何 劼，劉 濤，張忞雋，童節(jié)娟

(1.上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海 200233；2.清華大學(xué) 核能與新能源技術(shù)研究院，北京 100084；3.中科華核電技術(shù)研究院 上海分院，上海 200030)

隨著世界核電的發(fā)展，很多廠址建有兩個(gè)或兩個(gè)以上的反應(yīng)堆機(jī)組，單機(jī)組核電廠更加少見。根據(jù)我國(guó)《核動(dòng)力廠環(huán)境輻射防護(hù)規(guī)定》[1]中定義，多機(jī)組(多堆)廠址是指一個(gè)廠址建有兩個(gè)以上反應(yīng)堆且各反應(yīng)堆之間距離小于5 km的核動(dòng)力廠廠址。日本福島核事故后，如何評(píng)估多機(jī)組電廠的總體風(fēng)險(xiǎn)以及機(jī)組之間的相關(guān)性等熱點(diǎn)問題成為核電廠概率安全評(píng)價(jià)(PSA)的新課題。目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)評(píng)價(jià)多機(jī)組電廠總體風(fēng)險(xiǎn)詳細(xì)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)或?qū)t。

美國(guó)核管會(huì)(NRC)提出了核電廠的安全目標(biāo)[2]：1) 對(duì)于在核電廠廠區(qū)邊界上的個(gè)體，其急性死亡的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)小于其他原因引起的風(fēng)險(xiǎn)總和的0.1%；2) 對(duì)于在核電廠周邊的公眾，其癌癥死亡的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)小于其他原因引起的風(fēng)險(xiǎn)總和的0.1%。對(duì)于多機(jī)組廠址，應(yīng)確保整個(gè)廠址的總體風(fēng)險(xiǎn)能滿足上述安全目標(biāo)，因從公眾安全的角度講，周邊的公眾是暴露在整個(gè)廠址所有機(jī)組帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)中，而不僅是其中某臺(tái)機(jī)組。因此，需定量評(píng)價(jià)多機(jī)組電廠的總體風(fēng)險(xiǎn)。

一級(jí)PSA是二、三級(jí)PSA的基礎(chǔ)，如何建立多機(jī)組核電廠的一級(jí)PSA模型是評(píng)價(jià)核電廠是否滿足安全目標(biāo)的第1步工作。本文嘗試對(duì)單機(jī)組一級(jí)PSA方法進(jìn)行拓展，用以評(píng)價(jià)多機(jī)組電廠的一級(jí)PSA總體風(fēng)險(xiǎn)。

1 方法介紹

與單機(jī)組PSA方法類似，多機(jī)組電廠的PSA分析過程也包含內(nèi)部事件、內(nèi)部災(zāi)害和外部災(zāi)害情景下的分析。與單機(jī)組PSA模型不同之處在于多機(jī)組電廠的PSA模型須考慮機(jī)組間的相關(guān)性。機(jī)組間的相關(guān)性主要包括：1) 多個(gè)機(jī)組共用設(shè)施；2) 機(jī)組間設(shè)備的共因失效；3) 多個(gè)機(jī)組的地域相關(guān)性[3]。在多機(jī)組電廠PSA模型中這3個(gè)方面均應(yīng)體現(xiàn)。

1.1 基準(zhǔn)模型的建立

研究多機(jī)組電廠的總體風(fēng)險(xiǎn)首先要建立包含多個(gè)機(jī)組的內(nèi)部事件基準(zhǔn)模型(下稱基準(zhǔn)模型)?；鶞?zhǔn)模型是指僅考慮內(nèi)部事件情況下的模型(不包括內(nèi)部水淹和內(nèi)部火災(zāi))，它是分析各種事故情景的基礎(chǔ)。內(nèi)部災(zāi)害和外部災(zāi)害的分析將以基準(zhǔn)模型為藍(lán)本，根據(jù)不同災(zāi)害情景特點(diǎn)進(jìn)行修改，開展災(zāi)害情況下的PSA分析。針對(duì)反應(yīng)堆的不同工況，基準(zhǔn)模型可分為功率運(yùn)行模型和低功率停堆模型，建模過程均需注意以下幾個(gè)方面。

