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福島核事故后核電廠安全改進(jìn)行動(dòng)分析

2014-03-20 08:21:30李文宏楊紅義
原子能科學(xué)技術(shù) 2014年3期
關(guān)鍵詞:安全殼核事故福島

張 琳,李文宏,楊紅義

(1.清華大學(xué) 核能與新能源技術(shù)研究院,北京 100084;2.環(huán)境保護(hù)部 核二司,北京 100035;3.深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司,廣東 深圳 518031;4.中國(guó)原子能科學(xué)研究院 快堆研究設(shè)計(jì)所,北京 102413)

2011年3月,日本福島第一核電廠發(fā)生的核事故給全世界敲響了警鐘。發(fā)展核電的主要國(guó)家迅速開(kāi)展了核安全檢查和再評(píng)價(jià)行動(dòng),提出了安全改進(jìn)要求和措施。本工作對(duì)世界上發(fā)展核電主要國(guó)家開(kāi)展的改進(jìn)行動(dòng)進(jìn)行跟蹤和調(diào)研,并分析各國(guó)改進(jìn)行動(dòng)的特點(diǎn)和內(nèi)涵。

1 世界主要核電國(guó)家和機(jī)構(gòu)開(kāi)展安全檢查和評(píng)價(jià)的情況

核安全檢查和再評(píng)價(jià)活動(dòng)一方面對(duì)核電廠與現(xiàn)行設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的符合性進(jìn)行評(píng)價(jià),另一方面對(duì)超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)工況進(jìn)行全面分析,提出改進(jìn)措施。

各國(guó)安全評(píng)價(jià)主要方法[1]基本相同,即:假定給核設(shè)施的安全功能造成威脅并導(dǎo)致嚴(yán)重事故的極端自然現(xiàn)象(如地震、水災(zāi)或兩者組合),然后重新評(píng)價(jià)核設(shè)施的安全裕度以及嚴(yán)重事故應(yīng)對(duì)的組織和管理工作。

歐洲理事會(huì)在2011年3月要求歐洲核電廠針對(duì)類似福島核事故的場(chǎng)景進(jìn)行壓力測(cè)試,歐洲各國(guó)在2011年內(nèi)陸續(xù)完成了壓力測(cè)試,2012年11月24日,歐盟委員會(huì)發(fā)布了壓力測(cè)試報(bào)告,提出加強(qiáng)安全措施的要求,提高歐盟范圍內(nèi)143座核電站應(yīng)對(duì)天災(zāi)人禍的能力[2-4]。

法國(guó)政府于2011年3月23日要求法國(guó)核安全局(ASN)對(duì)法國(guó)民用核設(shè)施進(jìn)行補(bǔ)充安全評(píng)價(jià),在地震、水淹、喪失最終熱阱、喪失電源、嚴(yán)重事故管理等5個(gè)主要領(lǐng)域開(kāi)展檢查。檢查結(jié)論為:法國(guó)在運(yùn)核電廠及核設(shè)施具有較高的安全水平,滿足安全要求,法國(guó)電力公司(EDF)向ASN提出了福島核事故后的改進(jìn)建議。

美國(guó)核管會(huì)(NRC)對(duì)程序和法規(guī)體系進(jìn)行了審核,通過(guò)對(duì)法規(guī)體系的全面評(píng)價(jià),提出相應(yīng)的改進(jìn)建議。NRC綜合評(píng)價(jià)認(rèn)為:按美國(guó)現(xiàn)行監(jiān)管體系以及對(duì)核電廠綜合能力的分析,類似福島核事故的序列不太可能在美國(guó)出現(xiàn),核電廠的持續(xù)運(yùn)營(yíng)和審批不會(huì)對(duì)公眾健康和安全造成風(fēng)險(xiǎn)[5]。

