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多层防御的实践
第二次世界大战结束后,里科夫(Hyman Rickover)非常赞赏杜邦公司在生产堆上保守的决策思想,把它移植到核潜艇的研制过程中。相比于战斗力,他更关心和在乎核潜艇的安全性。安全,成为他一切决策的前提条件。
为了确保艇员的安全,里科夫和手下的工程师们可是煞费苦心。我们知道,对于陆上反应堆,可以分别应用距离和屏蔽防护的原则,即依靠偏远的选址和增设安全壳的方法,来规避反应堆运行过程中可能对工作人员和公众产生的辐射危害。但对于长时间航行在大海深处的核潜艇而言,这两种方法都难以适用:一来发生事故时,艇员在水下逃生空间非常有限,即使停留在港口,也多位于都市的人口密集区附近;二来由于潜艇尺寸和空间的限制,不太可能在反应堆的外面罩上一个庞大的安全壳。别无他法,海军方面只有穷尽一切办法防止发生事故,来确保核安全了。
在里科夫的主持下,海军在设备制造质量控制、系统和部件试验或检查、操纵员培训等方面制定了严格的程序。设计之初就考虑了潜在的设备失效或故障,设置了冗余系统,以便每个安全功能均由多于一个的系统或部件来执行;系统和部件在制造时留有相当大的裕量,以便应对可能的意外状况;操控反应堆的工作人员,必须经过严格的培训方可上岗。事实证明,这些事故预防策略达到了预期的效果,对潜艇反应堆的运行安全起到重要的保障作用。
美国的核电,起源于核潜艇反应堆技术。自然而然地,海军的反应堆事故预防策略,随后被完全移植到早期的核电厂设计、建设当中。1957年建成投运的希平波特核电厂,所有重要的设备、部件和仪表,在整个制造过程中处于工程人员的全程监造和监督当中,对发现的质量缺陷,作为政府全权代表的里科夫一票否决,绝不妥协。为了确保公众安全,在放射性物质与环境之间设计了四道屏障:第一道是将核燃料装进高度耐腐蚀的锆合金包壳中,第二道是将密封焊接好的反应堆主冷却剂系统置于承压的隔墙内,第三道是将反应堆及其蒸汽系统装在一系列相互连接的压力容器里,最后一道则是将整个反应堆置于地下混凝土结构中。
1958年,在一个描述汉福特钚生产堆的安全设计文件中,第一次公开提及到这种多层防御的概念。1965年,在呈送给国会原子能联合委员会的一封信中,原委会主席西博格(Glenn Seaborg)把“多层防御”定义为民用反应堆的事故预防和缓解策略。1967年,在原委会的一个内部报告中,他们把防御的层次概括为事故预防、保护和缓解三个层次,并强调应把安全投入和措施集中于事故预防上。
随后,“多层防御”在核工业界逐渐演变为“纵深防御(Defense in Depth)”的概念,并成为确保核安全的基石。在1973年发布的WASH-1250报告《核电厂轻水反应堆和相关设施的安全》中,原委会将“纵深防御”概括为确保核安全的基本哲学,也是迄今为止能找到的出现该术语的最早文献。
这种安全哲学,隐含着三个基本的假设:设计上不可能完美无缺,设备有时会出故障,人们偶尔会出错。既然如此,为了安全考虑,我们便采取两种策略:一种是预防策略,尽可能避免出现故障、瑕疵或失误;另一种是缓解策略,即使采取了各种预防措施,但难免百密一疏,事故仍有可能发生,那么就利用一切可行的补救措施来缓解或控制事故后果。
在贯彻和落实预防或缓解策略过程中,我们常常秉承三个原则:
一是冗余性,确保执行同一安全功能的系统或设备有多套,比如设置超出运行需求的多套应急柴油机组;
二是独立性,避免一个系统或设备受到其他系统或设备的影响而发生继发故障,比如将相邻的两个安全重要设备进行实体隔离;
三是多样性,避免执行同一安全功能的系统或设备由于同样的原因失效,比如采用不同的运行条件、不同的制造厂、不同的工作原理等等。
概而言之,我们应用纵深防御思想的根本目的,在于补偿由于人类认知能力的限制而产生的不确定性。
麻烦之处在于,人们往往很难确切地知道不确定性的大小,那么补偿这种不确定性的边界又在哪里呢?可以说,这种评估纵深防御实施有效性的难题,也是确定论安全方法所面临的难题。
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纵深防御的现实与挑战
紧随希平波特核电厂之后,美国核电厂的承建者如法炮制,广泛地借鉴这种成功的实践经验,在此基础上形成了早期的纵深防御策略:为确保反应堆安全,首要的关键要素是实施事故预防措施,通过质量控制、系统和设备保守的设计、制造和安装、操纵员的严格培训来最大程度减少事故发生的可能性;尽管如此,设备故障或操作失误在所难免,事故仍可能发生,则依靠冗余的安全系统来应对;假若安全系统失效或应对不力,则依靠安全壳厂房来防止放射性核素释放至环境;此外,核电厂要启动事故管理程序;最后,在选址时,事先划定隔离区和低人口区来减少事故情况下潜在的受照人群,并制定应急计划(包括掩蔽和撤离措施)来减少公众的受照剂量。
早期的纵深防御策略
三里岛核事故和切尔诺贝利核事故的发生,使得人类对核事故的认识和研究逐步加深,相应的安全措施日渐成熟,便形成了今天四道实体屏障与五个防御层次相辅相成的纵深防御体系。就一座典型的轻水堆核电厂而言,四道实体屏障分别是燃料芯体、燃料包壳、反应堆冷却剂系统压力边界和安全壳。
轻水堆核电厂的四道实体屏障示意图
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