核电厂龙卷风飞射物防护方法研究与应用

摘要：龙卷风是一种破坏能力极强的自然灾害，可以摧毁建（构）筑物、损坏通风系统。其强大的作用力能卷起并抛射地面上的物体，形成飞射物，对核电厂关键基础设施构成严重威胁，可能导致核电厂事故工况发生，危及核电厂的安全。各国核电监管机构明确要求核电厂须考虑龙卷风灾害防护设计，但目前缺少系统性的核电厂龙卷风飞射物防护设计方法。本文通过调研龙卷风灾害发生机理，分析其对核电厂的主要破坏形式，结合工程实践经验，提出了体系性的防护设计方法，并研究不同防护措施在不同布置场景下的适用性，为核电厂龙卷风防护策略提供借鉴。

关键词：核电厂；龙卷风飞射物；防护方法

引言

龙卷风是一种破坏能力极强的自然灾害，具有持续时间短、移动速度快、突发性强、监测预警难等特征，通常还伴随雷暴。经调研，龙卷风生成的必要条件为“母体风暴+强对流”，一般容易发生在“雷暴积蓄+地势开阔”区域，以广东省为例，根据龙卷风诱因划分为两类：西风带龙卷和台风龙卷，其中台风导致的龙卷占比较高，而我国核电厂厂址主要为滨海厂址，且部分核电机组位于龙卷风频发省，因此，龙卷风灾害是核电厂外部灾害防护设计中必须考虑的自然灾害之一[1]。

1 龙卷风飞射物防护必要性

龙卷风对核电厂的威胁主要来自风压作用和飞射物冲击，强劲的风速可直接摧毁抗风能力弱的建（构）筑物及室外物项。高速旋转的气流形成强大的负压区，可以摧毁建（构）筑物、翻覆车辆、损坏通风系统等。强大的吸力能卷起并抛射地面上的物体，形成飞射物，对建（构）筑物，尤其是核电厂关键基础设施构成严重威胁。在龙卷风灾害对核电厂产生的多种危害效应中，飞射物对核电厂的威胁最大，因此，需要对核电厂抵御龙卷风飞射物的能力开展分析评价，及时消除潜在薄弱项风险。安全重要系统、设备等物项是确保核电厂安全的专用设施，为保护这些物项，任何潜在的飞射物都可能构成威胁，需要在核电厂设计中考虑防护。

2 龙卷风飞射物防护方法

对于龙卷风产生的飞射物种类，至少应考虑以下三种类型的飞射物[2]：1）具有高能动、在冲撞时将发生变形的重飞射物；2）大的坚硬飞射物（对此必须提供穿透保护）；3）尺寸足够小能够通过保护屏障的坚硬飞射物。在这些飞射物袭击情况下，确保不会造成对使机组返回安全停堆状态所要求的设备功能丧失。

2.1 防护设计过程

龙卷风飞射物的撞击动能较大，仅靠安全级设备本身抵御这种冲击荷载的防护策略是行不通的。且由于核电厂物项布置的复杂性和工艺系统需求的多样性，需要在不影响工艺设计方案前提下，考虑最合理的防护方法。基于核电厂整体物项布置情况和所防御的飞射物特征，防护方案主要从如下几个方面开展：1）布置尽可能避免安全重要物项成为打击靶物；2）厂房整体结构加强；3）关键部位增设飞射物防护屏障；4）精细化评价方法控制防护设计成本；5）制定合理的应急响应行动。

（1）识别保护物项清单

核电厂执行重要安全功能的系统及设备都应纳入保护清单范围，包括机械类、电气类、仪表类等物项。

（2）布置合理化

在满足工艺系统设计需求前提下，布置尽可能将安全重要物项布置在厂房内部，避免成为龙卷风飞射物的直接打击靶物，靠物项本身抵御龙卷风飞射物的设计，一般会产生较大的经济成本代价，且一些敏感的电仪设备是很难实现的。因此，需优先考虑将重要物项布置在厂房内部，通过厂房结构屏障实施保护。

但也存在比较特殊的布置情况，如在设计基准事故工况下，需要将热量排大气以实现缓解事故后果目的设备，即排热路径的排放管道及其消音装置，不可避免需要布置在厂房外部。这部分物项需特殊考虑防护措施。

（3）厂房墙体结构加强

增强核电厂安全重要厂房整体结构抗飞射物能力，如采用钢筋混凝土框架结构，特别是外墙抗飞射物的能力，如增加混凝土墙体厚度等。在龙卷风飞射撞击作用下，结构除了能承受飞射物撞击荷载，不发生倒塌、破裂、穿透等现象外，还应避免在墙体内测产生次生的碎甲灾害。另外，还需关注对关键部位进行局部加固，如门窗洞口位置结构、墙角等易受损区域。

抗飞射物的屏障和结构要承受和吸收飞射物的撞击载荷，以防止损坏结构、系统和部件。用于抗飞射物的屏障和结构的设计计算，钢筋混凝土屏障的穿透采用下述公式（1）进行[3]计算：

式中，M——飞射物质量（kg）；D——飞射物直径（m）；V——飞射物速度（m/s）；H——墙、板厚度（m）；ρ——混凝土密度（ kg/m3）。

（4）龙卷风飞射物安全评价

对于潜在风险位置，需要开展龙卷风飞射物精细化分析评价，以确定是否需要增设飞射物防护措施。

（5）防护措施比选

对于厂房外墙潜在风险开口，增设的防护措施需根据开口的功能来确定。对于布置在室外的物项，增设的防护措施也不能影响其功能，防护措施类型需要匹配开口设计功能需求。将在2.2开展详细阐述。

（6）制定应急预案

对于龙卷风飞射物灾害防护，除了设计阶段应考虑的设计措施以外，还应在运维阶段建立完善的龙卷风预警（龙卷风灾害提前预警技术尚在逐步发展中）和应急响应机制，确保在龙卷风来临时能够迅速采取应对措施。完善的应急预案制定需要包括：提升灾害预警技术和能力、制定合理的应急行动水平（即进入核电厂不同等级应急行动的判定准则）和计划、人员疏散、机组运行策略、紧急修复等方案。

2.2 防护措施选择

防护措施需根据防护薄弱项开口的用途来确定，例如有些开口是用于人员通行的门，有些开口是需要对外释放压力的泄压口，有些是保持需要保持常开状态的通风口。对于布置在室外的物项，增设的防护屏障不能影响物项执行功能。下面将对不同类型防护屏障进行适宜性分析研究，为防护措施选择提供一些借鉴。

（1）钢格栅

适合高度9米以上，有通流需求的功能型开口，比如自然通风口、泄压口等，且会产生空气阻流，导致开口面积扩大。

（2）移动钢板

较厚重，适合地面层或屋顶层周期长的检修通道、或设备运输通道，不适合开启频率需求高的开口位置。

（3）钢柱梁结构

适合有通流需求的功能型开口，比如自然通风口或暖通系统进、排气口等。

（4）室外管道或设备防护罩

适合部分延伸在室外的设备或管道，且有检修预留需求，一般布置在高度9米以上。不能抵御汽车类飞射物，只能抵御钢管和钢球类飞射物。

3 结论

核电厂在设计过程中需考虑龙卷风飞射物的影响，通过飞射物特性研究以及工程实践经验的总结，建立了龙卷风飞射物防护设计的具体步骤，并根据布置场景差异开展防护措施的适用性分析，为核电厂龙卷风飞射物防护策略提供更精准的参考，提升了核电厂应对龙卷风飞射物的安全水平。