環(huán)境保護(hù)部(國(guó)家核安全局)、國(guó)家能源局、中國(guó)地震局聯(lián)合組織國(guó)家民用核設(shè)施綜合檢查團(tuán)于2011年4月15日—8月5日對(duì)我國(guó)在役和在建核電廠進(jìn)行了全面的核安全檢查,2012年3月公布了《關(guān)于全國(guó)民用核設(shè)施綜合安全檢查情況的報(bào)告》,檢查認(rèn)為我國(guó)在運(yùn)核電廠安全風(fēng)險(xiǎn)處于受控狀態(tài),在建核電廠質(zhì)量保證體系運(yùn)轉(zhuǎn)正常,工程建造滿足設(shè)計(jì)要求,總體質(zhì)量受控,安全有保障;發(fā)生類似福島核事故的極端自然事件的可能性極?。?]。針對(duì)檢查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的可能影響建造質(zhì)量和運(yùn)行安全的問(wèn)題,國(guó)家核安全局于2012年6月正式發(fā)布了《福島核事故后核電廠改進(jìn)行動(dòng)通用技術(shù)要求(試行)》,以指導(dǎo)各運(yùn)行和在建核電廠開(kāi)展核安全改進(jìn)工作[7]。

2 各國(guó)的改進(jìn)行動(dòng)和整改要求

各國(guó)安全檢查或再評(píng)價(jià)的結(jié)果均表明核電廠滿足現(xiàn)行核安全法規(guī)要求,各國(guó)也制定了核電廠改進(jìn)要求,以提高核電廠的安全水平。

2.1 法國(guó)的改進(jìn)行動(dòng)和技術(shù)措施

ASN從提升抗災(zāi)能力、增加備用手段、控制放射性影響、加強(qiáng)行政管理等4個(gè)方面提出改進(jìn)要求,并提出了所應(yīng)采取的主要手段和措施:

1)識(shí)別并改進(jìn)防止放射性物質(zhì)釋放的關(guān)鍵系統(tǒng)、設(shè)備、構(gòu)筑物;

2)保護(hù)上述關(guān)鍵系統(tǒng)、設(shè)備和構(gòu)筑物,使其能抵御超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)災(zāi)害;

3)組建能在24h內(nèi)投入的核電廠快速應(yīng)急組織。

針對(duì)上述改進(jìn)要求和三層次技術(shù)途徑,ASN 確定了相應(yīng)的改進(jìn)行動(dòng)。在實(shí)體改進(jìn)方面,EDF 提出了15 項(xiàng)具體的工程改進(jìn)措施。圖1示出了EDF實(shí)施改進(jìn)的改進(jìn)要求、技術(shù)途徑和工程措施。

2.2 美國(guó)的改進(jìn)行動(dòng)和技術(shù)措施

NRC短期特別調(diào)查小組提出了如下建議[5]。

1)在多年安全改進(jìn)的基礎(chǔ)上,改進(jìn)對(duì)運(yùn)行核電廠進(jìn)行執(zhí)照管理和監(jiān)督管理的新架構(gòu)。

2)對(duì)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故以及超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)提出補(bǔ)充要求,采取改進(jìn)行動(dòng)提高機(jī)組的安全性。

圖1 EDF實(shí)施改進(jìn)的改進(jìn)要求、技術(shù)途徑和工程措施Fig.1 Improvement requirement,technical method and engineering measure of EDF approach

3)對(duì)地震和洪水的防護(hù)制定完善的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)要求,分析嚴(yán)重事故的緩解措施;應(yīng)用擴(kuò)大損害的緩解導(dǎo)則(EDMGs)等作為嚴(yán)重事故的緩解措施。

4)法規(guī)體系以縱深防御原則為基礎(chǔ),并以概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)(PRA)技術(shù)進(jìn)行必要的修正。確定的縱深防御層次應(yīng)達(dá)到解決超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故的要求。保留目前的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)要求(對(duì)預(yù)期運(yùn)行事件和假想事故等),對(duì)超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故的要求(如未能緊急停堆的預(yù)期瞬態(tài)和全廠失電)用新要求補(bǔ)充。

