目前，國內已經有多家機構開始設計浮動核電廠。浮動核電廠在海洋環境條件下 運行，因此，常面臨海浪災害。本文分析了海浪災害的特點以及海浪災害對浮動平臺和 核蒸汽供應系統的影響，探討了海浪災害設計中，船舶專業和核蒸汽供應系統設計兩大 設計專業間的對接問題，還探討了浮動核電廠海浪災害設計基準的規定及其在核安全設 計中的應用，為浮動核電廠的設計和監管要求提供參考。
隨著我國海洋經濟的逐步發展及國家海權維護的需要，我國對海上能源供給的需求日漸強烈。浮動核電廠的浮動平臺具有靈活性、機動性以及核能的清潔高效性，可廣泛用于島礁開發和海洋資源開采，是為海洋開發提供能源保障的一種優良的解決方案。目前，國內已有多家研究機構和企業開始設計多種型號的浮動核電廠[1，2]。
近年來，嚴重威脅核電廠安全穩定運行的外部災害時有發生，引發了核電業界的強烈關注。世界核電運營者和組織在福島核事故后也為了適應國際核安全形勢，在同行評估活動中增加了一項設計信息審查科目，重點審查核電廠外部災害設計的應對能力。浮動核電廠的設計研發通常以陸上核電廠為基礎，對其進行小型化、船載化和海洋環境適應性改進，應用的外部災害設計方法通常也參考了陸上核電廠的方法。但是，浮動核電廠面臨的外部環境與陸上核電廠有很大的不同。浮動核電廠雖然可以有效規避地震等外部災害，但是也存在一些影響安全穩定運行的特有外部災害。海水是浮動核電廠的載體，海浪是浮動核電廠最為重要的海洋環境條件，海浪災害也是對浮動核電廠影響最為重要的外部災害之一。
國內已就浮動核電廠海浪災害安全設計開展了一些研究。文獻[3] 對比了陸上核電廠和海洋船舶工程的外部災害安全目標、概率重現期的區別;文獻[4] 調研了國外海上浮動核電站政策和標準規范;文獻[5] 分析了海上核電平臺標準的現狀及標準的建設;文獻[6] 調研了大型核動力船舶外部環境參數設計標準。以上研究未就浮動核電廠海浪災害的具體設計基準及設計方法展開系統、深入的探討。國家核安全局印發了《浮動核動力裝置設計中所選擇的外部災害(試行)》，給出了對浮動核電廠16 類外部災害的監管要求，對海浪災害提出了具體的最低設計基準[7]，但是沒有給出在工程項目中貫徹實施設計基準的技術指導。
浮動核電廠的設計研發是海洋船舶工程和核動力工程的結合，兩大學科相互耦合，因安全設計目標、方法、標準和特點的不同在銜接中尚存在較多問題。目前，國內對浮動核電廠海浪災害的設計方法缺乏深入研究，現有的相關法規和標準的適用性也存在局限性。本文從分析海浪災害的特點出發，從多個角度分析海浪災害對浮動平臺和核蒸汽供應系統的影響， 探討海洋船舶工程和核動力工程在浮動核電廠 海浪災害安全設計中的銜接方法，并分析設計 監管中潛在的問題，為監管政策的制訂和完善 提供參考。
1 海浪災害的類型和特點
海浪是發生在海洋中的一種海水波動現象，其周期為0.5 s 到幾十秒，波長為幾十厘米到幾百米，波高為幾厘米到二十多米，極端情況下可能達到30 m。海浪主要分為風浪、涌浪和近岸浪3 種。風浪是海平面在風的直接作用下產生的不規則海浪，通常是用統計規律和特征參數對這種不規則波進行近似描述;涌浪是從其他區域傳來的海水波動，或由于當地風浪下降、風向改變或風平息之后形成的海浪，涌浪的形態和排列比較規則，波及的區域也比較大，近似于規則波;近岸浪是指由于外海的風浪或涌浪傳到海岸或淺灘附近，受地形作用而改變波動性質的海浪。
