陳 妍，付陟瑋，靖劍平，張春明，劉洪泉

（1.環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京 100082；2.北方電子設(shè)備研究所，北京 100083）

核電廠概率安全評(píng)價(jià)（Probabilistic Safety Assessment，PSA）能夠系統(tǒng)的分析核電廠的風(fēng)險(xiǎn)，并識(shí)別對(duì)電廠風(fēng)險(xiǎn)有重要貢獻(xiàn)的因素，即確認(rèn)對(duì)電廠風(fēng)險(xiǎn)有重要貢獻(xiàn)的始發(fā)事件、部件失效、人員失誤、事件序列及系統(tǒng)等。因此，一方面，PSA可以優(yōu)化核電廠的設(shè)計(jì)，通過冗余、多樣性等設(shè)計(jì)，使電廠的風(fēng)險(xiǎn)滿足安全目標(biāo)；另一方面，PSA可用于運(yùn)行電廠的風(fēng)險(xiǎn)管理，通過改進(jìn)電廠的在役試驗(yàn)、設(shè)備分級(jí)、維修等活動(dòng)[1－3］，控制運(yùn)行電廠的風(fēng)險(xiǎn)。

在這些活動(dòng)中，可以利用PSA中重要度的概念（也稱為安全／風(fēng)險(xiǎn)重要度，其描述對(duì)電廠安全的影響程度），定量的對(duì)核電廠的構(gòu)筑物、系統(tǒng)和部件（SSC）按照重要度進(jìn)行排序并分類，然后對(duì)SSC采取與其重要度相適應(yīng)的管理措施。這樣可以幫助設(shè)計(jì)、運(yùn)行、維修、監(jiān)管人員把資源集中于重要物項(xiàng)，使電廠在滿足安全目標(biāo)的同時(shí)將有限的資源得到優(yōu)化配置。在PSA中，可以定義不同表達(dá)式的重要度[4］，這些不同的重要度參數(shù)從不同的角度審視了基本事件（或系統(tǒng)）在不同狀態(tài)（配置）下對(duì)核電廠風(fēng)險(xiǎn)的影響?；臼录ㄊ及l(fā)事件、部件失效、人員失誤和共因失效等。本文將重點(diǎn)探討PSA中基本事件的重要度含義及其在風(fēng)險(xiǎn)指引型管理中的應(yīng)用。

本文首先依據(jù)基本事件各種重要度的定義，研究各種重要度之間的關(guān)系，然后重點(diǎn)討論FV（Fussell－Vesely importance，F(xiàn)V）重要度和風(fēng)險(xiǎn)增加當(dāng)量（Risk Achievement Worth，RAW）兩個(gè)重要度的含義，并介紹其在在役試驗(yàn)和設(shè)備分級(jí)活動(dòng)中的應(yīng)用，最后討論目前PSA重要度分析的局限性。

1 幾種重要度的定義

PSA分析電廠風(fēng)險(xiǎn)一般是通過計(jì)算割集概率的方法得到。在PSA分析基本事件的重要度時(shí)，電廠的風(fēng)險(xiǎn)可描述為：

其中：R（X）是電廠的風(fēng)險(xiǎn)，一般用堆芯損壞頻率（CDF）或早期大量放射性釋放頻率（LERF）度量；X＝（x1，…，xi，…xn）表述所有基本事件的集合，C表示所有最小割集，Ci表示包含基本事件xi的所有最小割集，（C－Ci）表示不包含基本事件xi的所有最小割集，K（Ci）表示由Ci造成的風(fēng)險(xiǎn)，L（C－Ci）表示不包含Ci造成的風(fēng)險(xiǎn)；從（1）式中，可以定義不同的重要度，從而反映基本事件在特定的狀態(tài)下對(duì)電廠風(fēng)險(xiǎn)的影響。表1中列出常用的幾種重要度[4］。

