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《EJ/T20114-2016鈉冷快中子增殖堆設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

鈉火安全》專題研究報(bào)告長(zhǎng)文目錄風(fēng)險(xiǎn)探源:為何鈉火是快堆安全皇冠上的“荊棘

”?專家視角剖析其獨(dú)特危險(xiǎn)性圍追堵截:鈉火一旦發(fā)生,多重物理屏障與隔離策略如何實(shí)現(xiàn)火勢(shì)的物理隔絕?捕捉與冷卻:鈉火探測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)前沿與高效鈉收集冷卻設(shè)施的布局要訣化學(xué)與毒理:鈉燃燒產(chǎn)物的化學(xué)危害及對(duì)人員與環(huán)境的防護(hù)設(shè)計(jì)考量驗(yàn)證與確信:鈉火安全分析的方法論、關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與安全審評(píng)要點(diǎn)防患未“燃

”:鈉冷快堆設(shè)計(jì)如何構(gòu)建縱深防御體系以遏制鈉火初始發(fā)生?窒息之策:深入惰化氣氛保護(hù)與窒息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理與運(yùn)行邏輯熱力沖擊波:鈉火對(duì)結(jié)構(gòu)與設(shè)備的熱負(fù)荷與機(jī)械負(fù)荷影響深度評(píng)估應(yīng)急響應(yīng)藍(lán)圖:從設(shè)計(jì)階段融入的鈉火事故管理策略與操作規(guī)程精要未來瞭望:邁向更高安全等級(jí)——鈉火安全技術(shù)的演進(jìn)趨勢(shì)與挑戰(zhàn)前險(xiǎn)探源:為何鈉火是快堆安全皇冠上的“荊棘”?專家視角剖析其獨(dú)特危險(xiǎn)性鈉的活潑化學(xué)性質(zhì):高反應(yīng)活性與燃燒特性分析金屬鈉作為一種堿金屬,在常溫下與空氣接觸即會(huì)發(fā)生氧化,在較高溫度下遇空氣或水會(huì)發(fā)生劇烈的燃燒甚至爆炸反應(yīng)。這種高化學(xué)活性是鈉火風(fēng)險(xiǎn)的根本物理化學(xué)基礎(chǔ)。與輕水堆的冷卻劑水相比,鈉的燃燒特性引入了傳統(tǒng)核電廠未重點(diǎn)關(guān)注的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn),使得快堆安全設(shè)計(jì)必須額外考慮一個(gè)平行的“火災(zāi)安全”維度。標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格區(qū)分了鈉池火與鈉噴霧火兩類主要風(fēng)險(xiǎn)。鈉池火指泄漏的鈉積聚形成液池后的燃燒,熱釋放速率高,對(duì)周邊結(jié)構(gòu)產(chǎn)生持續(xù)高熱負(fù)荷。鈉噴霧火則指鈉在壓力下噴出形成細(xì)霧后的燃燒,燃燒劇烈且迅速,可能伴隨壓力脈沖,對(duì)密閉空間構(gòu)成壓力威脅。兩類火災(zāi)的機(jī)理、后果及應(yīng)對(duì)策略均有顯著不同,需分別進(jìn)行針對(duì)性的安全設(shè)計(jì)。鈉火類型的精細(xì)劃分:鈉池火與鈉噴霧火的差異與挑戰(zhàn)鈉火與核安全的耦合效應(yīng):超越常規(guī)火災(zāi)的復(fù)合型災(zāi)難場(chǎng)景鈉火安全并非孤立的工業(yè)火災(zāi)問題。其特殊性在于與核反應(yīng)堆安全深度耦合。鈉火產(chǎn)生的高溫可能威脅反應(yīng)堆容器的完整性;燃燒產(chǎn)物可能堵塞冷卻通道或影響設(shè)備運(yùn)行;滅火行動(dòng)可能干擾正常的核安全功能。因此,標(biāo)準(zhǔn)要求將鈉火防護(hù)視為核安全縱深防御體系不可或缺的一環(huán),進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)與評(píng)估。