美國核潛艇退役與處理研究

聶玉強(qiáng)，趙海江，楊清軒

(1.海軍裝備部，北京100841;2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七一四研究所，北京100012)

0 引 言

核潛艇由于隱蔽性好、機(jī)動(dòng)能力強(qiáng)、威懾力大，自20 世紀(jì)50 年代中期問世以來，成為大國海軍完成其海洋戰(zhàn)略的主要作戰(zhàn)工具之一。目前世界上擁有和使用核潛艇的有美國、俄羅斯、英國、法國、中國以及印度等6 個(gè)國家，在役核潛艇總數(shù)達(dá)131艘(除中國外)［1］。

盡管核潛艇的使用年限并不固定，但根據(jù)目前的經(jīng)驗(yàn)來看，核潛艇的壽命約為20 ～30 年，這一年限后核潛艇的維修保養(yǎng)費(fèi)用將越來越高，同時(shí)也逐漸無法滿足最新的作戰(zhàn)需求，因此，核潛艇將面臨退役和拆解。由于核反應(yīng)堆的存在，導(dǎo)致核潛艇退役拆解不同于其他裝備，其在拆解過程中很可能產(chǎn)生一系列危險(xiǎn)的放射性污染，對人員和環(huán)境造成極大損害。因此，對核潛艇的退役處理必須謹(jǐn)慎，需要制定一套完善的退役處理方案，并確保資金充足以及相應(yīng)設(shè)備和設(shè)施齊全。

截至2014 年，美國已退役130 艘核潛艇［2］。同時(shí)，其新一代攻擊型核潛艇“弗吉尼亞”級正陸續(xù)建造服役，用以替代逐漸退役的“洛杉磯”級核潛艇。下一代彈道導(dǎo)彈核潛艇也在研制當(dāng)中。可以預(yù)見，未來核潛艇退役數(shù)量將進(jìn)一步增多，核潛艇退役處理問題將越來越受到重視。

1 核潛艇退役處理的基本程序

核潛艇退役的基本處理程序如圖1 所示。從圖中可看出，核潛艇退役的關(guān)鍵是乏燃料和反應(yīng)堆艙的處理［3］。

核潛艇退役基本程序如下:

①在海軍基地拆除所有的武器、爆炸裝置、機(jī)密部件以及相關(guān)敏感材料;

②核潛艇將駛往指定船塢進(jìn)行進(jìn)一步拆解作業(yè)，如核潛艇自身狀態(tài)不佳或有損毀已不能自行航行，將采用拖船或運(yùn)載的方式將退役核潛艇運(yùn)送至指定拆解場所;

圖1 退役核潛艇處理流程圖Fig.1 Nuclear submarine decommissioning process flow chart

③在拆解前反應(yīng)堆會關(guān)閉一段時(shí)間，通常為90天左右，以便短暫的衰減放射性同位素。在這段時(shí)間內(nèi)，潛艇上的一些消耗性物資、工具、備件、非固定性設(shè)備或裝置都將被拆除;

④反應(yīng)堆內(nèi)乏燃料的卸載，卸載下的乏燃料有2 個(gè)處理辦法:一是加工后回收利用，但技術(shù)難度大，目前各國均未實(shí)現(xiàn);二是妥善封存后進(jìn)入長期存儲階段，是現(xiàn)階段各國均采用的方法;

⑤反應(yīng)堆艙段的拆解與處理，通常將整個(gè)反應(yīng)堆艙段拆下，封閉兩端開口，將艙段運(yùn)輸至某個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行集中長期存放;

⑥將除反應(yīng)堆艙以外的艇體回收處理。

1)乏燃料的卸載

核潛艇駛?cè)敫纱瑝]后，則準(zhǔn)備卸載乏燃料。通常這一過程根據(jù)船廠自身基礎(chǔ)設(shè)施條件進(jìn)行，如俄羅斯的乏燃料卸載方式就分為浮船卸載、岸上設(shè)備卸載和滑道碼頭卸載3 種(見圖2 ～圖4)［4］。其具體步驟通常為:打開艇體外蓋，安裝卸載乏燃料的設(shè)備，利用起重機(jī)、導(dǎo)向機(jī)和卸載容器取出鈾棒燃料組件，放入準(zhǔn)備好的存儲容器等。