本文的“海浪災害”不是指浮動核電廠長期所處的海洋環境，而是指瞬時或短時間內可能對浮動核電廠的安全穩定運行造成干擾或破 壞的海浪。通常，波高較大的災害性海浪都屬于風浪。中國近海位于歐亞大陸，面向太平洋，受世界上最大的海洋和最大陸地的影響， 冷暖空氣交換活躍，具備大風浪的形成條件。中國近海災害性海浪通常可按照產生途徑分為3 類：熱帶氣旋浪(包含熱帶低壓、熱帶風暴、臺風引發的海浪)、溫帶氣旋浪和寒潮浪。表1給出了3 類風浪在中國近海及鄰近海域引發的浪高在6 m 以上海浪的統計數據[8]，由表可知，在南海地區，6 m 以上的災害性海浪平均每年都會出現14 次以上;在東海地區，6 m 以上的海浪平均每年會出現15 次以上。
2 海浪災害的數學模型
海浪可以被視作由無限多個振幅不同、頻率不同、方向不同、相位雜亂的波組成，這些波構成了海浪譜。通常用經驗公式化描述海浪能量相對于頻率和方向的分布，典型海浪譜有ITTC 雙參數譜、JONSWAP 譜、P-M 譜等。
若某一隨機過程是由大量的相互獨立的隨機因素形成的，其中，每個因素在總影響中所起的作用都是微小的，這種隨機過程通常近似服從正態分布。風浪基本滿足上述條件，因此，波幅、波浪引起船體運動的瞬時值都服從正態分布。瞬時值服從正態分布的平穩隨機過程， 其幅值服從瑞利分布。因此， 風浪的波幅、船體的搖蕩幅值、應力幅值等都近似服從瑞利分布。
通常用波高來度量海浪災害破壞力和災害強度。風浪不是規則波，波幅呈統計分布形態。在衡量海浪的強度時，通常會使用一些特征波幅，如平均波幅、三一波幅 (又稱有義波幅)、十一波幅等。使用最多的是有義波幅。有義波幅接近于目測的波幅，是在海浪災害的所有波中，有1/3 波的波高是平均波高的1.6 倍。
如圖1 所示，圖中給出了兩個呈瑞利分布的海浪災害的波高概率分布曲線，分別標記為海浪災害A 和海浪災害B，h31 和H31 分別是兩個海浪災害的有義波高值，曲線代表海浪災害的波高的概率密度分布。
由圖1 可見，海浪災害A 的有義波高的波幅低于海浪災害B 的有義波高，因此，海浪災害A 的災害強度低于海浪災害B。
海浪災害的特點導致了浮動核電廠設計中出現一些潛在的沒有被法規和標準明確規定的重大問題，比如，國家核安全局印發的《浮動核動力裝置設計中所選擇的外部事件 (試行)》 要求浮動核電廠關于風浪流組合災害的設計基準為500 年一遇[7]，但是在100 年一遇甚至 50 年一遇的這些災害強度更低的海浪災害中，也可能出現比500 年一遇的海浪災害中出現的最大波高更大的波，這是一個概率問題。因此，建議監管機構通過概率論的方式充分細化對風浪流組合的設計基準要求，更明確地給出浮動核電廠的海浪災害設計抵抗能力限值。
3 浮動平臺對海浪災害的響應
浮動平臺是浮動核電廠的基礎和載體，海浪災害通過浮動平臺對核蒸汽供應系統產生影響。海浪災害主要挑戰浮動平臺的結構強度和穩定性，目前，船舶工業可以比較容易地確保平臺的結構強度安全，因而穩性是海浪災害對核安全挑戰較大的方面。浮動平臺在海浪災害的作用下會發生 6 種不同的運動形式，包括橫搖、縱搖、艏搖3 種轉動運動形式以及縱蕩、橫蕩、垂蕩3 種直線往復運動形式。
