風(fēng)險(xiǎn)指引方法在M310堆型核電廠設(shè)計(jì)改進(jìn)中的應(yīng)用研究

閆 林,鄧 偉,李 亮

(1.中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840；2.生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心，北京 102400)

安全是核電的生命線，是核電廠實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)價(jià)值的基礎(chǔ)與前提。自1979年美國(guó)三哩島核事故和1986年烏克蘭切爾諾貝利核事故以來(lái)，2011年發(fā)生的第三起引起世人廣泛關(guān)注的核電廠嚴(yán)重事故——日本福島核事故再一次表明：盡管核電廠發(fā)生嚴(yán)重事故的概率極低，但事故一旦發(fā)生，就可能導(dǎo)致大量放射性釋放，危害到人員、社會(huì)和環(huán)境，其后果十分嚴(yán)重，必須高度重視核電廠安全性的研究。

國(guó)家監(jiān)管當(dāng)局也在不斷提高對(duì)核電廠設(shè)計(jì)的安全監(jiān)管要求?！逗税踩c放射性污染防治“十二五”規(guī)劃及2020年遠(yuǎn)景目標(biāo)》中也規(guī)定了新建核電機(jī)組的概率安全目標(biāo)：“每堆年發(fā)生嚴(yán)重堆芯損壞事件的概率低于十萬(wàn)分之一?！?016年國(guó)家核安全局頒布了《核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定(HAF102)》，其中要求“必須對(duì)核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)進(jìn)行安全分析，在分析中必須采用確定論和概率論分析方法”。

目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)壓水堆核電廠都是M310堆型。經(jīng)過(guò)多年的設(shè)計(jì)和運(yùn)行實(shí)踐證明：M310堆型核電廠設(shè)計(jì)和發(fā)電成本低，經(jīng)濟(jì)性好，但其設(shè)計(jì)中存在一些安全上的薄弱環(huán)節(jié)，例如低壓安注泵。在安注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，高壓安注泵需要低壓安注泵增壓后才能執(zhí)行向一回路補(bǔ)水的功能。該設(shè)計(jì)增加了安注系統(tǒng)(RIS)內(nèi)的設(shè)備相關(guān)性，是安注系統(tǒng)可靠性的薄弱環(huán)節(jié)。M310堆型核電廠每堆年發(fā)生嚴(yán)重堆芯損壞事件的概率通常高于十萬(wàn)分之一，而且系統(tǒng)設(shè)計(jì)是導(dǎo)致核電站風(fēng)險(xiǎn)的主要原因，因此有必要對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，以提高安全性，從而提升M310堆型核電廠在核電市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。

風(fēng)險(xiǎn)指引方法是以概率論為基礎(chǔ)的風(fēng)險(xiǎn)量化評(píng)價(jià)方法，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展和完善，已經(jīng)成為人們認(rèn)識(shí)風(fēng)險(xiǎn)，評(píng)價(jià)風(fēng)險(xiǎn)，并且?guī)椭芾盹L(fēng)險(xiǎn)、降低風(fēng)險(xiǎn)的重要工具。風(fēng)險(xiǎn)指引方法通過(guò)概率安全分析(PSA)構(gòu)建核電廠的整體風(fēng)險(xiǎn)模型，并對(duì)可能發(fā)生的事故情景和后果及其頻率進(jìn)行統(tǒng)一的綜合性的定量評(píng)價(jià)。它提供了對(duì)核電廠風(fēng)險(xiǎn)水平以及造成這些風(fēng)險(xiǎn)的因素的深入了解，它注重分析事件(始發(fā)事件、系統(tǒng)故障、堆芯損壞等)的來(lái)源、原因，從而揭示出核電廠設(shè)計(jì)、運(yùn)行中的薄弱環(huán)節(jié)(包括硬件和軟件如規(guī)程)，給出一系列有價(jià)值的風(fēng)險(xiǎn)見(jiàn)解并指明降低風(fēng)險(xiǎn)、提高安全性的有效途徑。

