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芮泰德

1  引言

      3月11日，日本東北部海域的9級強烈地震和由之引發的超高海嘯，直接導致了日本福島第一核電廠發生世界核電發展史上第三次嚴重事故，對日本和世界核電的發展造成了極大的負面影響。核電廠廠址選擇隨即引起了我國廣大公眾的極大關注。許多人迫切想知道我國核電廠的廠址選擇是如何進行的，我國會不會發生日本那樣的極端自然災害疊加的情況，等等。本文試圖探討核電廠廠址選擇中必須認真考慮的主要因素，以及我國核電廠廠址選擇通行的做法。

2  廠址選擇中需考慮的主要因素

      核電廠廠址選擇需認真考慮的主要因素包括地質、地震、氣象、水文和人口分布等?，F分述如下：

2.1 地質

      所謂地質，是指地球或地球某一部分的性質和特征。核電廠廠址選擇中，地質方面主要考慮的內容為：①評價潛在的地質災害，包括地表斷裂，地面塌陷、沉降或隆起，斷層蠕動，斜坡不穩定性和基土液化等；②評價基土特性，以便獲得合理的基土分類；③評價在工程設計中所采用的土工參數。其基礎工作是地質調查。

      地質調查通常分為區域、近區域、廠址附近和廠址地區四種范圍。

2.1.1  區域調查

      調查范圍半徑一般為150km，主要目的是提供區域地質和構造格架及總的地球動力學的背景資料，以及鑒定那些可能影響廠址地震安全性有關的地質特征。主要工作是收集分析文獻資料，并將其中有代表性的地質特征表示在比例尺不小于1:1000000的地圖上。

2.1.2  廠址近區域調查

      調查范圍的半徑一般為25km，其主要目的是鑒定近區域范圍內的地震構造特征，為建立區域地震構造模型和評定廠址地區的地震安全性提供基礎資料。此項工作需要進一步收集分析較小范圍內更為詳細的資料，同時要進行新構造研究以確定近區域范圍內斷層的最新運動時代；在必要時需對重點地段進行地質填圖，以鑒定該地段內的地層、構造地質和構造歷史。這些地質特征需代表性地表示在比例尺不小于1:200000的地圖上。

2.1.3  廠址附近調查

      調查范圍的半徑一般為5km，其主要目的是查證這個直接環繞廠址的地區中是否存在包括地表斷裂在內的潛在永久性地面變形。此項工作需要進行較大比例尺的地質填圖和斷裂活動性調查。通過調查應提供下列資料：是否存在能動斷層，斜坡、基土和地層的穩定性，潛在地質災害(如差異剝蝕、巖溶、破裂、斷層蠕動和類似膨脹土的不穩定地基材料)地段的特征，以及由人類活動引起的潛在地質災害地段的特征。這些地質特征需代表性地表示在比例尺不小于1:25000的地質圖上。

      確定廠址附近地區內的斷層是否為能動斷層，是核電廠廠址選擇中一個關鍵又易引起爭議的地質問題。例如，目前可以把一條晚更新世Q3(約10萬年)以來沒有過運動的斷層視為非能動斷層，但需證明另一條鄰近的已知能動斷層的運動不會引起該斷層運動。為此，在調查工作中必須采用適當的和公認的技術方法，保證能鑒別出長度為300m以上的斷層，并對勘察到的任何斷層的活動性及其錯動歷史做出全面評價；評價與斷層(包括可能的次生地表斷裂)有關地帶的范圍大小。

2.1.4  廠址地區調查

      調查范圍的面積為1km或更大一些，其主要目的是對潛在永久性地面變形作進一步的詳細了解，并提供地基材料的土工特征。此項工作除進行大比例尺地質填圖外，還需利用鉆探、坑探、地球物理勘察和實驗室試驗進行調查研究。通過調查應提供下列資料：廠址地區的地層和構造，確定工程所需要的不同下臥層的厚度、深度、界面傾角和靜態及動態參數；廠址地區所有蓄水層的物理、化學性質和均衡動態，確定蓄水層和地基如何相互作用；廠址地區地基材料在地震荷載條件下的穩定性和反應。這些地質特征需代表性地表示在比例尺不小于1:2000的地圖上，數據應列表表示。