1) 在始發(fā)事件(IE)分析中，仍可采用傳統(tǒng)的始發(fā)事件識(shí)別方法，將識(shí)別出的始發(fā)事件清單分為：(1) 會(huì)同時(shí)影響多個(gè)機(jī)組的始發(fā)事件；(2) 在一定條件下會(huì)影響多個(gè)機(jī)組的始發(fā)事件；(3) 只影響單個(gè)機(jī)組的始發(fā)事件(表1)。除共用系統(tǒng)、設(shè)備外，可能同時(shí)影響廠址上多個(gè)反應(yīng)堆的始發(fā)事件還包括外部水淹、地震、海嘯等外部災(zāi)害，但外部災(zāi)害導(dǎo)致每個(gè)核設(shè)施的事故序列一般有差異。

表1 多機(jī)組廠址的始發(fā)事件類別示例

2) 針對(duì)多機(jī)組PSA的事故序列分析仍可采用事件樹方法。事故序列分析的目的是建立整個(gè)核電廠的事件序列，既要考慮影響單個(gè)機(jī)組又要考慮影響多個(gè)機(jī)組的事件序列，從而得到堆芯損傷狀態(tài)的評(píng)價(jià)結(jié)果[4]。

3) 應(yīng)在同一PSA模型中為每個(gè)機(jī)組均建立各自的基本事件、可靠性參數(shù)、共因事件組、故障樹以及各種后處理規(guī)則，建模過程與單機(jī)組的PSA建模一致，可參考有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或?qū)t[5-6]。

4) 根據(jù)電廠設(shè)計(jì)，了解各機(jī)組共用的設(shè)施，對(duì)于共用設(shè)施失效可建立共用的基本事件和故障樹以供每個(gè)機(jī)組調(diào)用。對(duì)于多機(jī)組共用的設(shè)備應(yīng)注意其可靠性參數(shù)與一般的單機(jī)組設(shè)備是否存在差異，確保PSA模型的輸入數(shù)據(jù)與真實(shí)情況盡可能接近。如果機(jī)組之間存在不利作用，可在模型中適當(dāng)增加相應(yīng)設(shè)備的失效概率。

5) 不同機(jī)組上如果有相同生產(chǎn)廠商、相同設(shè)計(jì)、相似運(yùn)行工況的同類部件，應(yīng)考慮這些部件是否存在機(jī)組間共因失效。

6) 如果兩臺(tái)機(jī)組共用同一組現(xiàn)場(chǎng)操縱員，在人員可靠性分析時(shí)應(yīng)考慮在事故情景下人手是否夠用以及同一組操縱員的人員失誤。

7) 在事故情景下如果機(jī)組之間具有相互緩解的功能，在模型中也應(yīng)?；＠缭趩适S外電的情況下機(jī)組之間可互相供電，在PSA模型中也應(yīng)予以考慮。

1.2 內(nèi)部災(zāi)害PSA

每臺(tái)機(jī)組自身的內(nèi)部災(zāi)害分析與單機(jī)組內(nèi)部災(zāi)害分析過程相同；而分析機(jī)組之間的相互影響時(shí)要考慮1臺(tái)機(jī)組發(fā)生的水淹或火災(zāi)事故是否會(huì)漫延到其他機(jī)組的設(shè)備上繼而引發(fā)事故。尤其對(duì)于布置在同一廠房?jī)?nèi)不同機(jī)組的設(shè)備，在計(jì)算水淹或起火頻率時(shí)應(yīng)考慮它們之間的相互影響。

1.3 外部災(zāi)害PSA

常見的外部災(zāi)害有外部水淹、外部火災(zāi)、地震、強(qiáng)風(fēng)以及交通運(yùn)輸事故等。通過計(jì)算災(zāi)害情況下的條件堆芯損傷概率(CCDP)來(lái)分析災(zāi)害事件給電廠帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

