楊 智,王詩薈,郗海英,張項飛,李瓊哲

(蘇州熱工研究院有限公司，廣東 深圳 518026)

2010年2月，國家核安全局頒布了關(guān)于在核安全領(lǐng)域中加強PSA應(yīng)用的技術(shù)政策聲明[1]，闡述了國家核安全局將在核安全領(lǐng)域中積極應(yīng)用概率安全分析技術(shù)的政策。

在該技術(shù)政策中國家核安全局認為：近年來，概率安全分析技術(shù)已取得重大進展，在主要核電國家，概率安全分析技術(shù)已不僅僅停留于核設(shè)施安全水平的評估，而且對于進一步深入認識核安全問題，乃至對核安全要求的確定都在產(chǎn)生著深遠的影響；在國內(nèi)，概率安全分析技術(shù)經(jīng)過二十多年的發(fā)展，已具備了較好的技術(shù)基礎(chǔ)，因此，國家核安全局希望積極地、有步驟地推動概率安全分析技術(shù)在國內(nèi)核安全領(lǐng)域中更深層次的應(yīng)用，為優(yōu)化資源配置、提高核安全監(jiān)督活動效率和提升核安全水平提供技術(shù)基礎(chǔ)。

隨著核電廠的模型范圍越來越完善和模型的應(yīng)用能力越來強，風(fēng)險指引型技術(shù)在核電廠工程改造、事件評價、維修工作安排等領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，從安全上和電廠經(jīng)濟上都獲得收益。

本文以國內(nèi)某電廠設(shè)備冷卻水系統(tǒng)/重要廠用水系統(tǒng)(RRI/SEC)熱交換器維修策略調(diào)整事件為例，應(yīng)用風(fēng)險指引型技術(shù)進行論證分析，以確定風(fēng)險指引型技術(shù)在核電廠維修策略優(yōu)化領(lǐng)域中應(yīng)用的可行性。

1 背景

按照該電廠運行技術(shù)規(guī)范的要求，功率運行模式下不允許人為造成RRI/SEC熱交換器的計劃性不可用，RRI/SEC熱交換器的預(yù)防性維修工作都是在大修期間反應(yīng)堆完全卸料模式下進行?？紤]到功率工況下多次出現(xiàn)熱交換器壓差高且大修中維修工作較多可能影響維修質(zhì)量的狀況，計劃將RRI/SEC熱交換器的預(yù)防性維修放在功率運行期間進行，以增強維修工作安排的靈活性、提高冷源可靠性、優(yōu)化大修資源配置、提高維修質(zhì)量。

2 RRI/SEC熱交換器的基本信息

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計，設(shè)備冷卻水系統(tǒng)(RRI)和重要廠用水系統(tǒng)(SEC)都是由兩條獨立系列提供冷卻水。每一系列包括兩臺100%的離心泵和兩臺50%的板式熱交換器，以保證事故工況下每一系列能提供100%的冷卻水。RRI/SEC熱交換器是RRI系統(tǒng)和SEC系統(tǒng)的共用設(shè)備，通過該熱交換器，把RRI系統(tǒng)收集到的熱量傳輸?shù)阶罱K熱阱——海水。RRI系統(tǒng)作用原理如圖1所示。

圖1 熱交換器工作原理Fig.1 Heat exchanger working principle

3 分析方法

風(fēng)險指引型(Risk Informed)方法，是在傳統(tǒng)工程分析(確定論分析、工程判斷等)的基礎(chǔ)上補充概率安全分析的分析結(jié)果所形成的一種涵蓋風(fēng)險信息的分析、決策與管理的方法。

核安全譯文NNSA-0147[2]和核安全譯文NNSA-0148[3]中對綜合決策過程中所包含的五個關(guān)鍵原則作了詳細描述，包括滿足現(xiàn)行管理規(guī)定、維持縱深防御、保持足夠的安全裕度、風(fēng)險增量應(yīng)很小和采用性能管理策略來監(jiān)測擬議變更造成的影響。風(fēng)險指引型綜合決策過程有四個要素：(1)確定并闡述擬議變更；(2)實施工程分析，結(jié)合傳統(tǒng)工程分析和 PSA 的判斷做出最后的決策；(3)確定實施和監(jiān)督大綱；(4)準(zhǔn)備書面的評估文件并提交變更申請。