NRC確定的近期行動(dòng)和長(zhǎng)期工作要求中需立即啟動(dòng)的整改行動(dòng)有:對(duì)地震和洪水的防護(hù)、長(zhǎng)期喪失交流電源情況下的策略、安全殼的通風(fēng)、乏燃料水池的冷卻、嚴(yán)重事故的規(guī)程和應(yīng)急準(zhǔn)備等方面。針對(duì)NRC在監(jiān)管程序方面的改進(jìn)措施有兩條,包括對(duì)低概率嚴(yán)重事故的監(jiān)管框架和更加重視低概率事件的縱深防御。開(kāi)展4個(gè)方面的長(zhǎng)期研究工作,包括增加防止或緩解地震引起的火災(zāi)和洪水的能力、安全殼或其他廠房?jī)?nèi)氫氣的控制和緩解、關(guān)于多機(jī)組事件和長(zhǎng)期全廠斷電的額外應(yīng)急計(jì)劃及關(guān)于決策、輻射監(jiān)測(cè)和公眾宣傳的額外應(yīng)急計(jì)劃等。

2012年3 月,NRC 提出所有核電廠在2016年12 月31 日前均必須完成以下安全改進(jìn):1)制定專門的預(yù)案以應(yīng)對(duì)長(zhǎng)時(shí)間全廠斷電;2)提高用于乏燃料池監(jiān)測(cè)的儀器性能;3)在Mark Ⅰ和Mark Ⅱ型沸水堆安全殼上安裝“可靠、強(qiáng)化的”通風(fēng)裝置。

圖2示出了NRC 實(shí)施改進(jìn)的改進(jìn)要求、技術(shù)途徑和工程措施。

2.3 中國(guó)的改進(jìn)行動(dòng)和技術(shù)措施

2012年6月,國(guó)家核安全局發(fā)布了《福島核事故后核電廠改進(jìn)行動(dòng)通用技術(shù)要求(試行)》,明確了防洪能力、應(yīng)急補(bǔ)水、移動(dòng)電源、乏燃料池監(jiān)測(cè)、氫氣監(jiān)測(cè)與控制、應(yīng)急控制中心可居留性及其功能、輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)及應(yīng)急和外部災(zāi)害應(yīng)對(duì)等方面的改進(jìn)要求,并對(duì)工程措施和方案進(jìn)行了描述。

圖3示出了中國(guó)的改進(jìn)行動(dòng)和技術(shù)措施情況。福島核事故后,我國(guó)陸續(xù)通過(guò)了《核安全與放射性污染防治“十二五”規(guī)劃及2020年遠(yuǎn)景目標(biāo)》《核電安全規(guī)劃(2011—2020年)》和《核電中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃(2011—2020年)》。為了積極落實(shí)規(guī)劃要求,我國(guó)正在進(jìn)行《新建核電廠安全要求》的制定工作,在概率安全目標(biāo)、外部事件設(shè)防、嚴(yán)重事故預(yù)防和緩解、堆芯安全設(shè)計(jì)以及廠址與環(huán)境的相容性等方面提出更高的要求。

圖2 NRC實(shí)施改進(jìn)的改進(jìn)要求、技術(shù)途徑和工程措施Fig.2 Improvement requirement,technical method and engineering measure of NRC approach

圖3 中國(guó)的改進(jìn)行動(dòng)和技術(shù)措施情況Fig.3 Improvement action and technical measure for China

3 各國(guó)福島核事故后改進(jìn)行動(dòng)和措施的分析

針對(duì)福島核事故開(kāi)展的改進(jìn)工作,各國(guó)的總體思路和方向均基本相同。

3.1 提高極端外部事件的設(shè)防

各國(guó)均提出了進(jìn)一步貫徹縱深防御概念的具體措施,提出在外部事件設(shè)防方面應(yīng)采取縱深防御策略,通過(guò)多層次防御,預(yù)防和緩解極端外部事件導(dǎo)致的嚴(yán)重事故。