圖2 浮船卸載Fig.2 Spent nuclear fuel unloading using FSV

圖3 岸上設(shè)備卸載Fig.3 SNF unloading using on-shore defueling facilities

圖4 滑道碼頭卸載Fig.4 Defueling in ship dock using“Imandra”FSV

圖5 導(dǎo)向機(jī)與卸載容器Fig.5 Guiding mechanism with container

2)乏燃料和反應(yīng)堆艙的處理

乏燃料取出過程將帶走反應(yīng)堆中99%以上的放射性物質(zhì)，然而此時(shí)反應(yīng)堆中仍存在2 種形式的放射性物質(zhì):一是誘導(dǎo)型金屬放射性核素，產(chǎn)生于反應(yīng)堆作用時(shí)中子的相互碰撞，附著在反應(yīng)堆壓力艙、管道和附近的艙壁上，大概占?xì)埩舴派湫晕镔|(zhì)的99.9%;二是放射性腐蝕產(chǎn)物(主要為鈷-60)，成薄膜狀附著在壓力艙、管道之中，大概占?xì)埩舴派湫晕镔|(zhì)的0.1%。這些殘留放射性物質(zhì)中某些元素的毒性可能會殘留幾十萬年，因此必須對反應(yīng)堆艙進(jìn)行有效處理。

至今沒有任何一個(gè)國家的政府、海軍部門或工業(yè)實(shí)體提出有效的徹底處理退役核潛艇的可行方案。目前，乏燃料與反應(yīng)堆艙的處理原則都是封閉、隔離和長期存儲，使其放射性不擴(kuò)散、不污染環(huán)境、不對人員造成傷害。對乏燃料來說，目前通常是水池存放;對反應(yīng)堆艙來說，美、俄、英、法等國家主要采用海洋處理、陸地淺層掩埋和陸地深層掩埋這3 種方法［5］。

①海洋處理

針對退役核潛艇，進(jìn)行海洋投棄是大多核潛艇國家采用的方法。直到現(xiàn)在，向海洋投棄液態(tài)或固態(tài)放射性廢棄物仍然是許多擁有核工業(yè)國家的普遍做法。冷戰(zhàn)期間，由于核廢料的處理問題未引起各國重視，運(yùn)作簡單的海洋處理方法成為各國處理核廢料的首選。這一做法在蘇聯(lián)和俄羅斯持續(xù)了30 多年，而其他一些核國家也持續(xù)了20 多年。但隨著國際社會對核廢料處理問題重視起來，越來越多限制海洋核廢料處理的國際公約被采納，如《倫敦傾廢公約》、《聯(lián)合國海洋公約》等。總的來說，目前海洋處理核廢料的做法將面臨著很大國際壓力。

②淺層地表掩埋

淺層地表掩埋處理核廢料的做法首創(chuàng)于美國。20 世紀(jì)80 年代中期，美國海軍對核潛艇的反應(yīng)堆艙采取淺層地表掩埋的處理方式。具體操作步驟包括退役核潛艇駛?cè)敫纱瑝]，拆解反應(yīng)堆艙，密封反應(yīng)堆艙，運(yùn)輸反應(yīng)堆艙以及最后在5 m 深地下掩埋反應(yīng)堆艙。

盡管美國海軍認(rèn)為建造核潛艇反應(yīng)堆艙的材料不易腐蝕，淺層地表掩埋處理核廢料對環(huán)境危害微乎其微。但也有學(xué)者指出淺層地表掩埋放射性廢棄物和核反應(yīng)堆仍存在核泄漏事故的風(fēng)險(xiǎn)?？偟膩碚f，淺層地表掩埋的處理方式需要一片廣闊的“無人區(qū)”，不適合國土面積較小的國家。

③陸地深層掩埋

相比海洋處理和地表淺層掩埋處理核反應(yīng)堆的方法，陸地深層掩埋所需成本較高。但是，隨著《倫敦傾廢公約》最新版本的頒布，極大限制了海洋處理核廢料，對于不具備淺層掩埋核廢料條件的國家則開始考慮陸地深層掩埋核廢料，例如英國就考慮采用陸地深層掩埋處理核反應(yīng)堆艙［6］。

除成本較高外，陸地深層掩埋還存在一些問題，例如由于尺寸限制，直徑10 m、重850 t 左右的反應(yīng)堆艙無法完全掩埋，因此在進(jìn)行陸地深層掩埋之前，反應(yīng)堆艙需進(jìn)一步拆解，由此產(chǎn)生的安全風(fēng)險(xiǎn)和處理成本將遠(yuǎn)高于海洋處理和淺層陸地掩埋。為降低處理成本，在進(jìn)行深層掩埋前，需要在臨時(shí)存儲地冷卻很長一段時(shí)間，同時(shí)對其進(jìn)行徹底的清洗?？偟膩碚f，目前尚沒有國家真正采用陸地深層掩埋的處理方法。