由于存在地域相關(guān)性，當(dāng)外部災(zāi)害發(fā)生時(shí)，往往廠區(qū)內(nèi)的所有機(jī)組均同時(shí)受到影響，有關(guān)的始發(fā)事件頻率、設(shè)備失效概率均應(yīng)在PSA模型中進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。如果1臺(tái)機(jī)組的設(shè)施有可能產(chǎn)生飛射物或坍塌影響到其他機(jī)組的設(shè)施，在PSA模型中可適當(dāng)增大那些可能受損設(shè)備的失效概率，甚至設(shè)定為不可用。

1.4 模型的定量化

對(duì)于單機(jī)組PSA模型，一級(jí)PSA通常關(guān)注堆芯損傷頻率(CDF)的定量化結(jié)果。對(duì)于多機(jī)組電廠的模型可定義3類堆芯損傷(CD)定量化結(jié)果。

1) 在不考慮受其他機(jī)組影響的情況下，每個(gè)機(jī)組單獨(dú)的CDF(記為CDFi，其中i表示第i臺(tái)機(jī)組，i=1，2，3，…)。

2) 廠址堆芯損傷頻率，至少1臺(tái)機(jī)組發(fā)生堆芯損傷的頻率(記為CDFu)。

3) 所有機(jī)組均發(fā)生堆芯損傷的頻率(記為CDFc)。

上述3類定量化結(jié)果能體現(xiàn)多機(jī)組電廠在不同方面的風(fēng)險(xiǎn)。CDFi體現(xiàn)了單個(gè)機(jī)組的風(fēng)險(xiǎn)；CDFu體現(xiàn)了整個(gè)電廠的總體風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于公眾，不管哪個(gè)機(jī)組發(fā)生了放射性釋放事故，均將受到放射性物質(zhì)的威脅；CDFc體現(xiàn)了所有機(jī)組均遭受嚴(yán)重事故的風(fēng)險(xiǎn)，例如在外部災(zāi)害情景下多個(gè)機(jī)組均發(fā)生CD的風(fēng)險(xiǎn)。

多機(jī)組電廠的CDFi、CDFu和CDFc往往具有以下關(guān)系：

這是由于機(jī)組間的相關(guān)性所致，例如共用設(shè)施失效的割集在CDF結(jié)果中被合并。以雙機(jī)組電廠為例，CDF1、CDF2、CDFu和CDFc的邏輯關(guān)系如圖1所示。CDFu包含了CDF1、CDF2和CDFc，同時(shí)CDFc是CDF1和CDF2的重疊部分。表2中數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)[3]，是美國(guó)Seabrook核電廠總體PSA結(jié)果，包含兩臺(tái)機(jī)組的PSA模型?？煽闯觯銫DFu為4.3×10-4/(廠址·年)，小于兩倍的CDF1值4.6×10-4/(堆·年)。

A——1號(hào)機(jī)組發(fā)生CD；B——2號(hào)機(jī)組發(fā)生CD；C——兩臺(tái)機(jī)組均發(fā)生CD；D——至少1臺(tái)機(jī)組發(fā)生CD

表2 雙機(jī)組核電廠一級(jí)PSA結(jié)果

CDFc在CDFu中占據(jù)的份額體現(xiàn)了機(jī)組之間相關(guān)性的重要程度。以雙機(jī)組電廠為例，若兩臺(tái)機(jī)組互不相關(guān)，則CDFc與CDFu的比值CDFc/CDFu接近于0，反之則接近于1。當(dāng)PSA模型中無(wú)補(bǔ)事件或補(bǔ)事件取值為1時(shí)，共用設(shè)備的失效概率越大，則CDFc/CDFu的值越大。下面給出數(shù)學(xué)證明。