在廠址選擇方面應(yīng)充分考慮外部事件、環(huán)境影響和應(yīng)急計(jì)劃可實(shí)施性的要求;在廠址安全評(píng)價(jià)過(guò)程中進(jìn)行環(huán)境相容性審查,調(diào)查與廠址可接受性和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)相關(guān)的外部事件、極端外部自然事件相關(guān)的安全要求;在核電廠抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行地震裕量或地震概率安全分析;對(duì)于核電廠的防洪設(shè)計(jì)應(yīng)考慮極端洪水事件以及洪水事件組合的影響;應(yīng)定期復(fù)核廠址外部事件的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)等;根據(jù)廠址特征,進(jìn)一步完善包括地震災(zāi)害、氣象災(zāi)害、洪水災(zāi)害等極端外部事件的防災(zāi)預(yù)案和相關(guān)管理程序,提高外部事件發(fā)生時(shí)的預(yù)警和應(yīng)對(duì)能力;對(duì)外部事件的設(shè)防應(yīng)考慮一定的安全裕度。

我國(guó)建設(shè)的核電廠廠址均經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的篩選,廠址多選在低地震活動(dòng)區(qū),在福島事故后的核安全檢查認(rèn)為,我國(guó)在建核電廠和新建核電廠在地震安全方面均滿足現(xiàn)行最新的法規(guī)要求。在抗震裕度方面,從已完成的AP1000、EPR 以及高溫堆抗震安全裕度分析,均反映出這些堆型具有較大的抗震安全裕量,我國(guó)百萬(wàn)千瓦級(jí)壓水堆核電廠的抗震安全裕度分析結(jié)果表明,這些機(jī)組也具有一定的抗震安全裕度。目前,國(guó)際上發(fā)展核能的國(guó)家還未提出提高地震設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的要求。在國(guó)家核安全局頒布的《福島核事故后核電廠改進(jìn)行動(dòng)通用技術(shù)要求(試行)》中提出,將設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水位疊加千年一遇降雨作為防洪標(biāo)準(zhǔn),以進(jìn)一步提高我國(guó)核電廠防洪的設(shè)計(jì)要求,對(duì)新建核電廠址防洪具有重要指導(dǎo)意義,是合理而保守的。此外,各國(guó)核電廠也均對(duì)防洪能力進(jìn)行了復(fù)核,我國(guó)核電廠通過(guò)增設(shè)防水封堵和排水設(shè)施等工程措施進(jìn)一步提高了核電廠的防洪裕度。

3.2 制定嚴(yán)重事故預(yù)防和緩解的策略

各國(guó)均提出應(yīng)進(jìn)一步注意嚴(yán)重事故預(yù)防和緩解措施的平衡,完善嚴(yán)重事故管理指南。設(shè)計(jì)上應(yīng)采取應(yīng)對(duì)全廠斷電(應(yīng)急電源供應(yīng))、高壓熔堆、大體積氫氣爆炸、熔融堆芯與混凝土反應(yīng)(MCCI)、旁路安全殼等嚴(yán)重事故的具體措施。對(duì)乏燃料水池的監(jiān)測(cè)手段、監(jiān)測(cè)范圍、監(jiān)測(cè)儀表和系統(tǒng)可用性也提出了要求。對(duì)嚴(yán)重事故下安全殼內(nèi)氫氣監(jiān)測(cè)與控制措施配置、效率評(píng)估、嚴(yán)重事故情況下的功能實(shí)現(xiàn)和設(shè)備可用性也提出了要求。

實(shí)際上,在福島核事故發(fā)生之前,國(guó)際核電界已對(duì)嚴(yán)重事故的預(yù)防和緩解做了大量的工作。例如,對(duì)像堆芯熔融這類嚴(yán)重事故就提出了兩種緩解方案:1)將壓力容器作為堆芯熔融物的包容裝置,通過(guò)外部的非能動(dòng)水對(duì)壓力容器進(jìn)行冷卻,保證壓力容器的完整性,應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)的以AP1000為代表;2)在壓力容器外設(shè)置熔融物的包容區(qū),即在壓力容器外面采用專門的材料和設(shè)施來(lái)保證熔融物不外泄,EPR 使用了這種技術(shù)。福島核事故的發(fā)生再次證明了嚴(yán)重事故的風(fēng)險(xiǎn),對(duì)制定嚴(yán)重事故的預(yù)防和緩解措施有了更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。