本文以M310堆型核電廠的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)為例，說(shuō)明風(fēng)險(xiǎn)指引方法在M310堆型核電廠設(shè)計(jì)改進(jìn)中的應(yīng)用過(guò)程和作用。

1 風(fēng)險(xiǎn)指引方法

風(fēng)險(xiǎn)指引方法的主要分析流程如圖1所示，共分為五個(gè)步驟。

圖1 風(fēng)險(xiǎn)指引方法主要分析流程圖Fig.1 Main process diagram ofRisk-Informed approach

(1)參考典型的三環(huán)路M310堆型核電廠建立一個(gè)基準(zhǔn)PSA模型。

(2)根據(jù)定量化結(jié)果中堆芯損壞頻率(CDF)貢獻(xiàn)較高的最小割集和重要度較高的基本事件進(jìn)行綜合分析并歸類(lèi)，識(shí)別出對(duì)風(fēng)險(xiǎn)重要的系統(tǒng)或設(shè)備，即為核電廠的薄弱環(huán)節(jié)。

(3)針對(duì)薄弱環(huán)節(jié)，結(jié)合工程判斷、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋、先進(jìn)堆型的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案以及M310堆型核電廠的現(xiàn)有系統(tǒng)設(shè)計(jì)等，擬定改進(jìn)方案。

(4)在基準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)上增加改進(jìn)方案的?；?，得到評(píng)價(jià)改進(jìn)方案的PSA模型，經(jīng)定量化計(jì)算后得到改進(jìn)方案對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的影響，以驗(yàn)證對(duì)提高核電廠安全性的有效性。如果上一步驟擬定了多個(gè)改進(jìn)方案，可以綜合確定論有效性評(píng)價(jià)、工程評(píng)價(jià)、利益代價(jià)分析等多方面因素評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣。最后根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，確定改進(jìn)方案是否實(shí)施。

(5)整理過(guò)程文件和結(jié)果，編制報(bào)告。

2 改進(jìn)方案

目前已識(shí)別出的M310堆型核電廠的風(fēng)險(xiǎn)重要設(shè)備中，低壓安注系統(tǒng)排在前列。表1列出了排在前5位的風(fēng)險(xiǎn)重要系統(tǒng)/設(shè)備及功能分析。選取這些系統(tǒng)或設(shè)備作為薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，可以有效降低核電廠的風(fēng)險(xiǎn)。表1中列出的前三項(xiàng)主要代表了M310核電廠在主泵軸封設(shè)計(jì)和電源依賴性方面的薄弱項(xiàng)，目前國(guó)內(nèi)先進(jìn)反應(yīng)堆已采用設(shè)備改進(jìn)、增加冗余的非能動(dòng)系統(tǒng)等改進(jìn)方案，降低了這些系統(tǒng)/設(shè)備對(duì)核電站風(fēng)險(xiǎn)的貢獻(xiàn)。本文選取低壓安注系統(tǒng)開(kāi)展改進(jìn)分析工作，說(shuō)明風(fēng)險(xiǎn)指引方法在設(shè)計(jì)改進(jìn)中的應(yīng)用過(guò)程和作用。

表1 風(fēng)險(xiǎn)重要的系統(tǒng)或設(shè)備及功能分析

在現(xiàn)有M310堆型核電廠的設(shè)計(jì)中，H4管線可以連接安噴系統(tǒng)和安注系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)在LOCA事故發(fā)生約兩周后以及更長(zhǎng)時(shí)間里兩個(gè)系統(tǒng)的互為備用。如果H4管線可以在事故早期投入使用的話，可以為低壓安注系統(tǒng)所執(zhí)行的一回路補(bǔ)水功能提供一個(gè)冗余手段，從而降低低壓安注系統(tǒng)對(duì)核電站風(fēng)險(xiǎn)的貢獻(xiàn)。因此，可以考慮在H4管線原設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，使H4管線能夠在事故早期投入使用。