目前， 國內設計的浮動核電廠都為自航式，浮動平臺也是單體船樣式的。浮動平臺在海浪災害作用下的6 種運動形式的運動強度會受到諸多因素的影響，在浮動平臺的幾何形狀和質量分布確定后，最主要的影響因素包括浮動平臺的航速、浪向和船向夾角、海浪波高和頻率。表2～表4 以美國企業號航空母艦為例，給出了其耐波性數值計算結果[9]。需要注意的是，表中的每一個數據都是有義值，其代表了一個運動幅值的分布，而不是一個固定值或者最大值。
參考表 2～ 表 4， 通常來說， 波高越大，浮動平臺在海浪的作用下的運動幅度也會越大; 在浪向接近 90° 時， 平臺橫搖幅度較大; 在船向與浪向接近 180° 時， 平臺縱搖幅度較大。
根據表4，在有義波高為8.9 m的情況下，航母的航速為0，對海浪入射角為90°時的義值橫搖角度4.73°進行概率分布計算，可以得到圖2，由圖2可以看出，企業號航空母艦在該海浪入射情況下，橫搖角度超過了 5.08°的概率為 10%，橫搖角度超過7.18°的概率為1%。可以繼續推算橫搖角度超過8.79°的概率為0.1%，橫搖角度超過10.15°的概率為0.01%。越大的橫搖角對應更低的超越概率。
浮動平臺的形狀特征使平臺在不同的浪向角下對相同海浪波的運動響應不同，因此，浮動平臺在不可避免地遭遇到較強的海浪災害時，可通過采取科學調整航速和船向的手段， 維持對浮動平臺有利的狀態。但是設計基準海浪災害造成的浮動平臺的響應是核蒸汽供應系 統設計的基礎參數，為了安全，應使用最不利 的平臺響應參數做包絡。目前，船舶工程已經 發展出眾多船舶減搖技術，可以應用于浮動核 電廠平臺中。
目前，尚無核安全相關標準和規定對在海浪災害作用下的浮動核電廠平臺的橫搖、縱搖、垂蕩等運動的幅度許可值做出具體的、基準性的要求。
4 核蒸汽供應系統對海浪災害的響應
核蒸汽供應系統在災害性海浪的影響下可能有多種效應。
在傾斜、垂蕩、搖擺、沖擊等載荷的作用下，核蒸汽供應系統的設備、管道、支承結構的應力受到影響， 可能導致的失效模式有：
(1) 設備及部件的本體錨固變形、斷裂、疲勞失效;(2) 設備轉軸撓度過大而卡死;(3) 潤滑油液面變化導致潤滑不足;(4) 由于受力變化，導致運動部件不能動作。這些失效模式嚴重影響了核蒸汽供應系統的電氣、儀控、機械設備的可靠性。
在傾斜、搖擺、垂蕩、沖擊等載荷的作用下，核蒸汽供應系統的工質流動、熱量傳遞性能將改變，有一些效應對安全是有利的，有一些對安全是不利的，正常運行和事故響應均可能因此受到影響。通常在工質強迫循環的情況下，影響較輕，而在自然循環條件下可能由于高差變化和搖擺、垂蕩產生的應力而受到影響。
5 海浪災害的設計和監管
5. 1 海浪災害設計基準
核電廠的外部災害的設計基準是核電廠設計可抵抗的強度最高的外部災害的限值，是核電廠最重要的總體設計參數之一。超出設計基準限值的外部災害可能對核電廠造成破壞性的影響，威脅工作人員和公眾的人身安全。外部災害設計基準常以概率方法推算而得，以確保超設計基準情況極不可能發生。
浮動核電廠的海浪災害設計基準與船舶設計和核蒸汽供應系統的設計有如圖3 所示的關系。