表1 幾種重要度的定義Table1 Risk importance measures

續(xù)表

其中：pi為xi基本事件的概率（對(duì)頻率型事件指頻率），定義pi＝1為基本事件失效，pi＝0為基本事件的完全可靠（不可用度為0）；R0是電廠的基準(zhǔn)風(fēng)險(xiǎn)（參考風(fēng)險(xiǎn)），Ri＋是基本事件xi的概率為1下的電廠風(fēng)險(xiǎn)，Ri－是基本事件xi的概率為0時(shí)的電廠風(fēng)險(xiǎn)。從表1中可以看出RR、RA和BI是風(fēng)險(xiǎn)的差值，一般稱為絕對(duì)風(fēng)險(xiǎn)變化值；FV、RRW和RAW是風(fēng)險(xiǎn)比值，一般稱為相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)當(dāng)量；BI與基本事件的概率無關(guān)；并可以得到以下關(guān)系：

從上式可以看出FV等效RRW；RAW等效RA；BI是PD的特殊形式。因此，重要度參數(shù)可以用FV、RAW和PD表示。

為了深入理解FV、RAW重要度的含義，以CDF中基本事件重要度定義為例進(jìn)行分析[1］。假設(shè)在某一時(shí)刻，只有一個(gè)基本事件的概率發(fā)生變化。同時(shí)，盡管此基本事件可能處在多個(gè)事件序列中，但在每個(gè)序列、每個(gè)最小割集中，基本事件xi只出現(xiàn)一次，因此（1）式可以簡化表示成：

其中，p為基本事件xi的概率，a×p是所有包含基本事件xi的風(fēng)險(xiǎn)，b代表不含xi的其他事件造成的風(fēng)險(xiǎn)。a反映了始發(fā)事件頻率和xi相關(guān)的其他SSC的基本事件的不可用度。若a值大，表明需要xi的始發(fā)事件頻率高，或者在相同事件序列中的其他SSC的基本事件不可用度大。同時(shí)，a值可以衡量當(dāng)p變化時(shí)，與xi相聯(lián)系的SSC的功能冗余或縱深防御程度。a值大，表明冗余度低，即當(dāng)xi失效（p＝1）時(shí)，剩余的SSC縱深防御不夠，使系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)有較大增加。反之，a值小，表明與xi相聯(lián)系的SSC冗余度高，即使xi失效，也能夠提供足夠的縱深防御，使系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)增加較小。在（5）式的假設(shè)下各重要度表達(dá)式如下：

因此，常用FV和RAW這兩種重要度評(píng)價(jià)基本事件的重要性。其中（8）式和（9）式的相等關(guān)系是在（5）式的假設(shè)下成立的，對(duì)于同時(shí)發(fā)生多個(gè)基本事件中需要另行計(jì)算。

此外，系統(tǒng)重要度計(jì)算與基本事件重要度計(jì)算方法相似，例如可以通過將系統(tǒng)的失效概率設(shè)為1，即將模型中相關(guān)系統(tǒng)故障樹的頂事件設(shè)置為“失效”，對(duì)CDF重新計(jì)算求得系統(tǒng)的重要度。

2 FV和RAW的含義

從（6）式中可以看出，F(xiàn)V衡量當(dāng)前包含xi基本事件的所有割集的風(fēng)險(xiǎn)占基準(zhǔn)風(fēng)險(xiǎn)的比例。當(dāng)ap≤b時(shí)，，F(xiàn)V正比于p，即基本事件的不可用度直接影響堆芯損壞頻率。因此，有文獻(xiàn)把FV稱為風(fēng)險(xiǎn)重要性參數(shù)（Risk significance）[5］。EPRI[6］提出 FV＞0.5%的部件以及FV＞5%的系統(tǒng)是風(fēng)險(xiǎn)重要的。

從（7）式中可以看出，RAW衡量當(dāng)基本事件xi因?yàn)槭?、試?yàn)或維修等不可用時(shí)（p＝1），其需要返回到工作狀態(tài)的迅速程度的要求。RAW重要度大，則要求試驗(yàn)、維修或失效的時(shí)間短，希望盡快使之恢復(fù)到工作狀態(tài)。當(dāng)ap≤b時(shí)，，與p無關(guān)，即RAW正比于a，反映了當(dāng)xi失效后剩余系統(tǒng)的縱深防御能力。因此，有文獻(xiàn)把RAW稱為安全重要性參數(shù)（Safety significance）。若 RAW＞2[6］，即若基本事件失效將使系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)增加一倍以上，則判斷此基本事件代表的SSC是安全重要的。