本優(yōu)化主要分析流程如圖2所示。

4 運行技術(shù)規(guī)范要求

參考該核電廠運行技術(shù)規(guī)范，可以整理出機組不同運行模式對RRI/SEC系統(tǒng)配置的要求，以及一臺熱交換器隨機不可用的規(guī)定(見表1)。從表中的內(nèi)容可以看出，由于技術(shù)規(guī)范的限制——不允許人為產(chǎn)生第一組事件的設(shè)備不可用，使得RRI/SEC熱交換器的預(yù)防性維修只能在反應(yīng)堆完全卸料模式下進行。

圖2 RRI/SEC熱交換器維修策略優(yōu)化的風(fēng)險 指引型分析方法流程圖Fig.2 RRI/SEC heat exchanger maintenance strategy optimization risk-informed analysis method flow chart

表1 不同工況下RRI/SEC配置要求和一 臺熱交換器隨機不可用的規(guī)定

5 可操作性分析

RRI/SEC熱交換器RRI側(cè)和SEC側(cè)上下游均有手動閥，可以實現(xiàn)設(shè)備的隔離。而且，在機組功率運行期間，RRI/SEC熱交換器出現(xiàn)過多起壓差高、泄露等降級或者不可用而隔離排空進行清洗的情況。

因此，實施在線維修從維修操作上是可行的。

6 工程安全分析

6.1 熱交換器換熱能力分析

實施在線維修后，維修列不能滿足LOCA事故下導(dǎo)熱需求；另外一列RRI/SEC能滿足LOCA事故下導(dǎo)熱需求，仍滿足確定論分析的要求。但總體上系統(tǒng)功能冗余度降低。對于這種情形可通過概率安全分析方法進行風(fēng)險分析，根據(jù)分析結(jié)果，實施在線維修滿足風(fēng)險限制要求。

6.2 確定論分析

確定論分析主要是從法規(guī)和規(guī)范的要求、縱深防御、安全裕量等方面對變更申請進行分析，以證明技術(shù)規(guī)范變更和在線維修方案實施后仍然滿足要求。

6.2.1 法規(guī)和規(guī)范的要求

我國現(xiàn)有法規(guī)和導(dǎo)則中提及核電廠運行要求的法規(guī)有HAF 102(《核動力廠設(shè)計安全規(guī)定》)[4]和HAF 103(《核動力廠運行安全規(guī)定》)[5]，導(dǎo)則有HAD 102/17(《核動力廠安全評價與驗證》)[6]、HAD 103/01(《核動力廠運行限值和條件及運行規(guī)程》)[7]和HAD 103/06(《核動力廠營運單位的組織和安全運行管理》)[8]。

本次在線維修的論證和涉及的技術(shù)規(guī)范變更，滿足相關(guān)法規(guī)和導(dǎo)則中的要求。此外，國家核安全局于2010年2月頒布了關(guān)于在核安全領(lǐng)域中加強PSA應(yīng)用的技術(shù)政策聲明，在政策聲明中對如何開展PSA應(yīng)用也提出了相應(yīng)的建議和要求，本次變更也遵守了該政策聲明的各項建議和要求。

6.2.2 縱深防御分析

RRI/SEC熱交換器的功能有：帶出核島輔助系統(tǒng)熱負荷；停堆過程和事故工況帶出堆芯的余熱，并將熱負荷經(jīng)過重要廠用水系統(tǒng)(SEC)傳至最終熱阱——海水?？梢詮囊韵?個方面來論述變更后系統(tǒng)的功能和縱深防御原則是否得到保證。

(1)實施RRI/SEC熱交換器在線維修并沒有改變熱交換器的設(shè)計和運行條件。而且，熱交換器的在線維修只是影響了功率工況下一列RRI/SEC的不可用度，并沒有影響設(shè)備和系統(tǒng)的設(shè)計要求或基本原則。

(2)實施RRI/SEC熱交換器在線維后，雖然每次只影響1列RRI/SEC的可用性，而且不可用性增加有限，但是對整個系統(tǒng)的可用性影響較小(參見定量分析)。

(3)實施RRI/SEC熱交換器在線維后，會降低RRI/SEC系統(tǒng)的冗余度，進而降低安全功能系統(tǒng)的冗余度。但是仍可保證1列安全功能可用，滿足確定論事故分析的要求，而且沒有明顯增加核電廠的風(fēng)險(參見定量分析)。