假設(shè)兩臺(tái)機(jī)組的CDF的最小割集如表3所列，其中C代表兩個(gè)機(jī)組共用設(shè)備失效的1個(gè)基本事件，A1和B1代表1號(hào)機(jī)組獨(dú)立設(shè)備失效的所有基本事件，A2和B2代表2號(hào)機(jī)組獨(dú)立設(shè)備失效的所有基本事件。1號(hào)機(jī)組的所有割集用CB1和A1表示，2號(hào)機(jī)組的所有割集用CB2和A2表示，則CDFc和CDFu的最小割集如表4所列。

表3 雙機(jī)組核電廠每臺(tái)機(jī)組CDF的最小割集示例

表4 雙機(jī)組核電廠CDFc和CDFu的最小割集示例

用P(·)表示基本事件或割集的概率。假定基本事件之間相互獨(dú)立，取1階近似，用稀有事件近似法定量計(jì)算CDF(即最小割集的概率累加)，可得：

稍作變形得：

(1)

∴ 共用設(shè)備C的失效概率越大，則CDFc/CDFu值越大。

對(duì)于多個(gè)共用設(shè)備，也可得到上述結(jié)論，證明從略。

此外，共用設(shè)備C的Fussel-Vesely(FV)重要度越大，則CDFc/CDFu值越大。數(shù)學(xué)證明如下。

假設(shè)在CDFu中基本事件C的FV重要度為FVc，可得：

(2)

于是，根據(jù)式(1)可得：

(1-FVc)

(3)

不同的災(zāi)害情景下CDFc與CDFu的比值可能不同，這體現(xiàn)了機(jī)組間的相關(guān)性在不同的災(zāi)害情景中對(duì)堆芯損傷事故的重要程度不同。極端的外部災(zāi)害可能造成兩機(jī)組大量的設(shè)備共因失效，如果這些設(shè)備對(duì)CDF的貢獻(xiàn)很大，那么CDFc與CDFu的值將會(huì)十分接近，此時(shí)多個(gè)機(jī)組更易共同發(fā)生堆芯損傷事故。因此，CDFc與CDFu的比值CDFc/CDFu在定量分析各種工況和災(zāi)害情景下機(jī)組之間的相關(guān)性時(shí)具有重要意義。

在計(jì)算CDFu和CDFc時(shí)，不同機(jī)組如果存在相同的割集應(yīng)將這些割集合并。不難發(fā)現(xiàn)，在其他條件不變的情況下，兩個(gè)機(jī)組的相關(guān)性越高，則CDFc越大。特別地，如果兩個(gè)機(jī)組有部分割集相同，機(jī)組的相關(guān)性越高，則CDFc越大并且CDFu越小，此時(shí)CDFc更接近于CDFu。另外，如果需研究具體某個(gè)基本事件對(duì)最終結(jié)果的影響，可針對(duì)以上3類CDF開展重要度和敏感性分析。

2 小結(jié)

本文提出的多機(jī)組電廠風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法沿用了傳統(tǒng)PSA的方法，討論了機(jī)組之間的相關(guān)性，并提出了廠址CDF等適用于多機(jī)組廠址風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的概念。在本方法的基礎(chǔ)上可進(jìn)一步拓展多機(jī)組電廠的二、三級(jí)PSA方法，需結(jié)合多機(jī)組間相關(guān)性對(duì)安全殼有效性，放射性核素向周邊環(huán)境的釋放、遷移及其對(duì)公眾的健康效應(yīng)等要素進(jìn)行分析，評(píng)價(jià)電廠是否滿足安全目標(biāo)。

隨著機(jī)組數(shù)量的增加，機(jī)組之間的相關(guān)性愈加復(fù)雜，模型的不確定性也會(huì)隨之增大。此時(shí)，可根據(jù)實(shí)際工程特點(diǎn)進(jìn)行篩選，選取機(jī)組之間比較主要的相關(guān)性因素納入到PSA分析中。當(dāng)然，配套的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)建立。

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