核电厂址的选址和核电设施运行过程中的火山安全问题是难以避免的重要议题。 在过去的核电选址和安全运行评价的过程中, 对火山灾害的考虑仅局限于已知10ka内喷发过的全新世火山。 2012年国际原子能机构颁布了IAEA/SSG-21号火山安全标准专用安全导则, 基于板块俯冲带火山岛弧系统火山活动的特点, 提出在过去10Ma内发生过火山活动的地区在未来也可能发生火山活动, 是评估一座火山在未来是否将发生任何火山活动的合理依据。 同时, IAEA/SSG-21也针对火山熔岩流、 碎屑流和火山灰空降等火山灾害可能影响的范围进行了讨论, 并提出了不同火山灾害现象的安全评估范围。 文中以IAEA/SSG-21号《核设施厂址火山灾害评估》为技术依据, 针对中国火山活动的特点, 改进了中国大陆核电厂选址的火山灾害评估技术方法, 并以海南琼北火山区为例, 编制了适应IAEA/SSG-21导则的火山灰灾害概率图。 文中研究成果可为中国大陆核电厂选址和核设施安全运行过程中的潜在火山灾害评估提供技术途径。
火山喷发是地球内部能量释放的表现方式之一, 在喷发过程中可能伴随各种灾害的发生, 因此核电厂选址过程中对潜在的火山风险与灾害进行评估一直是重要的科学问题之一。 早在1971年, 国际原子能委员会在“ 核电站的地震和地质选址标准” 中就发布了核电站地质灾害评估指南, 明确提出在对核电站进行选址时, 必须考虑与火山爆发有关的地质灾害, 科学评价未来火山爆发对核电站和其它设施造成破坏性影响的可能性。 2012年, 国际原子能机构颁布了安全标准专用安全导则第SSG-21号(IAEA Specific Safety Guide No. SSG -21)①(① International Atomic Energy Agency, 2012, Volcanic Hazards in Site Evaluation for Nuclear Installations, IAEA SAFETY STANDARDS SERIES No. SSG-21。)《核设施厂址火山灾害评估》, 首次系统地规定了核设施厂址火山安全性评价的工作方法与相关的技术要求, 该安全导则中提供的技术要求和建议反映了过去40a经历了重大转变的火山学的最新发展动态。 其中, 变化最大的是火山学已经从一个基本的描述性学科发展成为一个定量学科, 火山学研究自身不断进步, 建立和发展了众多复杂火山作用的数字模型。 同时, 核工业界对在现有厂址及新选厂址上建立更多核电站的兴趣日益增加, 但之前选址时并没有对核电站厂址的火山灾害进行充分的综合评估, 特别是对于一些首次研发核设施的国家, 考虑到发生火山灾害的可能性, 需要对部分厂址进行详细评估。 2012年颁布的安全导则正是针对这一现状, 对与火山灾害相关的核设施厂址评估安全要求中规定的核设施要求进行了补充, 并提出了具体的技术要求和建议。
中国核电从1985年开始起步, 在1985— 2019年的30多年间, 一共建设了56台核电机组(其中45台已投入运行, 11台尚在建设过程中), 总装机容量为5i870× 104kW。 核电基地分布在沿海的浙江、 广东和江苏3个省(图 1), 包括秦山一期、 秦山二期、 秦山三期、 大亚湾、 岭澳一期和田湾等项目。 在地质历史上, 中国是多火山国家, 不同时代的火山岩广泛发育。 但是, 中国的活动火山研究工作起步较晚, 直到20世纪90年代, 人们才逐渐认识到中国活动火山的存在及其再次喷发的危险性。 中国大陆境内新生代火山岩分布面积约18.6× 104km2, 其中包括以长白山天池火山为代表的10kaiBP以来有过喷发的十几座活动火山(图 1)。 由图 1 可见, 中国已建和正在建设的核电站厂址常位于新生代火山岩及全新世火山附近, 面临着明显的火山灾害评估的实际问题。
