大亚湾反应堆中微子试验站

1大亚湾反应堆中微子实验站建设工程可行性研究报告中国科学院高能物理研究所2006年9月30日21综合说明1.1说明大亚湾中微子实验工程实验测量反应堆中微子振荡效应。中微子实验室的建设经历了实验站选址和工程地质勘察后，委托铁道部第四勘测设计研究院和黄河勘测规划设计有限公司分别进行了大亚湾反应堆中微子实验站建设工程可行性研究，两单位分别提出了可行性研究报告（附件1和附件2），中国科学院高能物理研究所（以下简称高能所）专门组织有关工程设计专家对两份可行性研究报告进行了评审（评审意见详见附件3），高能所根据两单位的可行性研究报告成果、专家评审意见和高能所对实验条件的进一步要求，重新提出了本可行性研究报告。1.2工程概况中微子实验工程位于大亚湾核电站以及岭澳核电站的北部山地，需要建设五个洞室和连接这些洞室的隧道。实验室进入隧道的入口位置在大亚湾核电站医疗中心北侧，标高8米。进入隧道连接隧道入口与大亚湾近厅（1#号实验厅），长度为292米。在大亚湾核电站废弃的采石场附近另设一个施工隧道，入口标高约40米，长约228米（布局见附图1）。除进入隧道和施工隧道外，其余隧道叫做主隧道。进入隧道从洞口往里坡度向下，主隧道地面位于海平面下约20米，隧道总长2695米。主隧道交汇处附近设一个中厅（4#号实验厅），中厅与大亚湾近厅的距离为810米，与岭澳近厅（2#号实验厅）的距离为465米，与远厅（3#号实验厅）的距离为900米。在施工隧道与主隧道交汇处设一装配厅（5#号实验厅），用于液闪混制、灌装，以及其它洁净处理。两条以上隧道交汇时，交汇处作错开处理以减少过多隧道交汇在一点带来的不稳定性。在隧道入口处设实验控制室、电力和泵房控制室等。五个洞室分别为1号（西厅或叫做大亚湾近厅）、2号（东厅或叫做岭澳近厅）、3号（远厅）、4（中厅）、5号实验厅，其中1、2、4号实验厅安置有两个中微子探测器，3号实验厅安置4个中微子探测器，5号实验厅用于实验用的液闪混制、灌装，以及其它洁净处理。3按照目前预计要求中微子实验运行约十年，要求隧道及洞室的使用寿命为十五年。1.3中微子实验要求1.3.1隧道规划原则隧洞入口位置：进入隧道的入口位置在大亚湾核电站医疗中心北侧，施工隧道在大亚湾核电站废弃的采石场附近。DayaBayNPPLingAoNPPLingAo-llNPP(underconst.)Totallength:~2700m228m292m810m465m900m2#3#4#1#5#图1.实验隧道、实验厅位置分布平面示意图隧道断面尺寸：在充分满足各段隧道的不同功能外，应使隧道截面优化为最小。隧道坡度：为了使实验厅上方的岩石覆盖层尽可能厚，实验厅应尽可能深入到地平面以下，同时考虑到安全运输设备和隧道的自然排水等。隧道内表面处理：在保证使用期限内安全的条件下，尽量经济、简单为好。隧道地面：隧道内通行凹型卡车，运输重约120吨的设备（平均1次/月），隧道底部路面需要硬化平正，要求给出隧道道路设计；探测器运输方式：在实验运行期间，装满液体后的主探测器整体（直径为54米、高5米的圆柱体，重约100吨）在远近实验厅间要通过主隧道定期交换（约半年交换一次）。运输过程要求平稳、缓慢、振动小。1.3.2中微子实验厅规划（1）中微子实验厅空间大小1、2、4号实验厅内各放两个探测器，3号实验厅内放四个探测器。实验厅内挖水池，探测器浸泡在池内，水池上方安装桥式吊车（起吊重量～100吨），用于探测器拆装、换位时起吊。（2）中微子实验厅朝向实验厅的朝向主要从施工经济合理、洞室最大稳定性等方面考虑。从物理实验的要求看，实验厅长轴可以沿反应堆中轴方向，也可以沿与反应堆中轴垂直的方向布置，要求比较探测器的运输、其它设备的运输及安装方便性后给出设计。（3）5号实验厅规划5号厅位置初步定在施工隧道与主隧道交汇处附近，偏1号实验厅一边,拖挂车能进出,周围岩石要喷防氡气膜，清洁标准达到100000级，安全措施，充分排风，以防氡气。