2 美國退役核潛艇處理措施

在核潛艇退役處理問題上，美國曾進(jìn)行了大量研究，并于1984 年公布了一份綜合報(bào)告。該報(bào)告闡明:經(jīng)過專門處理的核潛艇反應(yīng)堆艙，無論在陸地還是在海洋埋藏都是安全的，技術(shù)上也是可行的。20 世紀(jì)80 年代末，美國完成了對有關(guān)工藝的研究，制定了核潛艇退役處理標(biāo)準(zhǔn)，隨后開始付諸實(shí)施。

20 世紀(jì)90 年代早期，因擁有充足的資金、完善的生產(chǎn)設(shè)施和相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的支持，美國啟動(dòng)了核潛艇退役處理綜合方案。根據(jù)“核動(dòng)力船舶和潛艇回收計(jì)劃”，所有退役的核潛艇和核動(dòng)力導(dǎo)彈巡洋艦都在華盛頓州布雷默頓的普吉特灣海軍造船廠拆解，該造船廠是美國唯一一個(gè)參與回收計(jì)劃的造船廠［7］。

圖6 美國普吉特灣海軍造船廠Fig.6 Puget sound naval shipyard

1)退役核潛艇的處理

根據(jù)美國工藝規(guī)程，普吉特灣海軍造船廠把退役核潛艇送到船塢之前，要把潛艇上的武器裝備全都拆卸下來;送到船塢后，先熄滅核反應(yīng)堆，然后按通常辦法卸下乏燃料。與此同時(shí)，還要做好以下工作:把全部消耗材料、工具、備用品和設(shè)備搬走;卸下蓄電池、備用冷凍劑和氧氣裝置;排干水管、蒸汽管、飲用水管、油管里的水和液體;給醫(yī)療衛(wèi)生系統(tǒng)消毒;切斷供電和照明系統(tǒng)的電源;設(shè)置臨時(shí)通風(fēng)、照明、供電和壓縮空氣供給系統(tǒng)。上述這些工作通常稱為“鈍化”。在核潛艇鈍化完成后，余下“空”的核潛艇正式退役，剔除出美國海軍艦艇名冊。目前，由于美國普吉特海灣的工作量過大，退役核潛艇需在其他海軍船塢將鈍化工作完成后再拖到普吉特海灣進(jìn)行拆解。

政府對游說的管控主要是以透明原則為基礎(chǔ)。但是如作者所指出的:第一，通過立法可以要求游說人公開其游說活動(dòng)以及與政府官員的重要接觸。這樣透明卻不一定會收到問責(zé)的效果。第二，對游說活動(dòng)的管控最有效的途徑，應(yīng)該是把重點(diǎn)落在政府官員而不是說客身上，因?yàn)榍罢邔娯?fù)有信托責(zé)任 (fiduciary obligation)，而后者沒有。

2)乏燃料和反應(yīng)堆艙的運(yùn)輸

①乏燃料運(yùn)輸工作

美國退役核潛艇上的乏燃料將全部運(yùn)至愛達(dá)荷(Idaho)國家工程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行處理。在運(yùn)輸乏燃料所用容器上，根據(jù)運(yùn)輸方式不同(卡車、火車/駁船)，屏蔽容器也有所不同。

美國卡車公路運(yùn)輸乏燃料用的屏蔽容器重25 t，火車/駁船運(yùn)輸用的屏蔽容器重達(dá)125 t。屏蔽容器的外形像一個(gè)木桶，內(nèi)部外部皆采用封裝不銹鋼結(jié)構(gòu)，里面注滿惰性氣體，并在外部配置了吸能設(shè)備，以減輕事故發(fā)生時(shí)沖擊力對屏蔽容器造成的損傷。

圖7 卡車與火車運(yùn)輸用屏蔽容器Fig.7 Generic truck cask for spent fuel and rail cask for spent fuel

表1 卡車和火車運(yùn)輸用屏蔽容器性能參數(shù)Tab.1 Typical specifications generic truck cask for spent fuel and rail cask for spent fuel

②反應(yīng)堆艙運(yùn)輸工作

在裝運(yùn)工作上，首先把準(zhǔn)備好的反應(yīng)堆艙裝載到非常牢固的駁船甲板上。在裝載過程中，水平移動(dòng)靠專用拖車，垂直移動(dòng)用液壓起重機(jī)。安放穩(wěn)妥后將其焊在駁船甲板上，然后用大型拖船拖往華盛頓州的本頓港。全部拖載作業(yè)包括沿航線行駛、日常行動(dòng)和發(fā)生事故時(shí)的應(yīng)急行動(dòng)，都要由承包單位擬定計(jì)劃，并經(jīng)海軍批淮。除運(yùn)輸部和海岸警衛(wèi)隊(duì)提供的幫助外，海軍還要采取專門防范措施，保證拖載安全。