(4)實施RRI/SEC熱交換器在線維修沒有引入新的事故或瞬態(tài)，也不會明顯增加原設(shè)計所分析的事故或瞬態(tài)發(fā)生的可能性。

(5)預(yù)防堆芯損壞、預(yù)防安全殼失效和緩解事故后果是核電廠應(yīng)對事故，逐步深入的三個措施。實施RRI/SEC熱交換器在線維修，會對前兩個措施有潛在影響，但是從定量結(jié)果看，影響會很小，所以三個措施之間的合理平衡沒有明顯改變。

(6)實施RRI/SEC熱交換器在線維修沒有影響原有的防止?jié)撛凇肮惨颉惫收系拇胧?，也不會引入新的共因故障模式?/p>

(7)實施RRI/SEC熱交換器在線維修沒有減弱電廠原有的防止放射性核素釋放的實體屏障的獨立性。

(8)實施RRI/SEC熱交換器在線維修沒有影響原有的防止人員失誤的措施，也不增加在事故工況下任何新的操縱員響應(yīng)，不會引入原設(shè)計及安全分析中沒有考慮的新的人員失誤。雖然，在熱交換器的維修期間會臨時增加一些風(fēng)險管理要求和操縱員的相應(yīng)操作，但這些都是臨時性的，有針對性，且是準(zhǔn)備充分的。

6.2.3 安全裕量分析

實施在線維修滿足事故分析的要求，沒有改變在許可證基準(zhǔn)中所包含的相對于可接受準(zhǔn)則的安全分析裕量。

6.3 概率論分析

概率論分析就是用PSA模型，對變更所帶來的風(fēng)險進行分析，以確定是否滿足相關(guān)管理導(dǎo)則所確立的可接受準(zhǔn)則。由于RRI/SEC熱交換器的在線維修不僅影響熱交換器的維修不可用度，而且使得功率運行模式下熱交換器不可用。對于所有這些變更，都必須滿足核安全譯文NNSA-0147[2]和核安全譯文NNSA-0148[3]的可接受準(zhǔn)則。因此，概率論分析主要是針對NNSA-0147和 NNSA-0148的準(zhǔn)則進行驗證。

6.3.1 模型和處理方式

分析工況——對于RRI/SEC熱交換器維修策略由完全卸料模式變更到功率工況，完全卸料模式的維修對堆芯安全無影響，所以僅考慮功率工況的風(fēng)險變化。

不可用時間——概率論分析選取的預(yù)防性維修導(dǎo)致的熱交換器不可用時間。

維修活動的影響——熱交換器退出影響了設(shè)備冷卻水系統(tǒng)配置。

外部事件處理——外部事件考慮了地震、火災(zāi)、強風(fēng)的影響。

始發(fā)事件的處理——本報告定量計算考慮了熱交換器在線維修對喪失熱阱始發(fā)事件的影響。

6.3.2 評價準(zhǔn)則

(1)配置風(fēng)險控制原理

配置風(fēng)險控制的原理如圖3所示，即控制設(shè)備退出期間所引入的風(fēng)險增加小于某一個限值時，認為由于設(shè)備退出運行所引入的風(fēng)險增加是可接受的。配置風(fēng)險控制限值可參考NNSA-0148[3]、ICCDP和ICLERP限值分別設(shè)定為1.00×10-6和1.00×10-7，但是此限值針對的是內(nèi)、外部事件。

圖3 組態(tài)風(fēng)險計算Fig.3 Configuration risk calculation

圖中：

nICCDP=(CDF1-CDF0)×T

式中：CDF0——機組處于基準(zhǔn)配置下的堆芯損壞頻率;

CDF1——相關(guān)設(shè)備不可用時的堆芯損壞頻率;

限值——1.00×10-6。

ICLERP=(LERF1-LERF0)×T

式中：LERF0——機組處于基準(zhǔn)配置下的早期放射性大量釋放頻率;

LERF1——相關(guān)設(shè)備不可用時的早期放射性大量釋放頻率;

限值——1.00×10-7。

(2)平均風(fēng)險增量控制原理

平均風(fēng)險增量控制原則如圖4所示，控制原理圖參考NNSA-0147[2]。如果設(shè)備退出時間增長，必然導(dǎo)致平均不可用度增加，進而會影響機組的平均風(fēng)險水平。基于目前核電廠基準(zhǔn)CDF和LERF值，CDF和LERF的平均風(fēng)險增量限值分別設(shè)定為1.00×10-6/堆年和1.00×10-7/堆年。