      一般而言，在我國進行核電廠選址時，當地質工作成果確證廠址地區存在潛在永久性地面變形的地質現象時，由于難以證明設計所采用的工程措施能減輕永久性地面變形現象所產生的影響，較為慎重的做法是另選廠址，更不用說遇到能動斷裂帶了。

2.2  地震

      核電廠廠址選擇中，必須研究地震活動及其有關現象，評價廠址所在地區的地震安全性，確定廠址地區由地震引起的預期地面運動和確定地震引起洪水的可能性，以確定相應的工程設計基準。

2.2.1  地面運動參數的確定

      核電廠抗震設計所需要的地面運動參數為廠址地區的設計基準地面運動，它包括地面水平峰值加速度、反應譜及相應的地震運動的時程曲線。設計基準地面運動的定義為場地平整后的地面處、地基標高處或在基巖上的自由場條件下的運動。對安全設計而言，現今主要考慮安全停堆地震(SSE)，又稱SL-2，而不再考慮取值只有SL-2一半的運行基準地震（OBE），又稱SL-1。

      SL-2直接對應于極限安全要求，它代表設計中擬采用的最大地面運動水平，超過這種地面運動水平的概率是非常低的(通常為10-4)。當發生地面運動達到SL-2的地震或地震后，所設計的與安全停堆及維持其安全停堆狀態有關的所有構筑物、系統及部件應維持其正常功能，并保證：①反應堆壓力邊界的完整性；②安全停堆并具有維持安全停堆狀態的能力；③防止可能造成放射性對環境的過量釋放事故或具有減輕事故后果的能力。SL-2值必須根據與特定大地構造有關的最大潛在地震和與地震構造區有關的最大彌散地震來推導，通常采用確定論方法確定，并采用概率論法予以校核。

      我國核安全法規規定，不論廠址的地質、地震資料表明廠址地區的地震安全性如何高，核電廠采用的與SL-2對應的設計基準地面運動的水平峰值加速度不得低于0.15g（設計反應譜取零周期）。由于我國地域廣闊，地質、地震情況區別較大，現在的設計趨勢是統一選取一種包絡性更大的水平地面峰值加速度，然后就按此進行標準設計，以增大設計的廠址適應性，降低設計成本，加快設計速度。

2.2.2 海嘯和湖涌

      地震可能引起海嘯和湖涌，也可能引起水壩潰決，形成洪水泛濫。

      海嘯是一種由地震、火山爆發或海底滑坡導致的海底突然變形引起的長周期海浪波；湖涌是在湖泊、水庫或海灣等有限水域中，由地震、火山爆發或岸坡滑坡的振動效應所引起的水體振蕩運動。需要收集廠址所在沿岸區域產生海嘯與湖涌的歷史資料，并鑒別其可靠性及其與廠址的關系；同時依據已知的地震記錄資料及地震構造特征，評價由當地的離岸地震活動引起海嘯和湖涌的可能性。根據上述資料與曾對該自然現象作過很好研究的類似地區進行比較，估算出廠址所在區域的海嘯或湖涌的強度，并應把因廠址沿岸地形特征而使這種自然現象的影響擴大的因素考慮在內，以確定設計基準海嘯或湖涌。有關海嘯和湖涌的設計基準應包括對廠址可能產生物理效應的水位爬高和下降。

      眾所周知，日本是一個地震多發國家。福島第一核電廠在設計中已考慮了地震與海嘯。但據媒體報道，這次日本東北北部大地震在福島第一核電廠廠址引發的地面水平峰值加速度高達0.56g，引發的海嘯高達14m，遠遠高于電廠涉及圍墻的5.7m。海嘯完全淹沒了應急柴油機房，全部應急柴油機失效，造成長時間全廠斷電，導致反應堆堆芯熔化，釀成嚴重事故。