本文以2012年国际原子能机构颁布的安全标准专用安全导则第SSG-21号《核设施厂址火山灾害评估》为技术依据, 针对中国火山活动的特点, 改进了中国大陆核电站选址中火山灾害评估的技术方法, 并以海南琼北火山为例, 编制了适应IAEA/SSG-21导则的火山灰灾害概率图。 本文的研究成果对于中国大陆核电厂选址和核设施安全运行中火山灾害评估的理论研究及科学实践都具有重要意义。
火山喷发可能会对核设施造成重大危害, 各种火山灾害主要由喷发过程中的不同火山现象所引起。 这些火山现象可能单独发生, 也可能与其它现象同时发生。 在一次火山喷发过程中, 由于喷发方式的不同, 可能只会产生某些特定的火山现象, 有些火山现象可能在火山喷发之前或之后发生。 因此, IAEA/SSG-21导则提出使用术语“ 火山事件” 表示可能在火山喷发之前、 期间或之后发生的一系列潜在的灾害现象。 表1总结了火山事件可能对厂址造成潜在灾害的相关现象, IAEA/SSG-21导则明确要求在选择厂址阶段应考虑这些现象的灾害特点, 从而对候选厂址进行排除, 并通过采取设计和运行措施来应对这些火山现象可能带来的灾害。
IAEA/SSG-21导则提出, 如果可能发生的火山现象(如火山碎屑流、 熔岩流和泥石流)对厂址或厂址周边地区产生直接影响, 则该现象可作为排除条件, 无需再考虑该厂址。 然而, 在一些特殊情况或环境中, 如果能够通过合适的设计、 保护和运行措施来应对这些发生在厂址地区并对其产生影响的火山现象和潜在灾害, 则可以保留该拟选厂址, 这也是火山灾害评估的意义所在。
在IAEA/SSG-21导则中, 可能产生影响核设施厂址灾害的火山被定义为“ 能动火山” 。 能动火山具备以下2个特点: 1)在核设施生命周期内, 很有可能在未来发生火山活动; 2)这种火山现象有可能影响核电设施的安全运行。 在识别出一座或多座能动火山后, 需要进行全面的厂址特定火山灾害评估。 一座火山是否可以称为“ 能动火山” , 不仅取决于火山最近一次喷发至今的时间, 还取决于火山未来喷发的可能性。
与大多数可能影响核设施安全和性能的其它自然灾害事件相比, 火山喷发属于小概率事件。 在火山学中, 过去10ka内喷发过的火山通常被定义为活火山(或全新世火山)。 按照此标准, 全世界范围内目前存在1i500多座活火山。 全新世火山可能经过很长时间的休眠后再次喷发, 而一些火山在休眠了数千年或更长时间之后才再次恢复活动。 此外, 还存在很多缺乏历史喷发记录的火山, 由于研究程度的不足无法确定其是否在全新世时期有过活动。 因此, IAEA/SSG-21导则建议对火山灾害的考虑不能局限于已知的全新世火山。
一般来说, 某个构造单元内的区域火山活动可能比单个火山活动持续更长的时间。 如火山岛弧系统内单个火山的活跃期仅约1Ma, 但整个火山岛弧区会在超过10Ma内反复出现火山活动。 因此, 尽管单个火山活动的持续时间为数Ma, 但在过去10Ma中发生过火山活动的地区在未来也可能发生火山活动。 根据简单估算, 火山岛弧区火山的复发率在10Ma中低于1次, 则意味着目前未来火山活动的年发生概率< 1× 10-7。 在核设施外部事件灾害评估中, 一般将具有潜在放射性影响的外部事件的年发生概率极限值称为筛选概率阈值, 因此IAEA/SSG-21导则建议, 在核电厂址初始筛选阶段, 假设火山喷发基本不会对厂址产生危害影响, 可将年发生概率为1× 10-7作为评估一座火山在未来是否会发生任何火山活动的合理阈值。
对于核电厂址和核设施安全而言, 火山灾害评估的总体目标是确定是否存在能动火山和可能产生的潜在灾害。 基于上述考虑, IAEA/SSG-21导则提出需要对核电厂址建立一个全面的火山灾害模型, 并建议基于以下4个阶段的研究综合评估火山灾害, 以确定厂址的适用性和设计依据(图 2)。