在美國10CFR 50.69SSC[7］的風(fēng)險(xiǎn)指引分類中提出 “安全重要功能”（Safety significant function），其定義為當(dāng)SSC的功能退化或失去時(shí)，對(duì)縱深防御、安全裕度或風(fēng)險(xiǎn)造成顯著影響的SSC，統(tǒng)稱為有安全重要功能的SSC。在此定義下，安全重要功能涵蓋了風(fēng)險(xiǎn)重要和安全重要，即FV＞0.5%或RAW＞2的SSC都具有“安全重要功能”。

FV取分界值0.5%主要因?yàn)樵赑SA分析技術(shù)中，割集的截?cái)嘞拗担╰runcation limit）通常低于CDF三到四個(gè)量級(jí)，即（10－3～10－4）CDF。若FV大于0.5%，表明SSC對(duì)CDF有貢獻(xiàn)（不應(yīng)該被截?cái)啵J(rèn)為其是風(fēng)險(xiǎn)重要的。RAW取分界值2也與截?cái)嘞拗涤嘘P(guān)，同時(shí)若CDF約10－5／（堆·年），當(dāng) CDF增加大于一倍，即RAW＞2，意味著 ΔCDF＞10－5／（堆·年），不符合ΔCDF＜10－5／（堆·年）的可接受準(zhǔn)則。另外，基本事件的FV和RAW的計(jì)算結(jié)果會(huì)因計(jì)算時(shí)截?cái)嗟娜≈挡煌煌琜8］。由此可以看到，若PSA割集截?cái)嘞拗蹈淖兓颚DF的要求改變，重要度的分界值會(huì)相應(yīng)調(diào)整；同時(shí)合理的截?cái)嘀祵⒈Ｕ蟂SC重要度計(jì)算數(shù)值的一致性。

以下對(duì)單個(gè)基本事件發(fā)生情景下的FV和RAW的取值做定量分析討論。

a＞b時(shí)的RAW和p，k的關(guān)系如圖1所示，點(diǎn)線表示RAW＝2，點(diǎn)線下方表示RAW＞2，點(diǎn)線的上方表示RAW＜2；

圖1 RAW和FV與k、p的關(guān)系Fig．1 RAW（k，p）and FV（k，p）

因此，僅當(dāng)0＜k＜1即a＞b時(shí)，存在FV＜0．5%，RAW＞2的SSC。同時(shí)，RAW 隨著k的減小和p的減小而增大，如圖2所示。即若a越大于b，p越小，RAW越大。

圖2 不同RAW和FV與k、p的關(guān)系Fig．2 p－k Curves of Different RAW ＆ FV

依據(jù)FV＞0．5%或RAW＞2的安全重要對(duì)SSC分類時(shí)，若a≤b時(shí)，RAW≤2，可以只按FV對(duì)SSC進(jìn)行分類或排序；當(dāng)a＞b時(shí)，綜合FV和RAW共同排序。多個(gè)基本事件同時(shí)發(fā)生情景下的FV和RAW定量分析相對(duì)復(fù)雜但方法類似。

在實(shí)際應(yīng)用中，也常用ΔCDF／CDF計(jì)算基本事件的影響。對(duì)單個(gè)基本事件：

若某一時(shí)刻同時(shí)發(fā)生多個(gè)基本事件，多用ΔCDF／CDF評(píng)價(jià)其綜合造成的風(fēng)險(xiǎn)增量：

綜上，常用FV、RAW和ΔCDF作為風(fēng)險(xiǎn)指引型管理中SSC的重要度參數(shù)。

3 重要度的應(yīng)用

3．1 在役試驗(yàn)