圖4 平均風(fēng)險增量控制原則Fig.4 Average risk incremental control principle

6.3.3 風(fēng)險可接受準(zhǔn)則的驗證

對NNSA-0148和 NNSA-0147中的定量準(zhǔn)則進行定量驗證。

(1)NNSA-0148準(zhǔn)則的驗證

根據(jù)維修策略優(yōu)化的機組配置狀態(tài)和核電廠運行技術(shù)規(guī)范的要求，可知一臺熱交換器的在線維修是在確定的機組配置狀態(tài)下進行的。因此，在定量分析時可以使用零維修模型，即把PSA模型中所有的維修不可用置“FALSE”，分析結(jié)果如表2所示。

表2 一臺熱交換器在線維修3天引入的風(fēng)險

從表2的分析結(jié)果可以看出，即使將耗時最長的預(yù)防性維修項目放在功率工況下進行，其導(dǎo)致機組的風(fēng)險增量都小于NNSA-0148的準(zhǔn)則限值。功率運行模式下實施熱交換器在線維修所導(dǎo)致的風(fēng)險增加是可接受的。

(2)NNSA-0147準(zhǔn)則的驗證

NNSA-0147準(zhǔn)則驗證所使用的PSA模型是平均模型，即考慮了設(shè)備的平均維修不可用度。在功率運行模式下實施熱交換器的在線維修，必將會增加熱交換器的維修不可用度。為了把在線維修導(dǎo)致設(shè)備不可用度的增加體現(xiàn)到平均模型，需要對熱交換器的維修不可用根據(jù)維修的實際狀況進行處理，分析結(jié)果如表3所示。

表3 RRI/SEC熱交換器實施在線 維修后的風(fēng)險水平變化

從分析結(jié)果可知，熱交換器實施在線維修后，機組的平均風(fēng)險水平增加小于NNSA-0147的準(zhǔn)則限值，即風(fēng)險增加是可接受的。

6.3.4 概率論分析結(jié)論

對NNSA-0148和 NNSA-0147風(fēng)險可接受準(zhǔn)則的驗證表明，功率運行模式下實施RRI/SEC熱交換器在線維修，使得機組風(fēng)險增加較小，滿足風(fēng)險指引型決策中關(guān)于“保證風(fēng)險增加量很小”這一原則要求。

6.4 配置風(fēng)險分析

配置風(fēng)險分析的目的是找出RRI/SEC熱交換器在線維修后電廠可能存在的潛在高風(fēng)險配置，并采取適當(dāng)?shù)募s束方法加以避免，以保證當(dāng)與運行技術(shù)規(guī)范變更相關(guān)的電廠設(shè)備停運時，不會產(chǎn)生風(fēng)險顯著的電廠配置。

RRI/SEC熱交換器在線維修通過技術(shù)規(guī)范中的限制條件進行規(guī)定，實施在線維修的前提是不存在其他第一組I0，這在很大程度上避免了人為高風(fēng)險配置的產(chǎn)生。

實施在線維修導(dǎo)致熱交換器不可用時，對于那些由于隨機失效而導(dǎo)致電廠處于高風(fēng)險的設(shè)備，運行人員應(yīng)加強對其狀態(tài)的關(guān)注。這類設(shè)備清單可用通過Risk Monitor獲取，作為熱交換器在線維修期間重點關(guān)注設(shè)備。

7 結(jié)論及建議

應(yīng)用風(fēng)險指引型技術(shù)優(yōu)化RRI/SEC熱交換器維修策略是可行的，但應(yīng)控制單臺熱交換器維修時間不超過3天。為了做好在線維修期間的風(fēng)險控制，建議在維修工作實施前和實施中做好以下措施。

(1)做好計劃，在線維修期間不安排導(dǎo)致第一組不可用事件的設(shè)備不可用的維修或試驗工作。

(2)建議同一核電廠的兩臺機組統(tǒng)一考慮。也就是說在進行在線維修期間，要求相鄰機組的RRI/SEC保持全部可用，并把相應(yīng)的公用負荷切換到相鄰機組，以保證實施維修機組的RRI/SEC有足夠的冷卻能力。

(3)在線維修期間，做好對運行列RRI/SEC的巡檢工作，以保證運行列的可用性。

(4)做好事故預(yù)想，主要關(guān)注的事故有：喪失熱阱、失水事故，并熟悉與這些事故有關(guān)的規(guī)程。