3.3 加強(qiáng)水、電、通風(fēng)等技術(shù)手段

在實(shí)體改進(jìn)方面,各國(guó)對(duì)應(yīng)急補(bǔ)水及相關(guān)設(shè)備設(shè)置提出了要求。諸如:采用二回路或一回路應(yīng)急補(bǔ)水、乏燃料水池應(yīng)急補(bǔ)水等技術(shù)要求,以及相關(guān)的移動(dòng)泵、補(bǔ)水管線和水源的技術(shù)要求。設(shè)置移動(dòng)泵和管線以滿足堆芯冷卻和乏燃料水池冷卻,并設(shè)置聯(lián)接的補(bǔ)水管線。對(duì)于增加移動(dòng)式應(yīng)急電源,要求核電廠在喪失全部廠外電時(shí),可通過(guò)配置移動(dòng)式應(yīng)急電源為實(shí)施應(yīng)急措施提供臨時(shí)動(dòng)力,以緩解事故后果,并為恢復(fù)廠內(nèi)外交流電源提供時(shí)間窗口等具體化的要求。

3.4 限制嚴(yán)重事故下放射性釋放的手段

在強(qiáng)化安全殼安全功能及包容能力方面,各國(guó)也提出了進(jìn)一步的要求。比如安全殼條件失效概率應(yīng)盡可能低,并在嚴(yán)重事故下安全殼仍具有足夠的極限承載能力和裕量;評(píng)價(jià)安全殼超壓引起彈塑性變形導(dǎo)致的泄漏和安全殼旁通型的嚴(yán)重事故;對(duì)于超出安全殼極限承載能力的情況,應(yīng)全面分析和考慮安全殼超壓保護(hù)及過(guò)濾排放的措施;考慮安全殼泄漏放射性物質(zhì)的收集能力等。

在對(duì)安全殼極限承載能力進(jìn)行分析時(shí),應(yīng)綜合考慮諸如氫爆、高壓熔堆、蒸汽爆炸、MCCI等嚴(yán)重事故作用的影響,通過(guò)彈塑性分析,保證安全殼的應(yīng)力和變形符合彈塑性準(zhǔn)則,壓力邊界不會(huì)產(chǎn)生破裂。在設(shè)置過(guò)濾排放系統(tǒng)的問(wèn)題上,對(duì)于那些無(wú)法保證嚴(yán)重事故下安全殼熱量有效導(dǎo)出,同時(shí)安全殼承壓能力又不具備很大裕量的情況,則考慮設(shè)置安全殼過(guò)濾排放系統(tǒng),但該過(guò)濾排放系統(tǒng)必須具有較高的效率,否則可能引起放射性物質(zhì)向環(huán)境排放。

3.5 加強(qiáng)國(guó)家和電廠的應(yīng)急準(zhǔn)備能力和對(duì)核電廠、公眾安全的保護(hù)

建立健全應(yīng)急支援體系。應(yīng)急控制中心應(yīng)有適當(dāng)?shù)目删恿粜圆?yīng)有適當(dāng)措施可長(zhǎng)時(shí)間保護(hù)在場(chǎng)人員,以防止嚴(yán)重事故對(duì)他們的危害;應(yīng)急控制中心應(yīng)具有聯(lián)絡(luò)核電廠控制室、輔助控制室及其他重要地點(diǎn)和廠內(nèi)外應(yīng)急機(jī)構(gòu)的通信手段,以及實(shí)時(shí)在線傳輸核電廠安全重要參數(shù)的能力。核電廠應(yīng)改善嚴(yán)重事故下應(yīng)急監(jiān)測(cè)方案,在事故工況下提供必要的監(jiān)測(cè)手段。制訂同一廠址多機(jī)組同時(shí)進(jìn)入應(yīng)急狀態(tài)后核電廠的應(yīng)急響應(yīng)方案和應(yīng)急人員、物資的配備協(xié)調(diào)方案。