12防患未“燃”:鈉冷快堆設(shè)計(jì)如何構(gòu)建縱深防御體系以遏制鈉火初始發(fā)生?第一道防線:高品質(zhì)設(shè)備與嚴(yán)苛的鈉工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造預(yù)防鈉火的最根本措施是防止鈉泄漏。標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此提出了從設(shè)計(jì)、制造到安裝的全過程要求。這包括選用與鈉相容的材料、采用高可靠性的焊接與連接技術(shù)(如雙壁管設(shè)計(jì))、對(duì)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行高標(biāo)準(zhǔn)的無損檢測(cè),以及在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上優(yōu)化布局、減少薄弱環(huán)節(jié),從源頭上最大限度地降低泄漏概率。第二道防線:基于風(fēng)險(xiǎn)的鈉房間分區(qū)與包容體理念的應(yīng)用即使發(fā)生泄漏,也要限制其規(guī)模和影響。標(biāo)準(zhǔn)倡導(dǎo)基于風(fēng)險(xiǎn)的分區(qū)概念,將鈉系統(tǒng)布置在具有不同安全等級(jí)的廠房或隔間內(nèi)。對(duì)于高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域,采用“包容體”設(shè)計(jì),即設(shè)置具有耐火、耐高溫、密封性能的圍護(hù)結(jié)構(gòu),旨在將泄漏的鈉及其潛在火災(zāi)后果限制在局部范圍內(nèi),防止蔓延至相鄰安全重要設(shè)備區(qū)域。12第三道防線:先進(jìn)的泄漏前預(yù)警與早期干預(yù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)01在泄漏演變?yōu)榛馂?zāi)之前進(jìn)行預(yù)警和干預(yù)至關(guān)重要。標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)置高靈敏度的鈉泄漏探測(cè)系統(tǒng),如熱點(diǎn)探測(cè)、鈉蒸氣探測(cè)或惰性氣體中微量氫探測(cè)。一旦探測(cè)到潛在泄漏跡象,系統(tǒng)應(yīng)能自動(dòng)或手動(dòng)啟動(dòng)干預(yù)措施,如隔離相關(guān)管線、啟動(dòng)備用系統(tǒng)或進(jìn)行可控的鈉排放,將事件遏制在萌芽狀態(tài)。02圍追堵截:鈉火一旦發(fā)生,多重物理屏障與隔離策略如何實(shí)現(xiàn)火勢(shì)的物理隔絕?防火分隔與耐火結(jié)構(gòu):構(gòu)筑阻擋火勢(shì)蔓延的“防火墻”01標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)規(guī)定了鈉建筑物及隔間的防火分隔要求。這包括使用具有足夠耐火極限(通常以小時(shí)計(jì))的墻壁、樓板和門,將鈉工藝區(qū)域與非鈉區(qū)域、不同系統(tǒng)的鈉區(qū)域之間有效隔離。這些結(jié)構(gòu)不僅要能抵抗高溫,還需考慮鈉燃燒產(chǎn)物的腐蝕性,確保在事故期間維持其隔離功能,為人員干預(yù)和設(shè)備保護(hù)贏得時(shí)間。02通風(fēng)系統(tǒng)的安全聯(lián)鎖與隔離:切斷火勢(shì)發(fā)展的“氧氣供應(yīng)鏈”通風(fēng)系統(tǒng)是控制鈉火發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。標(biāo)準(zhǔn)要求通風(fēng)設(shè)計(jì)必須具備安全聯(lián)鎖和隔離能力。在探測(cè)到鈉火時(shí),系統(tǒng)應(yīng)能自動(dòng)關(guān)閉相關(guān)區(qū)域的送排風(fēng),或切換至惰性氣體循環(huán)模式,以快速耗盡或隔離燃燒所需的氧氣,實(shí)現(xiàn)窒息滅火。