      我國沿海核電廠址不在地殼板塊邊緣，也不在斷裂帶上，大陸架延伸較遠，近海海水不深，廠址所在地歷史上未發生過淺表強震，不具備出現大海嘯的前提條件。例如，秦山地區歷史最大海嘯僅有半米高。倒是附近的錢塘江潮可達5m左右，已在設計考慮之中。

2.3  氣象

      核電廠廠址選擇中，需要考慮的氣象因素有：①與核電廠安全有關的極端氣象；②與氣載放射性流出物彌散有關的氣象；③與堆芯排熱有關的氣象。

2.3.1 與核電產安全有關的極端氣象

      為了確定設計基準，極端氣象分為極端氣象參數和極端氣象現象兩類。

      與核電廠安全有關的極端氣象參數主要是極端風、極端降水、極端積雪和極端氣溫。為了確定極端氣象參數的設計基準，需要：①收集（或進行廠址現場觀測）代表廠址條件的氣象數據；②對獲取的數據進行統計分析；③選定一個參照時間間隔（通常為30年或更長），以及在該參照時間間隔內設計基準將被超過的容許概率。

      與核電廠安全有關的極端氣象現象主要是龍卷風和熱帶氣旋。

      龍卷風是一種強烈旋轉的空氣柱，常伴有風暴，風速約為30 -140m/s以上。通常按龍卷風對灌木叢、樹木和構筑物的最大破壞程度進行分類。例如按照富士達的F等級，龍卷風可分為F0、F1、F2級等。

      廠址所在區域是否存在發生龍卷風的可能性，可根據以往的資料分析確定。龍卷風的設計基準參數是根據龍卷風對核電廠造成危害的主要因素確定的。這些參數是：龍卷風的最大風速、龍卷風通過時產生的突然壓力降和龍卷風造成的飛射物的撞擊。

      熱帶氣旋是一種巨大而旋轉著的濕熱空氣團，其直徑約為100km或更大。按照發生的區域和最大持續風速，熱帶氣旋具有種種名稱。例如，在北太平洋西部，最大持續風速在17~32m/s的熱帶氣旋稱之為熱帶風暴和強熱帶風暴，而最大持續風速在33m/s以上的熱帶氣旋則稱之為臺風。熱帶氣旋對核電廠造成的危害，主要是暴雨和(或)涌浪引起的洪水、狂風的猛烈沖擊作用和氣旋造成的飛射物的撞擊。

      用以作為設計基準的熱帶氣旋是可能最大熱帶氣旋。這是一種假想的平穩狀態的熱帶氣旋。確定這種氣旋風場，所需的氣象因素是：氣旋的最大風速、最大風速半徑、風眼壓力和流入角，以及氣旋相對于海岸線的運動方向和平移速度。可能最大熱帶氣旋的設計基準參數是推導設計基準涌浪和設計基準風的輸入參數。

2.3.2  與氣載放射性流出物彌散有關的氣象

      這主要是用以估算大氣彌散因子和地面沉積因子，并進而估算核電廠周圍公眾受到的環境輻射劑量的有關氣象資料。在內陸核電廠廠址選擇時，這個問題更值得關注。

      估算大氣彌散因子和地面沉積因子所需的氣象資料，因核電廠氣載放射性流出物的釋放類別而異：

      ①對用于常規釋放的長期(年平均)大氣彌散因子和地面沉積因子，需要得到不同風向(16個方位)、風速、大氣穩定度和降水情況的四維聯合頻率分布，或地面以上10m和排放口高度處至少連續1年的逐時風向、風速和降水量，以及中性和不穩定天氣條件下混合層高度的平均值；

      ②對于事故釋放，需要由整年的逐時風向、風速、大氣穩定度和降水資料計算出不同時間間隔、不同距離的短期大氣彌散因子和地面沉積因子。

      在某些內陸廠址的氣象調查中，發現有較長的“靜風期”，這對核電廠的氣態流出物的擴散排放和常規島冷卻塔的自然循環冷卻都非常不利，極易引起局部小氣候環境的改變，必須慎重對待。

