在处理“福岛核事故”中，通过采用高压水枪注水和直升机浇水的方式对核电站机组进行冷却，降低核反应堆的温度，从而使危机得到有效控制。可见，在核事故应急处置中迫切需求相关消防降温类工程装备进行救援处置。

2 核事故消防降温类应急装备国内外发展状况

2.1 消防车辆装备

对于核事故消防降温应急处置，首先可快速响应和调度的还是常备的消防工程车辆。例如在福岛核事故中，日本政府先后出动了1辆高压喷水车、11辆高压消防车、30辆经特殊改造的消防车对核电站机组进行注水降温作业[5]。同时，在福岛核事故应急处置中，澳大利亚政府向日本政府援助了一种特制的远程操控高压水泡，用以冷却核反应堆，通过远程操控避免辐射风险。同类型装备中，典型的如美国霸王龙高压压缩空气泡沫消防车，该车兼具压缩空气泡沫和高层供水两种功能，拥有可装载9600L水和600L泡沫的储料罐，相关产品在我国的消防部门也有购置和使用。

在核事故相关反应堆设施的降温应急处置中，需要长时持续的降温，消防车储液罐容量有限，并且有时无法满足大展臂长距注水降温的需求。泵车在已发生的核事故应急处置中可被改装进行注水降温。例如日本福岛核事故后，美军出动2辆泵车参与应急救援，该类型泵车曾参加过1986年切尔诺贝利事故的水泥封盖，其臂展长近62.0m，能在距离目标3.2km外遥控操作。在参与切尔诺贝利事故时，该泵车进行了核辐射防护改装，即在驾驶室匹配了铅质外壳保护驾驶员，相关观测窗口加涂铅质釉用以同时保护操作人员和敏感的视频摄像头等光学元件。在福岛核事故中，德国也派出了相关泵车参与救援，该泵车车身全长约15m，每小时可注水约100t，该类型的装备在原苏联切尔诺贝利核事故封堆中也曾有过应用，其臂架顶端安装有摄像头，工作人员可通过摄像头传回的视频信息在100-300m外对其折叠式臂架进行遥控操作，从爆炸形成的反应堆厂房洞口向废料池注水。韩国企业也生产相关带无线遥控和大排量的泵车装备。

我国企业也推出了在核事故应急时适用于非核辐射区域的消防车类装备，包括大跨度（62m）高喷消防车、重型粉剂高喷消防车、重型抢险救援车、超高压供水消防车（供水高度400m）、冲锋消防车（集灭火、侦察、检测、运输等功能为一体的无人驾驶消防车）等。虽然消防车类的装备国内有不少生产企业，但是目前在公开可查资料范围内还鲜见专门针对核事故考虑耐辐射的消防车类装备。泵车类的产品，国内虽然起步晚，但是经过发展，目前我国泵车研制水平已迈入世界前列，2007年推出了臂架高度达66m，泵送排量200m3/h，泵送压力12MPa的泵车，2012年推出了有7节臂架的101-7RZ泵车，臂架最长的泵车高度达到101m，最大泵车输送量达到245m3/h。日本福岛核事故后，我国企业捐赠大型泵车用于核电站注水降温。该泵车通过加装喷水管和缩小口径，使泵车臂由原来的62m加长至67m，提高了喷口压力和喷射距离，还安装了浓度测量仪、360°摄像机等设备，采用远程无线遥控技术，使工作人员能随时测量核辐射浓度和在2km以外对泵车实施遥控操作。国内泵车在众多性能指标方面早已超过老牌国外企业，但是在产品可靠性、油耗等方面还需进一步提升。

2.2 航空消防装备

核事故发生后，救援通道可能因爆炸、燃烧等形成障碍物导致陆装工程装备无法通行，在未进行清障处理前的消防降温处置则需要相关航空消防装备进行实施。例如在福岛核事故中，日本自卫队动用了CH-47支奴干直升机进行注水降温。CH-47支奴干直升机是美国研制的多功能中型运输直升机，具有全天候飞行能力，能在恶劣的高温、高原气候条件下执行任务[6]。美国研制的S-64“空中吊车”直升机，该型直升机携带装有灭火剂的吊桶，可执行森林火灾扑救等相关救援工作。美国研制的S-70“火鹰”直升机，除了可吊装水桶进行灭火，其机腹下还加装了额外的灭火装置。俄罗斯为消防灭火设计研制了卡-32双发通用直升机，其抗风能力较强，可应用于森林消防、城市消防、搜索救援、复杂高层建筑安装和海上作业等。俄罗斯的米-26（T）重型消防直升机载有特殊的水容器，该容器的设计能够使直升机在空中悬停状态下从湖泊、河流中吸水进行重新装填，以节省时间，使直升机能够更快地穿梭往返于水源地和火场之间，增强灭火效率。法国也研制了一种名为AS350B1“松鼠”（水炸弹）的多用途小型消防直升机，该机型备有一个水容量为800kg的水箱，可进行空中投水灭火，该型号直升机除灭火外还可承担侦察、巡逻及空中联络等任务。