同時(shí),要防止火勢(shì)通過通風(fēng)管道蔓延至其他區(qū)域。12設(shè)備與管道的局部包容與導(dǎo)流:為泄漏鈉設(shè)計(jì)“受控路徑”對(duì)于潛在的泄漏點(diǎn),如閥門、泵的密封處,標(biāo)準(zhǔn)建議采用局部包容措施,例如設(shè)置drippans(接鈉盤)或guardpipes(保護(hù)套管)。這些設(shè)施能收集初始泄漏的鈉,并通過導(dǎo)流管道將其安全引至專用的、具備防火冷卻能力的收集罐中。這避免了鈉在設(shè)備或電氣儀控裝置下方積聚燃燒,將危險(xiǎn)導(dǎo)向預(yù)定且可控的位置。窒息之策:深入惰化氣氛保護(hù)與窒息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理與運(yùn)行邏輯覆蓋氣體選擇:為何氮?dú)饣驓鍤馐氢c系統(tǒng)的“保護(hù)氣幕”?在鈉冷快堆中,主容器、中間熱交換器等大型鈉設(shè)備的上部覆蓋氣空間,以及一些重要的鈉工藝隔間,通常充以高純度的惰性氣體(如氮?dú)饣驓鍤猓?。?biāo)準(zhǔn)闡述了此設(shè)計(jì)的目的:排除空氣,創(chuàng)造缺氧環(huán)境,從根本上消除鈉與氧氣接觸燃燒的條件。氣體的純度、壓力維持和監(jiān)測(cè)是確保此屏障有效的關(guān)鍵。主動(dòng)與被動(dòng)窒息系統(tǒng):針對(duì)不同火情的“斷氧”戰(zhàn)術(shù)組合01標(biāo)準(zhǔn)區(qū)分了主動(dòng)和被動(dòng)窒息策略。對(duì)于大型鈉房間或包容體,可能設(shè)計(jì)主動(dòng)窒息系統(tǒng),即火災(zāi)時(shí)自動(dòng)或手動(dòng)注入大量惰性氣體,快速降低氧濃度。對(duì)于設(shè)備局部或小型隔間,可能依賴被動(dòng)的封閉空間,通過自然耗氧實(shí)現(xiàn)窒息。設(shè)計(jì)需計(jì)算空間體積、泄漏率、燃燒耗氧速率,以確定合適的窒息容量和時(shí)機(jī)。02窒息效果的安全評(píng)估與潛在風(fēng)險(xiǎn):避免“按下葫蘆浮起瓢”1采用窒息策略必須進(jìn)行全面的安全評(píng)估。快速注入惰性氣體可能導(dǎo)致壓力驟升,威脅結(jié)構(gòu)完整性;窒息過程可能產(chǎn)生不完全燃燒產(chǎn)物;長(zhǎng)期維持惰性環(huán)境對(duì)人員進(jìn)入檢修提出特殊要求。標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計(jì)需平衡滅火有效性與次生風(fēng)險(xiǎn),確保窒息系統(tǒng)本身不會(huì)引發(fā)新的、更嚴(yán)重的設(shè)備損壞或安全挑戰(zhàn)。2捕捉與冷卻:鈉火探測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)前沿與高效鈉收集冷卻設(shè)施的布局要訣多參數(shù)、多冗余的鈉火探測(cè)網(wǎng)絡(luò):打造全天候“火情哨兵”A早期、可靠探測(cè)是控制鈉火后果的生命線。標(biāo)準(zhǔn)要求建立基于不同原理(如火焰光學(xué)探測(cè)、溫度探測(cè)、煙氣探測(cè)、氣壓探測(cè))的冗余探測(cè)網(wǎng)絡(luò)。這些探測(cè)器應(yīng)布置在所有潛在火災(zāi)區(qū)域的關(guān)鍵位置,并考慮火災(zāi)類型(池火產(chǎn)生強(qiáng)熱輻射,噴霧火可能先產(chǎn)生壓力波)對(duì)探測(cè)器選型和布置的影響,確保無盲區(qū)、高可靠性。B鈉收集罐的設(shè)計(jì)哲學(xué):非簡(jiǎn)單容器,而是集成冷卻與隔離的安全終端收集泄漏或滅火后鈉液的收集罐,是縱深防御中的重要環(huán)節(jié)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定其設(shè)計(jì)需考慮容量(能容納最大可信泄漏量)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、耐高溫和熱沖擊性能。