內(nèi)部事件一級PSA在設計中的應用

楊 健，杜金雁，馬 超

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

中國核安全監(jiān)管當局要求在核電廠整個設計過程中進行全面的概率安全分析（PSA），同時也制定了鼓勵核電廠應用PSA的技術政策[1]?！叭A龍一號”（HPR1000）是中國核工業(yè)集團開發(fā)的第三代核電堆型，在現(xiàn)有壓水堆核電廠成熟技術的基礎上采用了能動與非能動相結合的安全系統(tǒng)設計。

為有效提升“華龍一號”的安全水平，在研發(fā)設計過程中采用了風險指引的設計方法，將確定論和概率論安全分析結合在一起，其中概率論部分是以PSA模型為基礎，開展風險定量分析，以提供對整體風險水平及構成因素的深入了解，從中識別出設計薄弱環(huán)節(jié)，給出針對性的設計優(yōu)化建議，從而提升安全性。

1 設計思路及理念

核電廠概率安全分析的基本思路是將電廠始發(fā)事件、事故響應過程中的失效組合（包括電廠系統(tǒng)和設備的失效、人員操作失誤等）納入邏輯模型中，對風險進行定性和定量的評估。

PSA技術有兩項突出優(yōu)點：

（1） 可基于統(tǒng)一的定量標準對設計方案進行評估和比較。典型的定量風險指標包括堆芯損壞頻率（CDF）和大量放射性釋放頻率（LRF）；

（2） PSA模型所涵蓋的信息幾乎涉及核電廠安全相關的各個方面，相應的設計方案理論上均可以在模型中找到對應的分析單元和邏輯關系，因此，PSA技術可以對設計工作提供強有力的支持。

本文主要聚焦于內(nèi)部事件一級 PSA，采用的定量風險指標為CDF。主要開展了以下的設計應用：

（1） 安全系統(tǒng)設計方案評估；

（2） 沒有造成堆芯明顯損傷的設計擴展工況（DEC-A）清單確定；

（3） 事故處理策略優(yōu)化；

（4） 防人因設計；

（5） 技術規(guī)格書開發(fā)。

“華龍一號”也開發(fā)了二級PSA模型，但其相關的應用及定量指標的評估不在本文中描述。

2 具體設計內(nèi)容

2.1 安全系統(tǒng)設計方案評估

在“華龍一號”的方案設計階段，構建內(nèi)部事件一級PSA模型，完成了安全系統(tǒng)配置方案的內(nèi)部事件CDF評估（見表1）。其中所考慮的能動安全系統(tǒng)包括中壓安注、低壓安注、安全殼噴淋、輔助給水系統(tǒng)，非能動系統(tǒng)包括二次側非能動熱量導出系統(tǒng)、安全殼非能動熱量導出系統(tǒng)。

在該階段PSA模型主要采用了通用數(shù)據(jù)，其中始發(fā)事件頻率參考NUREG/CR-3862，設備可靠性參數(shù)主要參考法國核電廠運行數(shù)據(jù)。通過PSA模型的定量分析可以發(fā)現(xiàn)，僅考慮能動安全系統(tǒng)，即使增加其冗余度，但由于共因失效的存在，對機組整體風險水平降低的效果不能令人滿意。在兩列能動安全系統(tǒng)的基礎上再考慮額外新增安全殼非能動熱量導出系統(tǒng)和二次側非能動熱量導出系統(tǒng)后，CDF有明顯的下降，從10-6/堆·年量級降至10-7/堆·年量級。在此基礎上進一步增加能動安全系統(tǒng)的冗余度，CDF下降空間已不大。

在安全系統(tǒng)配置方案決策過程中參考了上述的PSA分析結果，綜合考慮安全性和工程造價，最終選擇了方案 3，即兩列能動安全系統(tǒng) + 非能動系統(tǒng)的設計方案。

表1 不同配置方案的內(nèi)部事件堆芯損壞頻率Table 1 The core damage frequencies of internal event in different configuration scheme

2.2 設計擴展工況清單確定

根據(jù)法規(guī)要求，必須在工程判斷、確定論和概率論評價的基礎上推導出一系列設計擴展工況（Design Extension Condition，DEC）清單[2]，在設計中考慮這些設計擴展工況，制定切實可行的預防和緩解措施。

HPR1000型號限定內(nèi)部事件 CDF＜5 ×10-7/堆年，進而確定DEC-A的CDF截斷頻率為1 × 10-8/堆年。圖1給出了DEC-A工況的確定過程。表2給出了通過PSA分析所確定的典型DEC-A工況。

圖1 DEC-A清單確定過程Fig.1 DEC-A list determination process

表2 典型DEC-A工況Table 2 A list of typical design extension condition

2.3 事故處理策略優(yōu)化

為避免蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂事故（SGTR）后蒸發(fā)器滿溢，超出放射性后果驗收準則，同時滿足30 min不干預原則，“華龍一號”設計上降低了中壓安注泵的關閉揚程，并輔以二次側快速冷卻功能，以確保SGTR事故分析的驗收準則得到滿足。但安注泵關閉揚程降低后，一臺穩(wěn)壓器安全閥開啟不足以帶出堆芯熱量，一回路壓力上升后安注流量逐步減小，無法緩解事故，大部分事故情景需要開啟兩臺或三臺穩(wěn)壓器安全閥。