浮動平臺設計和核蒸汽供應系統的設計通過海浪災害的設計基準呈互相制約的關系。通常，根據海浪災害的重現期標準和目標作業地點的海浪災害重現期關系可以得到海浪災害的強度設計基準;結合船舶的形狀結構和質量分布，通過船舶的耐波性計算，可以得到平臺在設計基準海浪災害下的響應情況;平臺在設計基準海浪災害條件下的響應水平制約了核蒸汽供應系統的抗傾斜、搖擺能力。反之，核蒸汽供應系統的抗傾斜、搖擺能力將限制平臺的運動響應，對浮動平臺的耐波性優化提出要求。同時，核蒸汽供應系統的系統配置和布置將影響浮動平臺的耐波能力，而浮動平臺的結構形狀系統配置等又影響核蒸汽供應系統的設計和布置。在船舶工程和海洋工程設計中，海浪災害的強度通常用有義值度量，但是，有義值是一個代表分布概率性質的量，無法通過有義值判 斷一次災害性海況的波高的最大值，而核電工 程設計的外部災害強度通常使用災害的峰值強 度度量，如強風災害的設計基準通常是考慮3 s 最大陣風風速;地震災害的設計基準是考慮最大峰值地面加速度。如何將有義值轉變為最大 值是浮動核電廠設計中船舶設計專業和核工程 設計專業需要解決的重要問題。比較簡便的方 式是，以船舶設計中的有義值代表的某一具有 較高超越概率的值作為核電工程的設計基準。例如，雖然圖1 中波高分布曲線向高波高的方向無限延伸，這通常只是理論上的波高分布，極高的波高發生的可信性很低，因此，可對某一 較大重現期(如500 年一遇) 的海浪災害的較高超越概率的波高(如0.01%) 進行截斷，作為核電工程的設計基準。
5. 2 確定論安全分析
在傾斜、搖擺的環境中，浮動核電廠核蒸汽供應系統工質的流動和換熱性能可能會發生一些改變，而這些改變可能是對安全不利的。
(1) 流動和傳熱公式的適用性。在開展核蒸汽系統熱工設計和安全分析計算時，首先應確認各類流動和傳熱關系式的設計基準以及海浪災害造成的最不利的傾斜搖擺下的適用性，以確認流動和換熱計算式中經驗系數在設計中的適用性。
(2) 計算程序。目前，國家核安全局已經
開展了對計算程序的審查工作，在程序開發者提出申請后，對程序進行鑒定和認可。浮動核 電廠設計工作中使用系統程序、子通道程序、嚴重事故分析程序在開展事故安全分析時，均 應考慮最不利的海洋環境，以確保在事故工況 下有足夠的熱工設計裕量。
(3) 非能動系統。通常情況下，相較于能動系統，非能動系統的性能更容易受到海浪造成的搖擺的影響，因此，在對浮動核電廠在海浪災害情況下的安全性進行評估時，需要考慮或證明非能動系統在海浪災害條件下的功能可用性。
5. 3 設備鑒定
浮動核電廠需要驗證和確認與核安全相關的設備滿足或超過在設計基準海浪災害條件下的設計能力要求，因此，需要在設備鑒定中進行驗證。浮動核電廠設備面臨的機械環境較為復雜，可以表征機械環境惡劣程度的參數包括靜傾角度，橫搖、縱搖、艏搖最大傾角、角加速度、線速度、線加速度，縱蕩、橫蕩、垂蕩的加速度和速度等，給設備鑒定過程中極端環境條件下的設備工作條件的模擬增加了難度。
(1) 鑒定參數。《海上浮式裝置入級規范》《鋼質海船入級規范》 和國標 GB/T 14092.4—2009、國軍標GJB 10660.1—1991 對振動、傾斜搖擺、沖擊等都做出了一些規定，主要對靜傾傾角和橫搖、縱搖幅值和角加速進行模擬和鑒定， 還在標準中規定了試驗搖擺的周期和時長。但是，這些標準和規范在制定時都沒有考慮海上浮動核電廠的特殊性。