更重要的是,它通常集成有冷卻系統(tǒng)(如風(fēng)冷或水冷夾套),確保收集到的液態(tài)鈉或鈉燃燒產(chǎn)物被持續(xù)冷卻至安全溫度以下,防止復(fù)燃或?qū)摅w造成熱損傷。冷卻能力的安全裕度分析與長(zhǎng)期可靠性保障01收集罐及其冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須有充分的安全裕度。標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行熱工水力分析,計(jì)算在最不利工況下(如最大泄漏率、最高初始鈉溫、冷卻系統(tǒng)單側(cè)失效等),罐內(nèi)溫度和壁溫的瞬態(tài)變化,確保始終低于材料允許限值。同時(shí),冷卻系統(tǒng)自身的可靠性(如冗余電源、定期測(cè)試維護(hù))必須得到嚴(yán)格保障。02熱力沖擊波:鈉火對(duì)結(jié)構(gòu)與設(shè)備的熱負(fù)荷與機(jī)械負(fù)荷影響深度評(píng)估鈉火熱輻射與對(duì)流換熱模型:量化“烘烤”效應(yīng)01標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)鈉火場(chǎng)景下的熱負(fù)荷進(jìn)行定量分析。這包括建立池火或噴霧火的火焰模型,計(jì)算其對(duì)周圍墻壁、天花板、樓板以及鄰近設(shè)備(如電纜橋架、管道支架、安全級(jí)設(shè)備)的熱輻射通量和對(duì)流換熱系數(shù)。這些數(shù)據(jù)是判斷結(jié)構(gòu)完整性是否受損、設(shè)備功能是否喪失(如電纜絕緣失效)的依據(jù),直接關(guān)系到事故的升級(jí)邊界。02壓力脈沖與沖擊載荷:噴霧火特有的“內(nèi)爆”風(fēng)險(xiǎn)01鈉噴霧火因其迅速燃燒特性,可能在密閉或半密閉空間內(nèi)產(chǎn)生快速的壓力上升,形成壓力脈沖或沖擊波。標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)此類動(dòng)態(tài)載荷進(jìn)行評(píng)估。這涉及到燃燒速率、空間泄壓能力、壓力波傳播的復(fù)雜計(jì)算。沖擊載荷可能對(duì)墻體、門窗、通風(fēng)管道造成瞬間的機(jī)械破壞,進(jìn)而影響空間包容性,設(shè)計(jì)必須考慮其峰值和持續(xù)時(shí)間。02高溫下的材料性能退化與結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析1在鈉火產(chǎn)生的高溫環(huán)境下,鋼材等結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能(如屈服強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度)會(huì)顯著下降。標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行高溫下的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析,評(píng)估承重構(gòu)件在熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷聯(lián)合作用下的應(yīng)力、變形和穩(wěn)定性。同時(shí),需考慮熱應(yīng)力循環(huán)導(dǎo)致的疲勞損傷,確保即使在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)鈉火事件后,主要安全屏障仍能保持其安全功能。2化學(xué)與毒理:鈉燃燒產(chǎn)物的化學(xué)危害及對(duì)人員與環(huán)境的防護(hù)設(shè)計(jì)考量鈉燃燒產(chǎn)物的成分與形態(tài):不僅僅是氧化鈉01鈉在空氣中燃燒,主要生成氧化鈉(Na2O)和過氧化鈉(Na2O2)。這些產(chǎn)物通常以氣溶膠(煙霧)或固體粉塵形式存在。