2.1 原方案

H4管線是安注系統(tǒng)和安噴系統(tǒng)(EAS)的連接管線，(以A列為例，詳見(jiàn)圖2)。原設(shè)計(jì)中H4管線上設(shè)置的為手動(dòng)閥，在規(guī)程實(shí)施中，考慮到可能存在的受照射風(fēng)險(xiǎn)，要求至少兩周后才允許人員到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行閥門(mén)的操作。由于接入時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，H4管線無(wú)法在事故早期起到緩解作用。因此，在對(duì)現(xiàn)有M310堆型設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)時(shí)無(wú)法考慮H4管線的作用。

圖2 原H4管線連接方案Fig.2 Original scheme of H4 pipeline

2.2 方案改進(jìn)

2.2.1 硬件改進(jìn)

基于上述分析結(jié)論，為了使H4管線在事故早期投入使用，針對(duì)每個(gè)系列，具體的改進(jìn)方案如下(以A列為例，詳見(jiàn)圖3)：

圖3 改進(jìn)后的H4連接方案Fig.3 Improved scheme of H4 pipeline

(1)取消原H4管線和EAS泵的旁路管線；

(2)新增兩條H4管線，一條連接LHSI泵出口與EAS泵出口(EAS換熱器上游，H4.1)；另一條連接EAS換熱器下游與LHSI注入管線(位于HHSI連接點(diǎn)的上游，H4.2)；

(3)每條新增H4連接管線上設(shè)置兩臺(tái)能在主控室控制的電動(dòng)隔離閥，和一個(gè)限流孔板。

(4)新增一條EAS泵和換熱器的旁路管線，其上設(shè)置一臺(tái)電動(dòng)隔離閥，一臺(tái)止回閥和一個(gè)限流孔板。

(5)將原LHSI泵出口母管上的手動(dòng)隔離閥(RIS059VP、060VP)改為電動(dòng)閥，可在主控室操作。

2.2.2 軟件改進(jìn)

根據(jù)基準(zhǔn)PSA模型的事件序列分析及定量化分析結(jié)果，可以識(shí)別出需要使用H4管線的風(fēng)險(xiǎn)重要的事故序列情景，經(jīng)整理后可得H4管線不同運(yùn)行模式，并由此修改相應(yīng)規(guī)程和提出設(shè)備性能需求。H4管線改進(jìn)方案的運(yùn)行模式(功率運(yùn)行工況部分)如表2所示。

表2 H4管線改進(jìn)方案的運(yùn)行模式(功率運(yùn)行工況)

3 方案分析結(jié)果

根據(jù)H4管線改進(jìn)方案，在基準(zhǔn)PSA模型上修改事件樹(shù)和故障樹(shù)模型，考慮安噴系統(tǒng)和安注系統(tǒng)通過(guò)H4管線實(shí)現(xiàn)互為備用的運(yùn)行模式，計(jì)算CDF指標(biāo)的變化情況，得到結(jié)果為33.54%，即：采用該方案后M310堆型核電廠的CDF降低33.54%。H4管線各運(yùn)行模式對(duì)CDF的影響如表3所示。

表3 H4管線改進(jìn)后各運(yùn)行模式對(duì)CDF的影響

另外，該方案對(duì)原設(shè)計(jì)改動(dòng)較小，新增成本較低，因此，綜合確定論有效性評(píng)價(jià)、工程評(píng)價(jià)、利益代價(jià)分析等多方面因素，該方案具有可實(shí)施性。目前該設(shè)計(jì)方案已經(jīng)在工程項(xiàng)目上實(shí)施。

4 結(jié)論

從風(fēng)險(xiǎn)指引方法在M310堆型核電廠設(shè)計(jì)改進(jìn)中的應(yīng)用過(guò)程可以看到，該方法可以識(shí)別設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)，為提出改進(jìn)方案指導(dǎo)方向；可以識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)重要的情景，為軟硬件的改進(jìn)提供設(shè)計(jì)輸入；可以對(duì)改進(jìn)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，判定方案是否可實(shí)施。

綜上，為了提高安全性、提升在核電市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力，M310堆型核電廠可以采用風(fēng)險(xiǎn)指引方法為設(shè)計(jì)改進(jìn)、優(yōu)化提供支持。