PSA分析發(fā)現(xiàn)此設計方案將導致執(zhí)行充—排（Feed-Bleed）措施的失效概率顯著增加。典型始發(fā)事件組 CDF（見表 3）表明，安注泵揚程降低后SGTR風險顯著下降，但其他事故（如喪失 48 V直流電）的風險上升更多，總CDF反而上升了23.2%。

表3 充—排措施優(yōu)化的堆芯損壞頻率Table 3 The core damage frequencies optimized by feed-bleed measures

審查“華龍一號”的設計，發(fā)現(xiàn)除了穩(wěn)壓器安全閥外，還設有快速卸壓閥，一臺快速卸壓閥的最小飽和蒸汽排放量為 525 t/h，相當于3臺穩(wěn)壓器安全閥，而且快速卸壓閥控制電源來自380 V交流不間斷電源，由72 h蓄電池供電，不受48 V直流電喪失的影響。因此后續(xù)對事故處理策略進行了優(yōu)化，具體修改是：“當判斷穩(wěn)壓器安全閥不能全部打開或開啟失效時，操縱員將解除快速卸壓閥的隔離，手動開啟一列快速卸壓閥實施卸壓”。實施此項優(yōu)化后，喪失 48 V直流電的CDF下降了一個量級，可以忽略不計。

2.4 防人因設計

“華龍一號”設計了應急硼注入系統(tǒng)（REB），用于緩解未能緊急停堆的預期瞬態(tài)（ATWS）及主蒸汽管道大破口等事故，PSA分析發(fā)現(xiàn)REB系統(tǒng)失效對功率工況內(nèi)部事件 CDF有較大貢獻，占比達到 15%，進一步分析發(fā)現(xiàn)原因是：部分安全殼內(nèi)疏水閥門（REB402～403 VB，REB505～516 VB），在日常試驗維修等工作后可能會誤置于開啟狀態(tài)，事故時需要REB投入時將造成分流效應，影響REB功能的成功實現(xiàn)。此類失效模式通常稱為A類人誤，后續(xù)業(yè)主根據(jù) PSA的建議，修改《行政隔離規(guī)程》，將以上閥門補充至“A類”行政隔離清單中?！癆類”行政隔離可以保證這些設備僅在工作特定需要或進行定期試驗時，在得到許可后才解除隔離。完成維修后試驗且驗證合格后，將立即恢復行政隔離，以確保這些閥門在正常運行狀態(tài)均處于鎖關狀態(tài)，從而杜絕此類風險。

實施該項改進后，REB系統(tǒng)的失效對功率工況內(nèi)部事件CDF的貢獻顯著下降，從原先的占比15%降至2.7%。

2.5 支持技術規(guī)格書開發(fā)

在設計階段使用PSA模型評估了各安全重要系統(tǒng)/列在不同的允許后撤時間下機組的風險增量，用于支持技術規(guī)格書的編制。表 4給出了針對應急硼注入系統(tǒng)（REB）的一個分析示例，可以看出一列REB不可用對機組風險影響很小，編制技術規(guī)格書時可以制定較為寬裕的允許后撤時間。

2.6 其他應用

除了上述各節(jié)所描述的應用外，PSA也深入?yún)⑴c了各具體系統(tǒng)設計中方案選擇和評價工作，包括設計擴展工況應對措施電源配置優(yōu)化、余熱排出系統(tǒng)進出口閥門的配置評價、重要廠用水系統(tǒng)貝類捕集器設計等。

表4 應急硼注入系統(tǒng)配置風險分析Table 4 Risk analysis for the REB system configuration

3 結論

在福島事故前，國內(nèi)大部分新建電廠均屬于翻版電廠，設計已基本固化，在設計過程中PSA發(fā)揮的作用有限?！叭A龍一號”屬于全新設計，在型號研發(fā)和設計過程中創(chuàng)新性地引入了基于PSA的風險指引設計理念，在提升設計安全水平、識別設計薄弱環(huán)節(jié)、優(yōu)化設計等方面PSA技術發(fā)揮了重要的作用。目前“華龍一號”示范工程（福清核電5、6號機組）的內(nèi)部事件CDF 約為 2 × 10-7，較國內(nèi)外二代堆型降低了2～3個數(shù)量級。

除了上述應用外，PSA還可應用設備安全分級[3,4]、管道在役檢查、儀控系統(tǒng)設計優(yōu)化等方面，相關工作可以在后續(xù)堆型研發(fā)過程中持續(xù)開展。

更重要的是，在確保核電機組安全水平已滿足監(jiān)管要求，且存在足夠裕量的前提下，可以考慮優(yōu)化經(jīng)濟性，降低造價[5]?；赑SA方法可以優(yōu)化縱深防御層次，簡化或優(yōu)化安全系統(tǒng)配置，避免過度冗余設計。