標(biāo)準(zhǔn)指出,燃燒產(chǎn)物的具體成分和形態(tài)取決于燃燒條件(溫度、氧氣濃度)。它們具有強(qiáng)堿性、腐蝕性和吸濕性,可能對(duì)設(shè)備、電氣接頭造成腐蝕,吸入后對(duì)人體呼吸道有強(qiáng)烈刺激和腐蝕作用。02廠房?jī)?nèi)氣溶膠的遷移與沉積:看不見的“腐蝕性云霧”鈉火產(chǎn)生的氣溶膠會(huì)在通風(fēng)氣流或熱羽流作用下在廠房?jī)?nèi)遷移,并可能沉積在設(shè)備表面,尤其是冷卻后。標(biāo)準(zhǔn)要求分析氣溶膠的擴(kuò)散路徑和沉積區(qū)域,評(píng)估其對(duì)非事故區(qū)域設(shè)備(特別是安全重要設(shè)備,如儀控柜、應(yīng)急電源)的長(zhǎng)期腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。設(shè)計(jì)需考慮設(shè)置過濾凈化裝置或?qū)﹃P(guān)鍵區(qū)域采取正壓密封防護(hù)。環(huán)境釋放的防控與應(yīng)急監(jiān)測(cè)計(jì)劃01盡管通過包容設(shè)計(jì)將鈉火后果限制在廠房?jī)?nèi)是首要目標(biāo),但標(biāo)準(zhǔn)仍要求考慮極端情況下放射性物質(zhì)(如被鈉火夾帶的放射性鈉活化產(chǎn)物或燃料包殼破損產(chǎn)物)通過煙囪或通風(fēng)口釋放至環(huán)境的潛在風(fēng)險(xiǎn)。因此,需設(shè)計(jì)高效的通風(fēng)過濾系統(tǒng)(如高效粒子空氣過濾器),并制定配套的環(huán)境應(yīng)急監(jiān)測(cè)計(jì)劃,以評(píng)估和應(yīng)對(duì)任何可能的場(chǎng)外影響。02應(yīng)急響應(yīng)藍(lán)圖:從設(shè)計(jì)階段融入的鈉火事故管理策略與操作規(guī)程精要設(shè)計(jì)基準(zhǔn)與超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)鈉火事故的區(qū)分管理1標(biāo)準(zhǔn)要求明確區(qū)分設(shè)計(jì)基準(zhǔn)鈉火事故和考慮嚴(yán)重事故的鈉火工況。對(duì)于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故,必須有明確的、經(jīng)過驗(yàn)證的工程安全設(shè)施(如上述的探測(cè)、窒息、收集系統(tǒng))來自動(dòng)或手動(dòng)應(yīng)對(duì)。對(duì)于超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)或嚴(yán)重事故中的鈉火,則應(yīng)制定相應(yīng)的事故管理指南,包括使用非專設(shè)設(shè)施進(jìn)行干預(yù)的策略,以進(jìn)一步緩解后果。2主控室的人因工程與決策支持信息顯示1鈉火應(yīng)急響應(yīng)高度依賴主控室操縱員的判斷和操作。標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào),人機(jī)界面設(shè)計(jì)必須為操縱員提供清晰、及時(shí)、關(guān)鍵的鈉火狀態(tài)信息,包括火災(zāi)位置、類型、探測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)、關(guān)鍵安全設(shè)備狀態(tài)(如通風(fēng)隔離閥狀態(tài)、窒息氣體壓力)等。報(bào)警和顯示應(yīng)幫助操縱員快速診斷情況,執(zhí)行正確的操作規(guī)程,避免信息過載或誤判。2應(yīng)急操作規(guī)程的層次化與人員培訓(xùn)演練要求01鈉火的應(yīng)急響應(yīng)規(guī)程應(yīng)層次清晰,從自動(dòng)動(dòng)作、主控室立即行動(dòng)到現(xiàn)場(chǎng)消防隊(duì)干預(yù),逐級(jí)展開。標(biāo)準(zhǔn)隱含了對(duì)規(guī)程完備性和人員培訓(xùn)的高要求。