此外，美國在廢棄反應(yīng)堆艙裝運(yùn)駁船及其運(yùn)輸?shù)裙ぷ?，都制定了?yán)格標(biāo)準(zhǔn)，如運(yùn)輸部和核能委員會關(guān)于包裝、運(yùn)輸?shù)头派洳牧系臉?biāo)準(zhǔn);能源部關(guān)于埋藏這種材料的標(biāo)準(zhǔn)等，甚至運(yùn)輸反應(yīng)堆的駁船都有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。

3)乏燃料和反應(yīng)堆艙的貯存

①乏燃料貯存工作

目前，美國所有核潛艇乏燃料存放在愛達(dá)荷國家工程實(shí)驗(yàn)室的水池中。另外，由于美國政府要求存放在愛達(dá)荷的核潛艇乏燃料必須在2035 年之前得到進(jìn)一步處理，有關(guān)方面正積極尋找過渡性或長久性的乏燃料儲存地。

圖8 美國愛達(dá)荷國家工程實(shí)驗(yàn)室(左)與乏燃料貯存水池(右)Fig.8 Idaho national engineering laboratory and spent fuel storage pool

②反應(yīng)堆艙貯存工作

美國的核潛艇反應(yīng)堆艙大部分埋藏在華盛頓州的漢福德試驗(yàn)場。該試驗(yàn)場分東、西2 個(gè)區(qū)，由8個(gè)區(qū)段構(gòu)成，總面積約2.1 km2。反應(yīng)堆艙埋在東部高地的專門區(qū)段，海拔高度約213 m，距試驗(yàn)場中心不遠(yuǎn)。從1976 年起，這個(gè)地段就成為埋藏放射性核廢料的場地，到1993 年8 月，這里已埋藏了31個(gè)反應(yīng)堆艙。

圖9 華盛頓州漢福德反應(yīng)堆艙存放場Fig.9 Naval reactor compartments at Hanford

在反應(yīng)堆艙貯存安全上，根據(jù)美國的檢測結(jié)果，反應(yīng)堆艙的密封防護(hù)程度比漢福德試驗(yàn)場規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)和海軍放射監(jiān)督勤務(wù)部門為密封集裝箱規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)要高。據(jù)推算，反應(yīng)堆艙在30 年內(nèi)不會失去密封性。在今后相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)，反應(yīng)堆艙將有效地同周圍環(huán)境隔絕，這期間不穩(wěn)定的同位素將會分裂，只有少量放射物質(zhì)還留在合金里，而在漢福德這種土質(zhì)條件下，合金可長期抗腐蝕［8］。

該結(jié)果還顯示，只有反應(yīng)堆艙外部鋼殼因腐蝕破壞，反應(yīng)堆部件直接銹蝕時(shí)，放射性和有毒物質(zhì)才會釋放出來，但這一過程在荒漠條件下十分緩慢。研究結(jié)果表明，600 年之后鉛防護(hù)層的某些地方才開始破壞，而反應(yīng)堆外殼保護(hù)層受破壞需更長時(shí)間。

4 結(jié) 語

總的來說，在退役核潛艇的處理上，目前美國表現(xiàn)出的特點(diǎn)為:制度完善、技術(shù)先進(jìn)，但乏燃料處理仍未完全成功。

美國國土面積廣闊，在處理貯存退役核潛艇的核反應(yīng)堆艙上具有良好的淺層地表掩埋條件。此外，制度完善、技術(shù)先進(jìn)和充足的財(cái)政支持有力保障了美國拆解核潛艇的高效率。同時(shí)在事故防范上美國也從未松懈，例如2009 年美國能源部于科羅拉多州丹佛市舉行海軍乏燃料鐵路運(yùn)輸事故演習(xí)(類似的事故演習(xí)約2 年1 次)。

不過隨著美國越來越多的核潛艇退役，愛達(dá)荷國家工程實(shí)驗(yàn)室的水池面臨飽和的問題。通過論證，美國認(rèn)為在乏燃料水池飽和后用干燥儲存桶儲存乏燃料是可以接受的方案。為此，美國能源部推出全國乏燃料計(jì)劃(NSNFP)，以對包括核潛艇乏燃料在內(nèi)的美國能源部所儲存的全部乏燃料和高放廢物進(jìn)行分類和定義，便于日后用干燥儲存桶進(jìn)行儲存。

［1］IHS，Jane′s Fighting Ships［M］.2012 -2013.

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