1.3.3中微子实验厅环境要求通风：从满足人员的舒适性工作环境及为实验设备提供良好的运行环境出发，同时考虑实验厅发生火灾时能迅速排除烟气，保障人员安全疏散的要求进行通风设计。通风设计为管道送风，管道排风。除满足RPC所用可燃气体异丁烷的要求外，对单个实验大厅要求满足同时有30名实验人员工作的通风要求。这时另外的实验厅满足6次/天的要求。考虑到都从主洞口送风到各实验厅距离很长，实验厅送风口的压力减弱，如果在2号实验厅附近做一个100米的通风竖井，请比较对整个隧道通风的影响，对通风管直径和隧道断面的影响，对工程时间进度和造价的影响。温度：几个实验大厅内温度应该保持基本相同，控制在环境温度为20℃左右。湿度：几个实验大厅内湿度应该保持基本相同，控制在60%。1.3.4中微子实验水、电配套设施供水：沿隧道侧壁设置给水管道，供给实验用水和工作人员生活用水。5排水：在隧道两侧设排水沟，汇集隧洞岩层渗水，排放岩层渗水到1号实验厅旁边的集水井内，用排水泵通过排水管道排出洞外。电气：在隧道入口处设置一电气控制室，工程采用两回路电源供电。除人员控制外，中微子实验要求不断电，不停水。配电及控制：实验厅内分别设置总动力箱，在隧道内分散设置多个分动力箱，均由低压两段配电装置分不同回路供电。实验厅内设隔离变压器，对实验设备供电。地线系统：总接地电阻1欧姆。另外，实验室内包含多类电子设备，为避免干扰，每个实验厅设两套独立地线系统，单独接地。照明：照明系统分正常照明和应急照明。1.3.5中微子实验通讯系统中微子实验通讯系统包括市话电话系统、计算机网络及对讲电话系统。1.3.6中微子实验安全措施（1）消防、火灾自动报警及应急广播系统设置消防给水系统及手提式灭火器。定点设置火灾报警器。根据现场环境，在实验室、实验控制室和隧道内分别设置点式感烟（感温）火灾探测器、消火栓和扬声器，在实验控制室内设置火灾报警和消防应急广播主机。当火灾确认后，联动相应的消防水系统和排风、排烟系统，切断非消防电源。（2）可燃气体实验部分设备（RPC）需要充气体,其中包括可燃气体异丁烷。按照国家有关标准，应该设置监测这种气体的探测装置。（3）液闪安全使用拟在5号厅内混制这种液闪，然后加入主探测器罐中密封。按照国家有关条例，设置监测液闪泄露的探测装置，考虑相应的防护应急措施。1.3.7中微子实验地面设施地面附属建筑包括:实验装配大厅、临时仓库、液闪堆放场、钢桶加工堆放场、办公室、运行控制室及动力设备用房。1.4工程地质实验站位置的北边被群山环绕，山形由西南到东北爬高，坡度在10度到456度之间。山脊在平坦的山顶周围起伏变化。实验点两公里内山的海拔平均为185米到400米。其最高点排牙山海拔707米。为了建造大亚湾和岭澳核电站，从西南到东南沿岸的山脚被平整，其海拔为6.6到20米。由于地处低纬且在北回归线以南，太阳高度角大，日照时间长，太阳辐射能丰富，同时南临南海，季风明显，雨量充沛，属南亚热带季风气候。场址位于排牙山背斜南翼，燕山早期构造运动形成的NE向构造组成了区内的构造格架，而燕山晚期的构造运动则主要形成了NNE向与NW向的叠置性构造。NE向构造是占主导地位的构造形迹，最新的NW向构造形迹分布零散，强度不大。EW向构造则为NE向构造和NW向构造切割围限。因此场址区范围内断裂活动性评价的重点对象是NE向构造和NW向构造。在大鹏半岛南端，枫木浪断裂展布长度约13km，宽度为10～20m。断裂作用方式表现为压碎方式，局部有糜棱岩化和片理化，断裂中大量石英脉贯入。形成于晚侏罗世以后，前期张扭，后期为压扭，发生过左行平移。地质调查表明，场址区地层、岩性构造简单，结构构造较完整，后期构造破坏较小。区内构造组分以节理为主，次为断裂，在地质上是一个稳定一较稳定的地块。综合构造、岩性、水文和工程布设和等级，可将大亚湾中微子隧道工程地质条件划归为简单一中等复杂区。两处核电厂址抗震设计参数是：地震基本烈度为VII度，基岩的极限地震动SL-2值为0．2g。