2.3.3  與堆芯排熱有關的氣象

      對于內陸核電廠，常規島采用間接循環冷卻方式，特別需要注意這個問題。其最終熱阱系統的設計要考慮環境參數，主要包括干球和濕球空氣溫度、風速、太陽輻射、水汽壓和冰凍(包括潛冰)等氣象因素。用于建立最終熱阱系統模型的這些氣象因素，均應為廠址所在區域有代表性氣候期間(通常為30年)出現的最壞情況值。

2.4  水文

      核電廠的廠址選擇需掌握有關徑流、洪水、泥沙、潮汐、海流和波浪等方面的水文數據，以判定廠址的適宜性并確定工程設計基準。在選擇廠址時，應調查廠址區域天然水體、人工水體和地下水文的主要水文特征，分析可能對核電廠有嚴重影響的極端水文事件，分析水體的彌散特征以估算核電廠溫排水和低放射性廢水在受納水體中的分布。

2.4.1  水文條件

      電廠廠址所在地區均有其特定的水文條件。對內陸的濱河核電廠，以分析陸地水文條件為主。對濱海核電廠，以分析海洋水文條件為主。

      （1）水源：核電廠非核安全相關設施的供水保證率標準為97%；對核安全有關的供水，需按在任何條件下均能保證反應堆連續30天維持安全停堆所需的水量，來確定設計標準。

      （2）洪水：需確定廠址地區的設計基準洪水，對廠址受洪水淹沒的可能性提出明確的結論。對濱河（或湖）核電廠，應考慮可能的最大洪水、潰壩洪水和冰堵(壩)、泥石流、滑坡、飄浮物堵塞等潛在自然因素以及人類活動引發的洪水的不利組合；對濱海廠址，應考慮風暴潮增水、海嘯等各種嚴重洪水事件和基準水位、風浪作用等的不利組合。

      （3）低水位：應分析可能最嚴重干旱事件、風暴潮減水、海嘯(湖涌)減水和擋水建筑物被破壞以及區域內水量利用規劃等自然事件和人類活動對于安全相關的冷卻水源的可能影響，考慮其不利組合，以確定廠址設計基準低水位。這對于保證內陸核電廠的安全運行與液態流出物的排放控制尤為重要。偶與我國內陸地區的水系大都承擔著水系流域人口的飲用水和農田灌溉職能，所以筆者認為，內陸核電廠應盡可能做到少排放，甚至零排放。

      （4）廠址岸段、灘槽穩定性：應對核電廠壽期內的變化趨勢進行調查和分析，包括設計岸段、灘槽演變的周期性與非周期性變化，年內、年際沖淤變化，水流及河(海)床的自動調整作用，天然演變與人類活動影響的演變等。

      （5）其他水文參數：對內陸核電廠址，與核電廠設計安全有關的其他水文現象，如暴雨、泥石流、積雪和冰凍等，必須確定有關這些事件的設計基準。

2.4.2  設計基準的確定

      為此，需對廠址水文事件及其特性有影響的所有地區開展研究，研究方法是收集廠址所在區域內的歷史資料，分析其可靠性、準確性和完整性。當廠址所在區域無資料時，應建立合適的水文氣象模型或可采用與該廠址所在區域相類似的其他區域的適用數據。確定設計基準應采用概率論法與確定論法，并將兩種方法的計算成果綜合論證分析后確定。

      概率論法是對歷史事件序列資料的統計分析，依據樣本系列確定其分布函數，以研究水文變量出現不同數值的可能性。在推求罕見設計洪水(低水位)時，為確保安全，應在結果上附加安全保證值。

      確定論法是利用經驗模型或描述系統的物理關系為基礎的模型，用以確定洪水(低水位)可能的上(下)限值而不考慮其發生概率。為了得到“保守”的估算，輸入參數必須采用合理的極值或保守值，并應考慮區域的特征和做出工程判斷。

      當廠址地區水文特征的設計基準外部事件不是由外界條件所形成的單一嚴重事件時，必須考慮多種事件的不利組合，以及組合概率、各種次要事件對設計基準外部事件嚴重程度的相對影響。在選擇組合時，需要做出工程判斷。