文獻 [10] 指出，美、德、日、俄等國家目前已有的船舶核動力裝置堆艙的位置都位于船舯或船舯附近，分析認為，反應堆堆艙布置的最優位置是船舶重心所在的中央區域，因為在相同的海洋條件下，船舯位置附近的機械環境更優。施建榮、施詩、張燕在文獻[11] 中指出，搖擺對具有旋轉結構的裝備來說，會對轉軸和軸承產生附加力矩，對具有液體和不平衡運動系統的裝備會產生離心力矩，因此，應將有轉軸的設備盡量延艏艉線布置和安裝。
陸上堆對設備的地震鑒定主要考慮水平和豎直向的加速度參數，在目前已有的一些標準 中，針對極限海洋機械環境橫搖進行鑒定時，只考慮橫搖的角度幅值和橫搖周期，沒有考慮處于不同艙室不同位置的設備，其在相同橫搖情況下，線加速度不同，而線加速度必定會對設備的錨固、功能和性能造成影響。由此可見，目前相關設備鑒定標準對鑒定參數的選擇可能是不充分并且缺乏論證的，因此，鑒定參數的選擇需要結合設備在浮動平臺中的布置位置進行鑒定，這是應該考慮和論證的問題。
建議盡快組織制定核安全相關設備在海浪災害條件下的功能鑒定標準，在鑒定參數的選擇中，全面考慮各種海浪災害導致的機械運動的影響，對核安全重要的設備制訂更全面的鑒定標準，鑒定的標準不應低于設計基準。
(2) 鑒定方法。在海浪災害條件設計基準下，浮動核電廠的響應因海浪入射角和航速的不同而改變，鑒定應采用設計基準下的最不利響應狀態。
設備鑒定方法主要分為兩類：試驗法和分析法。一些尺寸或質量較大的設備難以具備實驗條件或實驗成本較大，可以在分析功能失效模式的基礎上綜合使用兩種方法開展鑒定。
各種類型的設備在鑒定時是否應保持在線，或后期再開展功能再鑒定，也是鑒定標準中應明確的問題。
5. 4 運行策略
目前， 我國已經具備很強的海洋預報能力，可以提前多日預報海域海況，因此，浮動核電廠具備很強的避離海浪災害能力。浮動核電廠應在監管機構的監督下建立躲避海浪災害的決策機制，明確在未來多長時間內將可能遇到多大的海浪災害的前提下，進行避離，并確定在何處避浪以及避離的路線。同時，監管機構也應據此考慮是否可以放寬海浪災害設計基準水平，以提高浮動核電廠經濟性。
如果浮動核電廠不可抗地遭遇了海浪災害，此時維持何種運行狀態以及是否應提前停堆，應根據浮動核電廠的系統配置和安全分析結論得出最佳的策略，并獲得監管機構的認可。
6 總結
從安全重要性角度來看，核安全相較船舶浮動平臺安全更重要，但是，平臺的運動形態和海損也必定會影響核安全，因此，在浮動核電廠的設計、運行、監管中，應以核安全為主導，船舶結構、布置、耐波性設計要服從和配合核安全設計，將核安全監管經驗和方式延伸到浮動平臺，以核安全的理念加強浮動平臺的抗海浪災害安全等級。
浮動核電廠的海浪災害設計基準需要在考慮海浪災害的特點的基礎上開展深入研究，進一步明確海浪災害條件對設計基準的要求，以海浪災害的峰值強度或浮動核電廠的傾斜和搖擺峰值作為海浪災害的設計基準。
浮動核電廠海浪災害條件的確定目前還缺乏法律法規和標準的指導和監管， 在安全分析、安全級設備鑒定、運行策略等方面應建立一套科學、合理、嚴謹的法規和標準，以進一步規范浮動核電廠海浪災害條件的確定，提高我國浮動核電廠的安全性。
作者：王照，馮丙辰