第一阶段: 初步评估。主要是针对某一特定厂址确定评估范围, 并对该范围内过去10Ma内可能发生过火山活动的所有火山源进行识别和筛选。 第一阶段的核心工作之一是确定合理的评估区域。 考虑到厂址地形条件, 对厂址周边地区各种火山流体现象(例如火山碎屑流或熔岩流), 可将评估区域定义为从厂址地区向外扩展几km至几十km的周边地区。 对于与火山相关的空降碎屑物及其它大气灾害, 在考虑区域风场模式的情况下, 评估区域应从厂址向外延伸几百km甚至上千km(表2 )。
第二阶段: 未来火山活动潜在危险性分析。若第一阶段进行的初步评估结果表明, 评估区域存在年代< 10Ma的火山源, 则应对每一个火山源进行具体评估, 以确定其在未来喷发的可能性。 在过去10ka间(即全新世时期)有过喷发活动的火山在未来很有可能喷发, 这一点已被火山学界广泛认可。 但评估区域内年代久远(如< 10Ma)的火山源在未来是否可能喷发, 则存在较大的不确定性。 过去在其它类型灾害评估中通常采用年概率值1× 10-7 作为针对具有发散性影响的连带作用事件的可接受极限概率值。 以此类比, 厂址周围地区火山活动(即喷发复发)的年概率值为1× 10-7 或低于1× 10-7 均可视为初步筛选的合理标准。 此外, 也可使用确定性方法, 通过火山活动的概念模型来证明未来不存在喷发的可能性, 若有足够的科学依据证明这些火山已不再具备再次喷发的构造背景, 亦可筛选出这些火山, 无需再对其作进一步考虑。
第三阶段: 火山灾害筛选。如果在第二阶段无法排除评估区域未来发生火山事件的可能性, 则应对发生火山事件时影响该厂址的潜在灾害现象进行评估, 即使用确定性或概率方法, 对评估区域范围内所有与潜在火山源相关的各种火山现象进行评估筛选, 将未来不可能发生在厂址处的火山现象剔除, 在下一步的灾害评估中就可以不用再考虑此类火山。
第四阶段: 能动火山的灾害评估。将第三阶段所确定的在未来可能喷发的火山源以及可能在厂址处产生潜在灾害的火山源作为能动火山源, 开展厂址火山灾害综合评估, 以确定厂址的适用性。 在厂址依然适用的情况下, 则应为防灾设计提供科学依据, 以减轻未来潜在火山灾害的影响。
根据IAEA/SSG-21导则的建议, 需要对厂址半径100km范围内的火山熔岩流和碎屑流以及数百甚至上千km范围内的火山灰潜在灾害进行评估。 考虑到中国大陆目前火山活动水平相对较低的特点, 从工程选址的角度可较易避开可能导致潜在熔岩流和碎屑流灾害的火山。 本文将着重讨论火山活动对核电厂址的潜在火山灰灾害影响。
方程的解即为落在地球表面上点(x, y)的碎屑质量:
从中国气象科学数据共享服务网下载海口气象台站2000— 2015年的高空大风层定时数据(每天0点和12点在15个不同气压下测量的数据), 统计不同季节时不同海拔高度区间内的风速和风向用于模型计算。
IAEA/SSG-21中建议的火山灰灾害风险概率计算公式为
本文讨论了国际原子能机构安全标准专用安全导则第SSG-21号《核设施厂址火山灾害评估》中建议的核设施厂址火山安全性评价工作方法的流程与技术标准, 针对一些关键性的技术指标, 如工作区火山活动年代的下限、 不同火山现象的灾害影响调查范围以及灾害评估结果的表述方式等, 与此前核电厂选址的火山灾害评估工作方法进行了对比分析。
目前IAEA/SSG-21导则中有关火山活动和潜在灾害的关键技术参数, 如10Ma的火山活跃期、 1× 10-7 的火山灾害筛选概率阈值等, 其火山学依据是以火山岛弧系统内火山活动特点为主要理论基础。 考虑到中国大陆火山活动构造背景的不同, 尤其是与火山岛弧系统相比中国大陆火山活动水平相对较低, IAEA/SSG-21导则中火山灾害评估的时间尺度对于中国大陆的火山来说是相对偏高的。 建议在未来的工作中, 加强火山活动“ 概念模型” 的研究, 以充足的火山学依据证明厂址区域内是否存在任何潜在火山灾害和风险。
The authors have declared that no competing interests exist.