在役試驗(yàn)的目的是檢查SSC的潛在失效，以保證其SSC在需要投入使用時(shí)的可靠性和安全性。傳統(tǒng)的在役試驗(yàn)（頻率和方法）是根據(jù)確定論對(duì)電廠安全采取的直觀評(píng)價(jià)或經(jīng)驗(yàn)評(píng)價(jià)確定的。而在風(fēng)險(xiǎn)指引型管理中，使用PSA的重要度對(duì)SSC進(jìn)行分類：對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)重要的SSC維持或增加試驗(yàn)頻率，對(duì)低風(fēng)險(xiǎn)重要的SSC可以適當(dāng)延長試驗(yàn)間隔；這樣可以優(yōu)化試驗(yàn)頻率，把有效的資源集中到較高風(fēng)險(xiǎn)的SSC上，提高在役試驗(yàn)的有效性。

基于風(fēng)險(xiǎn)指引型的在役試驗(yàn)方法，通常利用基本事件的FV和RAW值對(duì)核電廠的部件進(jìn)行分類，如圖3所示。

圖3 在役試驗(yàn)中部件分類Fig．3 Quadrant plot for component importance

值得注意的是，對(duì)B區(qū) （FV＜0．005，RAW＞2）中的部件，盡管其目前風(fēng)險(xiǎn)小，但若失效，短期內(nèi)CDF有明顯增加，即在役與否，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)有重要影響。因此，在Comanche Peak Steam[1］核電廠的IST項(xiàng)目中，最初將B區(qū)部件設(shè)為中等安全重要，但之后考慮B區(qū)的特殊性，把B區(qū)設(shè)定為安全重要。由于PSA的計(jì)算結(jié)果有不確定性，因此在FV＝0.5% 或RAW＝2附近的SSC需要結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)謹(jǐn)慎地考慮其分類。鑒于FV近似正比于基本事件的不可用度，RAW與基本事件的不可用度呈弱相關(guān)性，因此主要應(yīng)用FV確定在役試驗(yàn)的頻率。在役試驗(yàn)中SSC分類和采取的措施如表2所示。

表2 在役試驗(yàn)中部件分類和采取的措施Table2 Information in importance measures[4］

此外，在重要度分析的過程中，PSA需要完備的模型和可靠的數(shù)據(jù)，以及需要考慮多個(gè)SSC在延長在役試驗(yàn)時(shí)間間隔后對(duì)電廠風(fēng)險(xiǎn)造成的累積的影響；同時(shí)需要結(jié)合確定論和專家組意見，共同確定SSC的分類和延長試驗(yàn)間隔的可行性。Comanche Peak Steam核電廠對(duì)619個(gè)部件進(jìn)行研究，151個(gè)部件是高FV的部件，468個(gè)部件為低FV部件。TU Electric分析若這468個(gè)部件的試驗(yàn)間隔從季度變?yōu)?年，則ΔCDF／CDF＝13%，在基準(zhǔn)CDF為5.72×10－5／（堆·年）的情況下，此風(fēng)險(xiǎn)增量是可以接受的[1］。在San Onofre核電廠中，IST計(jì)劃包括1 136個(gè)部件，180個(gè)是高FV部件，665個(gè)是低FV、低RAW部件，55個(gè)是低FV與高RAW部件。經(jīng)過綜合評(píng)價(jià)最后提出按季度試驗(yàn)部件由原來的974個(gè)降至282個(gè)，冷停堆狀態(tài)下的試驗(yàn)部件由625個(gè)降至83個(gè)，換料試驗(yàn)部件由772個(gè)降至214個(gè)。

3.2 設(shè)備分級(jí)

傳統(tǒng)的SSC分級(jí)是以確定論縱深防御原則為基礎(chǔ)，根據(jù)其是否執(zhí)行“反應(yīng)性控制、余熱導(dǎo)出、放射性包容”三大安全功能，把SSC分成安全相關(guān)SSC和非安全相關(guān)SSC，屬于安全相關(guān)的SSC需要執(zhí)行“特殊的處理要求”[9］。在風(fēng)險(xiǎn)指引型管理中，設(shè)備分級(jí)的目的是調(diào)整“特殊的處理要求”SSC的范圍，使資源集中到安全重要的SSC上，因?yàn)榉前踩?jí)的SSC也有可能是安全重要的。在South Texas項(xiàng)目中，用基本事件的FV和RAW重要度把SSC分成三大類：高（HSS）、中（MSS）和低（LSS）。其中，MSS 分 為 MSS－1 和 MSS－2，MSS－2 是RAW＞10的低FV的SSC，需要對(duì)其深入評(píng)價(jià)。分類如圖4（排序和分類時(shí)考慮了CDF和LERF）所示。