規(guī)程必須基于詳細(xì)的事故分析,明確行動(dòng)步驟、條件和權(quán)限。所有相關(guān)運(yùn)行、維護(hù)和應(yīng)急人員必須定期接受培訓(xùn)和實(shí)戰(zhàn)演練,熟悉鈉的特性、火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)及具體應(yīng)對(duì)措施。02驗(yàn)證與確信:鈉火安全分析的方法論、關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與安全審評(píng)要點(diǎn)鈉火安全分析的方法與工具:從經(jīng)驗(yàn)公式到CFD模擬01標(biāo)準(zhǔn)背后依賴一套完整的鈉火安全分析方法。這包括使用經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行初步估算,以及運(yùn)用先進(jìn)的計(jì)算流體力學(xué)軟件進(jìn)行三維、多物理場(chǎng)的精細(xì)模擬(如燃燒、流動(dòng)、傳熱、化學(xué)反應(yīng)耦合)。分析需覆蓋從泄漏、點(diǎn)火、燃燒發(fā)展到滅火的全過程,為安全設(shè)施的設(shè)計(jì)容量和效能提供量化依據(jù)。02國(guó)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的借鑒與本土化驗(yàn)證的必要性鈉火安全設(shè)計(jì)的許多關(guān)鍵參數(shù)(如鈉燃燒速率、噴霧燃燒效率、氣溶膠生成率等)源于大規(guī)模實(shí)驗(yàn)。標(biāo)準(zhǔn)本身凝結(jié)了國(guó)際(如美、日、法、俄)多年來的實(shí)驗(yàn)研究成果。應(yīng)用該標(biāo)準(zhǔn)時(shí),需充分理解和借鑒這些國(guó)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),同時(shí)考慮本國(guó)具體設(shè)計(jì)特點(diǎn),必要時(shí)通過實(shí)驗(yàn)或小規(guī)模試驗(yàn)進(jìn)行關(guān)鍵現(xiàn)象的驗(yàn)證和確認(rèn)。安全分析報(bào)告的結(jié)構(gòu)與安全審評(píng)中的關(guān)注焦點(diǎn)一份完整的鈉火安全分析報(bào)告是安全審評(píng)的核心文件。標(biāo)準(zhǔn)要求報(bào)告需系統(tǒng)闡述設(shè)計(jì)基準(zhǔn)、假設(shè)、分析方法、輸入數(shù)據(jù)、計(jì)算過程和結(jié)論。審評(píng)方會(huì)重點(diǎn)關(guān)注:設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的合理性、分析模型的保守性、關(guān)鍵參數(shù)的不確定性處理、安全設(shè)施的冗余性和可靠性論證,以及最終結(jié)論是否證明風(fēng)險(xiǎn)可控并滿足法規(guī)要求。未來瞭望:邁向更高安全等級(jí)——鈉火安全技術(shù)的演進(jìn)趨勢(shì)與挑戰(zhàn)前瞻智能化監(jiān)測(cè)與預(yù)警:物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)在鈉火防控中的應(yīng)用前景未來鈉火安全將更加依賴智能化技術(shù)。通過在關(guān)鍵設(shè)備布置振動(dòng)、聲發(fā)射、分布式光纖測(cè)溫等傳感器,結(jié)合大數(shù)據(jù)分析和人工智能算法,有望實(shí)現(xiàn)鈉泄漏和火災(zāi)的極早期預(yù)警,甚至預(yù)測(cè)性維護(hù)。智能系統(tǒng)還能在事故中優(yōu)化應(yīng)急策略,為操縱員提供動(dòng)態(tài)決策支持,提升整體安全水平。新型耐火與防護(hù)材料的研發(fā):提升屏障的“被動(dòng)安全”性能材

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