      我國核電廠廠址選擇要求廠址按“干廠址”設計，即場地平面不會積水。在考慮該廠址所在地歷史上發生過的千年一遇最大洪水、天文潮、臺風、龍卷風、海嘯等分別引起的水位增高的疊加后，再加上一定的余量（1m左右），作為該廠址的零標高超過當地海平面的高程。這種考慮也是合理、保守的。加上前述的地震、海嘯方面的考慮，在我國沿海核電廠址附近同時出現福島那樣的強震加超高海嘯的可能性極其低微，由此引發所有安全級應急柴油發電機組同時失效幾乎不可能。盡管如此，中核集團在安全自查中，仍然決定采取在秦山地區考慮適當加高廠址防波堤，在廠內高處再設置一臺總備用的應急柴油機組等多種超保險安全措施。

2.5  人口分布

      人口分布是核電廠廠址選擇中需要考慮的一個重要因素。核電廠擬選廠址周圍地區人口分布應符合下列原則：①使核電廠在正常運行期間對周圍公眾造成的輻射劑量保持在可合理達到的盡量低的水平。②將核電廠事故條件下對周圍公眾造成的輻射風險限制在可以接受的水平，并使得在需要執行核事故應急計劃時，廠址附近的公眾較易實施隱蔽、撤離等防護措施。核電廠應盡可能建在人口密度較低、地區平均人口密度相對較小的地點。核電廠距10萬人口以上的中、小城市和距100萬人口以上的大城市應有足夠的距離。

      在廠址選擇時，為了篩選和評價各候選廠址，必須收集廠址周圍區域的人口分布資料，在篩選廠址階段，只需要簡單的人口資料，而為了推薦廠址和進行核電廠放射性環境影響評價，則需要更詳細和更準確的人口資料。

2.5.1  人口資料調查

      調查范圍涉及廠址周圍80km區域，包括：①常住人口，即常住在該地區的人數(說明居住區類型，如城市、農村或工礦區)；②暫住人口，即流動人口，如旅游者、打工者、臨時經商人員和學生等；③為預測核電廠投產首年和壽期內每隔10年的規劃人口，應收集該地區的人口增長率、遷移趨勢和可能的發展規劃；④廠址附近地區在執行事故應急計劃中難以隱蔽或撤離的人群，如醫院、監獄等應單獨調查。

2.5.2  人口資料統計

      應給出與廠址不同距離和方位的有關的人口分布資料：包括：①以廠址為中心，以1、2、3、5、10、20、30、40、50、60、70、80km為半徑畫同心圓，輻向取羅盤方位為扇形區中心線，形成16個扇形區，共192個扇形子區，按子區統計人口數；②按與廠址間的距離和方位給出各人口中心的人口，在廠址周圍15km以內可以村、鎮為區劃對人口進行統計，在15km以外可以縣、市為區劃進行人口統計；③對廠址周圍半徑2、5、10、20、80km的環形區，以羅盤方位為中心線劃分扇形區，分別對各區域陸地人口密度進行統計計算。從人口分布的觀點對廠址的評價，可以采用人口分布資料或采用人口分布資料并結合廠址氣象、輻射劑量估算等資料對核電廠廠址進行篩選和評價，主要方法包括人口密度法、固定區域法、累計人口曲線法、廠址和扇形因子法、廠址人口和大氣彌散法、歸一化集體劑量法等。

      至于廠址附近社會、經濟發展現狀和發展規劃對核電廠廠址選擇的其它影響，如大型化工設施、港口、機場，以及監獄、軍事基地等均必須仔細調查、分析后綜合考慮。

      總之，核電廠廠址選擇是一項牽涉面極廣的基礎性工程研究，往往要花費數年時間和大量的人力物力。鑒于其對核電廠運行和事故處理的重要性，核電業主單位必須以公眾的生命、財產，以及社會和生態環境為重，嚴格按照國家有關法規認真實施廠址選擇。對內陸廠址的選擇與審批，更要慎之又慎，確保我國核電又好又快、安全發展。