我国在消防直升机自主研发方面发展相对缓慢。2013年，我国首款民用直升机AC313（在直-8基础上研制）才投入商业化运行，由其改装的消防型AC313（13t级）则是到2015年才进入武警森林部队服役。目前我国也只是在15t级以下级别的中型机上取得了进展，但是还不能满足航空消防需求（10t以下级别难以满足航空消防需求）[7]。因此，亟需研制出更大级别的，类似米-26（20t级）这样的重型直升机，这不仅是核事故消防降温应急处置的需求，也是我国整个直升机行业所亟待突破的难题。

2.3 智能消防机器人装备

核设施场所基本都是相对密封和狭小的空间，当发生核事故时，大型的装备很难快速进入纵深内部对相关设施进行消防降温，同时由于事发地内部可能存在强辐射，因此需要智能化机器人装备对纵深的局部区域进行消防降温，避免内部小范围的遗留的明火演变成大危害[8]。当前，国内外还鲜见推出专门针对核事故的消防智能机器人产品。但是通过调研，国外在消防机器人方面有一定的进展工作，对于核事故的消防机器人，可以在已有的消防机器人基础上进行耐辐射改造使用[9]。美国研制的萨迈特遥控消防机器人可在非常安全的距离观察火场情况，并可随时调整机器人行进状态和遥控水炮喷射方向进行灭火，并且其设计动力可持续使用8h。美国开发的Pandora消防侦察机器人采用履带车轮驱动平台，可以越过大的障碍物、沟、台阶和路阶等，装备有微型摄像机和立体声系统，能在复杂的灾害现场进行探测和搜救。美国研制的CHARLI-2消防机器人，其具备使用消防软管、投掷灭火器手榴弹、攀爬梯子的能力。法国研制的Colossus灭火机器人可在1000ft外操作，通过六个锂电池为两个电动马达提供动力，可将机器人推至2.2mile/h，还能够穿越困难的地形并携带1200lb物体，其具有防水和防火功能，可帮助消防队员操作消防水带，移动设备或将伤员运送到安全地点，在巴黎圣母院火灾时其参与了相关灭火工作。

我国在2002年研制了“履带式、轮式消防灭火机器人”，开启了机器人在消防领域的应用之路。随后推出了智能防爆消防灭火侦察机器人，能够深入爆炸、有毒有害、消防人员不易靠近的危险场所。研制的多功能灭火机器人可抗高温，能在易燃易爆、有毒有害、放射性等恶劣环境下执行消防任务[10]。目前国内公司已开发了各种规格的灭火机器人，但是针对核辐射环境下的消防灭火机器人还较少。虽然个别单位推出了可在放射性环境下工作的灭火机器人，但其实际应用性能还有待实践检验。

3 我国发展核应急消防降温工程装备的建议

通过调研分析发现，由于核事故消防降温的应急处置是小概率事件，但是相对其他危化品险情灾害，核事故一旦发生，其在空间和时间上产生的危害都是巨大的，并且如若发生放射性物质的泄漏，局部环境空间是难以在短时间内完全恢复到原状的。因此，随着我国核工业事业的蓬勃发展，核安全的应急保障装备发展必不可少。目前可查文献中，未见专门针对核事故的消防降温体系化装备，但是欧美日等国家因在历史相关核事故中都有参与救援工作，并且核领域的工业发展相对走在前列，因此相关的核事故应急处置装备具有一定的积累和经验，不少消防降温装备直接或通过改装或定制化参与核事故的应急处置，在核应急消防降温装备的耐辐射、机动性、智能化等方面掌握了比较先进的技术。

与发达国家相比，我国的核事故应急处置装备相对比较缺乏，虽有不少具有共性功能的消防类装备，但是能否在辐射环境下发挥较大效能和具有可靠性，仍待商榷。以核事故消防降温应急处置装备为典型，在共性技术研发方面有以下几点需要思考。

3.1 辐射环境下装备的可靠性设计

围绕核事故中强辐射、高温等极端环境要求，解决产品防护新材料、新结构等耐辐射可靠性设计问题，以满足消防降温装备在核事故应急处置中的安全高效工作。

3.2 装备的智能化及远程操控技术发展

核事故在重点灾情区域存在强辐射危害，为避免救援人员伤亡，亟需无人化消防降温工程装备，即尽可能依托可自主完成相关应急处置的智能化消防降温装备，并经由远程操控系统进行指挥。

3.3 装备的成套化技术发展

在核事故应急处置中，消防降温处置往往需要空中、地面或外围区域、内部核心空间等多个维度协作展开，因此发展成套化的协作装备是核事故应急处置的必然需求。

3.4 装备的评估方法体系

需要建立科学的核事故消防降温应急处置装备的评估方法体系，可对装备在辐射环境下的效能进行有效评价，并制定相关标准，为装备的研制确立指标方向。

4 结语

核事故应急处置中迫切需求相关消防降温类工程装备进行救援处置，避免更加严重的燃烧、爆炸等灾害发生。国外在核应急消防降温中通过消防车辆装备、航空消防装备、智能消防机器人装备等进行多维度作业，积累了一定的经验，并掌握了该类装备在耐辐射、机动性、智能化等方面比较先进的技术。我国在发展此类装备方面还有不足，需要在现有消防工程装备技术基础上加强耐辐射能力、可靠性设计、智能化水平等核心技术的攻克，形成具有完全自主化的可适应核安全应急保障的创新装备产品，提升我国核应急保障能力。