圖4 質(zhì)保分級(jí)中部件分類Fig.4 Component safety－significance categorization

同時(shí)，South Texas依據(jù)SSC分類確定了與之匹配的三個(gè)質(zhì)量保證（QA）程序[1］，分別是全面（Full），基礎(chǔ)（Basic）和關(guān)注（Targeted）三種QA。其中，全面級(jí)是確保安全相關(guān)且安全重要度高的SSC的設(shè)計(jì)性能保持不變的質(zhì)保程序；基礎(chǔ)級(jí)是應(yīng)用于安全相關(guān)但是安全重要度較低的SSC的質(zhì)保程序；關(guān)注級(jí)應(yīng)用于非安全相關(guān)的SSC。需要指出，采用關(guān)注程序的部件，這些部件將有可能采用全面或基礎(chǔ)質(zhì)保程序。對(duì)安全相關(guān)和非安全相關(guān)的部件依照重要度分類后相應(yīng)的QA控制程序，如表3所示。

表3 部件安全重要度分類及其相應(yīng)的QA控制程序Table3 Safety significance categories and related QA control program

續(xù)表

South Texas對(duì)26個(gè)系統(tǒng)的38 043個(gè)部件進(jìn)行分析研究，結(jié)果如表4所示。經(jīng)過分類，91%的部件不需要全面級(jí)的質(zhì)量保證，約2%的非安全相關(guān)的部件需要加強(qiáng)質(zhì)量保證。需要注意的是，PSA的分析結(jié)果需要和工程判斷等結(jié)論一起綜合確定與SSC相配的質(zhì)量保證活動(dòng)。

表4 South Texas的部件的分類Table4 Numbers of components by safetysignificance categories of south texas

4 重要度的應(yīng)用

綜上，PSA的重要度分析已經(jīng)成為核電廠的風(fēng)險(xiǎn)指引型管理的主要方法之一。FV和RAW重要度在風(fēng)險(xiǎn)指引型的管理中能夠?qū)穗姀S的SSC分類有定量指導(dǎo)作用。應(yīng)用FV和RAW對(duì)SSC排序和分類，并對(duì)不同重要度的SSC采取與之相配的在役試驗(yàn)、設(shè)備分級(jí)等措施活動(dòng)，可以幫助電廠和監(jiān)管人員集中資源于重要物項(xiàng)，使電廠滿足安全目標(biāo)的同時(shí)將有限的資源優(yōu)化配置。此外重要度分析還可用于改進(jìn)電廠設(shè)計(jì)、優(yōu)化電廠狀態(tài)配置、維修和風(fēng)險(xiǎn)指引型監(jiān)管等活動(dòng)中。

隨著PSA技術(shù)的發(fā)展和核電廠應(yīng)用PSA的實(shí)踐需求，有必要更深入的研究重要度的適用范圍，考慮在重要度分析中SSC的重要度計(jì)算結(jié)果的不確定度以及計(jì)算時(shí)割集截?cái)嗳≈档倪m當(dāng)性，同時(shí)注意重要度的分界值可能隨著截?cái)嘞拗狄蠡颚DF安全要求的變化而改變。此外，最近有文獻(xiàn)深入研究多個(gè)基本事件同時(shí)發(fā)生時(shí)的重要度計(jì)算以及共因失效事件的重要度計(jì)算方法；也有文獻(xiàn)研究定義新的重要度DIM[10，11］，其主要特點(diǎn)是多個(gè)基本事件的重要度具有可加性，但其判斷準(zhǔn)則還尚未給出。因此，目前PSA重要度分析還具有一定的局限性，需要進(jìn)一步深入研究，使重要度分析在核電廠風(fēng)險(xiǎn)指引導(dǎo)型管理中的應(yīng)用更加可信有效。

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