在這個(gè)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)上,世界各國(guó)均基本相同,但在具體的實(shí)施過(guò)程中,由于國(guó)情不同,在體系建立和運(yùn)行方面會(huì)有所差異。我國(guó)已建立了國(guó)家和地方政府的核應(yīng)急體系,核電企業(yè)集團(tuán)也建立了應(yīng)急機(jī)構(gòu),這些不同層次的保障體系提供了對(duì)企業(yè)和公眾安全的保護(hù)。

4 思考和結(jié)束語(yǔ)

福島核事故的發(fā)生除了福島第一核電廠機(jī)型老舊、外部事件設(shè)防措施不足、東京電力對(duì)核電廠的監(jiān)督管理漏洞等內(nèi)部原因外,超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的自然災(zāi)害、國(guó)家的傳統(tǒng)、民族的習(xí)慣、企業(yè)的文化、應(yīng)急體系等多方面因素綜合作用是造成天災(zāi)引發(fā)導(dǎo)致福島第一核電廠發(fā)生堆芯損毀嚴(yán)重事故的外部原因。

世界上沒(méi)有任何東西是絕對(duì)安全的,核電技術(shù)再先進(jìn),也應(yīng)符合辯證唯物主義規(guī)律。從概率安全風(fēng)險(xiǎn)的角度來(lái)看,現(xiàn)在核電廠發(fā)生堆芯嚴(yán)重?fù)p毀事故的概率已足夠低,經(jīng)多年持續(xù)改進(jìn)的核電廠在固有的安全水平方面已高出福島第一核電廠幾個(gè)量級(jí)。

為提高核電廠抵抗外部事件災(zāi)害的能力,應(yīng)對(duì)始發(fā)事件進(jìn)行深入全面的分析和排查,根據(jù)結(jié)果確定合理的改進(jìn)方向和目標(biāo),也不宜盲目改變?cè)O(shè)防標(biāo)準(zhǔn),增加不必要的安全裕量。

福島核事故后,各國(guó)對(duì)發(fā)展核電態(tài)度不同,德國(guó)、瑞士、意大利和比利時(shí)相繼宣布退出核電領(lǐng)域,美國(guó)、法國(guó)、俄羅斯和英國(guó)仍持較積極的發(fā)展態(tài)度并提出相應(yīng)計(jì)劃。我國(guó)在暫停新項(xiàng)目的審批后,2012年年底,田灣核電站二期工程、石島灣高溫氣冷堆核電站示范工程相繼正式開(kāi)工建設(shè),陽(yáng)江核電廠和福清核電廠的4號(hào)機(jī)組也恢復(fù)建設(shè)。在合理的風(fēng)險(xiǎn)代價(jià)比條件下,發(fā)展核電是獲得穩(wěn)定清潔能源保障的理想途徑,同時(shí),隨著環(huán)境問(wèn)題的日益突出,中國(guó)發(fā)展核電的決心也日益堅(jiān)定。

福島核事故后,國(guó)內(nèi)外對(duì)福島經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)和核電廠改進(jìn)行動(dòng)進(jìn)行了廣泛的討論,認(rèn)識(shí)到對(duì)福島核事故的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的總結(jié)和核電廠的安全改進(jìn)是一個(gè)長(zhǎng)期持續(xù)的過(guò)程。一方面要不斷提高核電廠的固有安全性;另一方面還要將縱深防御的理念落實(shí)到選址、設(shè)計(jì)、采購(gòu)、制造、建造、安裝、調(diào)試和運(yùn)行等各環(huán)節(jié),不斷提高核電相關(guān)從業(yè)人員的技術(shù)水平和核安全意識(shí),通過(guò)多方面努力促進(jìn)我國(guó)核電事業(yè)安全高效地發(fā)展。

[1] IAEA.IAEA international fact finding expert mission of Fukushima Daiichi NPP accident following great east Japan earthquake and tsunami[R].Vienna:IAEA,2011.

[2] IAEA.IAEA action plan on nuclear safety[R].Vienna:IAEA,2011.

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[5] NRC.Recommendation on enhancing reactors safety in the 21st century[R].US:NRC,2011.

[6] 國(guó)家核安全局.關(guān)于全國(guó)民用核設(shè)施綜合安全檢查情況的報(bào)告[R].北京:國(guó)家核安全局,2012.

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