核电技术要求工程负控爆破安全极限为0.01g。这些参数指标也适用于本隧道工程场址区。本区以中细粒花岗岩为主，而平面上和垂向上结构和矿物成分变化较大，其中肉红色钾长石、灰白色斜长石和云母是指示岩石命名的主要依据。在隧道南北两端为D3ch长石石英砂岩，而在其与花岗岩接触带见到宽度不等的灰黑色角岩。按不同地层岩性、岩矿成分、结构构造、宏观物理力学性质和风化情况，将本区出露的燕山晚期花岗岩、晚泥盆世粉砂岩和泥岩等分为5个工程地质岩组。(1)新鲜花岗岩、角岩组，饱和单轴抗压强度86～140MPa,泊松比0.16～0.23，弹性模量33～50GPa，坚硬整体状，对水反应不敏感，吸水性弱；岩芯多呈长柱状，裂隙呈微张-闭合，角度多为60～80º，表面有绿泥石、阳起石膜。岩体基本质量属I～II级。新鲜花岗岩场地内4个钻孔都见及，钻入深度100～7197m，均未钻穿。(2)新鲜长石砂岩、微风化风化花岗岩组，坚硬，空隙度稍高，厚层块状，裂隙呈微张-闭合，岩芯多呈长柱状，届Ⅲ类围岩。区内4个钻孔均见及，也是风化囊中下部主要组成岩体。层厚一般为12～23m。(3)微风化长石砂岩、中等风化花岗岩，岩体多呈块状，少量短柱状，锤击易碎，可归为IV类围岩。钻孔内都见及，厚度0.4～4.6m。(4)节理密集带、强风化花岗岩、泥质粉砂岩组，碎裂或薄层状结构，碎块用手可折断，遇水浸泡易软化，属V类围岩。钻孔见到该层厚0.5～7.7m。(5)全风化、残坡积物、风化囊表层，及断层破碎带，散体结构，属V类中较差围岩。该区域地质构造较为简单，断裂较少，规模小。本区主压应力方向NWW，隧道深度上为10MPa，属正常应力区。这对接近东西走向的进入隧道、施工隧道和从4号实验厅（中厅）到2号实验厅（岭澳近厅）那段距离为465米的主隧道围岩稳定很有利。而对从1号实验厅（大亚湾近厅）到4号实验厅（中厅）距离为810米的主隧道和从4号实验厅（中厅）到3号实验厅（远厅）距离为900米的主隧道，它们与最大主应力接近垂直，对隧道围岩稳定不很有利，尤其在埋深小于130米的应力集中带、风化囊底部，横过大沟时，很有可能出现掉块和塌方等现象，给安全施工带来隐患。隧道大部分属于I～II级围岩，少部分属于III级，局部为IV级。其中所经过的4个风化囊、4个断层带是IV类围岩集中地段。1.5工程布置和主要建筑物1.5.1工程布置主隧道的入口位置在大亚湾核电站医疗中心北侧，入口标高11.6米。其中进入隧道段长度为257米，坡度为9.6%，主隧道段长度为2196m。隧道断面宽度为6.2米或稍大，考虑依据为探测器主体宽度为5米，每边各留0.5米的安全距离。结合主隧道施工中出渣的要求，比如每隔100米设一错车道，这个错车道在实验运行期间进行探测器运输时可作为实验人员避让区域和撤离区域。消防水管设置在一边，同一边沿墙壁设置电缆架，电缆架的宽度不超过0.2米（？）。除8洞室设备，照明等电缆架外，中微子实验要求另设一层电缆架，用于光缆传输实验数据。在隧道交叉处，隧道的高度适当增高，电缆走顶部，然后再降低高度分别引至各隧道。隧道的高度为运输车辆（见后文）高度（0.5米），主探测器高度（5.2米），安全距离（0.5米），通风管高度之和。主隧道：从1号实验厅到4号实验厅以及从4号实验厅到2号和3号实验厅的主隧道向上应有一定坡度，考虑实验厅之间探测器的交换使用和从2号和3号实验厅到1号实验厅水的自然排出，隧道坡度不要太大，采用0.3%纵向坡度，要求确认这个坡度能够满足单个实验厅水池排水期间的要求。进入隧道：从现有行政仓库位置开始。仓库移走后，从标高11.6米处与仓库地基相接处开始向下，坡度为9.6%，如图2所示。图2.隧道入口位置平面示意图施工隧道：施工隧道位于亚湾核电站废弃的采石场现场附近，入口标高约44米。施工隧道要求比较不同施工方案对工程总造价及工程工期的影响。目前主要的施工隧道方案有两个，如图1所示。长228米的那段隧道为有轨斜井施工9隧道，另一端为主隧道，标高约为-20米。如果采用无轨斜