核電廠內部火災概率安全評價現(xiàn)狀

喻新利，鄭向陽，趙 博

(1中國核電工程有限公司，北京 100840; 2環(huán)境保護部核與輻射安全中心，北京 100082)

核電廠內部火災概率安全評價現(xiàn)狀

喻新利1，鄭向陽2，趙 博1

(1中國核電工程有限公司，北京 100840;2環(huán)境保護部核與輻射安全中心，北京 100082)

核電廠運行經驗表明火災對其安全具有嚴重威脅，各國安全監(jiān)管當局也加強了對核電廠火災安全的監(jiān)管，要求核電廠實施火災危害性分析，并對火災風險進行評估。詳細介紹了核電廠內部火災概率安全評價 (PSA)的發(fā)展歷史與開展情況，并對主要方法和標準做了簡要介紹。

核電廠;內部火災;PSA

1 引言

在核電廠內，火災發(fā)生的頻率比較高，其事故發(fā)展也較難以預測，對核電廠的安全構成了嚴重威脅［1］。據統(tǒng)計，在1991年以前美國核電廠發(fā)生火災的頻率為0.29次/堆年，近年來隨著防火技術的發(fā)展及管理水平的提高，火災頻率已經下降到0.14次/堆年［2］，但仍相當可觀。而且核電廠內可燃物料較多，廠房、設備等布置復雜，火災會引起設備的損壞或誤動作，并可能發(fā)生蔓延。世界各國核電廠已經在汽輪機廠房、電氣廠房中發(fā)生多次大型火災，另外發(fā)生過多次電纜火災并蔓延至其他防火區(qū)最終造成嚴重損失［3］。比如1975年3月22日美國Brown's Ferry核電廠火災，其發(fā)生在電纜貫穿區(qū)并蔓延進反應堆廠房，損毀600多根安全相關系統(tǒng)電纜，對核安全造成挑戰(zhàn)，并最終導致美國核管會 (NRC)關于核電廠防火管理的重大變更;發(fā)生于1978年12月31日的前蘇聯(lián)Beloyarsk核電廠2號機組汽輪機廠房電纜火災，蔓延至電廠其他區(qū)域，亦使電廠造成重大損失。

因此，世界各國對核電廠的防火安全制定了嚴格的規(guī)定并進行了大量研究，以滿足核電廠防火遵循的縱深防御原則。然而，這些規(guī)定一般比較嚴格，缺乏彈性，屬于確定論范疇核工業(yè)界及核安全監(jiān)管機構為此付出了大量人力、物力。比如，美國核工業(yè)界為滿足NR的要求做出了大量努力，而NRC也對其防火規(guī)范進行了大量研究，此過程對美國核工業(yè)界和NRC均造成了嚴重負擔。為了克服這些困難，美國NRC的政策正在實施轉變，將采納風險指引的方法，鼓勵現(xiàn)有核電廠采用風險指引、基于績效的NFPA 805防火要求，對核電廠開展詳細的內部火災PSA工作。目前，世界各國均對內部火災PSA展開了積極探索本文主要介紹核電廠內部火災概率安全評價的發(fā)展現(xiàn)狀、研究方法以及相關的規(guī)范、標準制定情況。

2 內部火災PSA研究現(xiàn)狀

對核電廠火災開展系統(tǒng)、全面的安全評價是核電廠防火的重要組成部分，目前核電廠火災安全評價的方法主要基于確定論和概率論技術。確定論的火災安全評價即火災危害性分析(Fie Hazard Analyses，F(xiàn)HA)用于驗證停堆排除余熱和包容放射性物質所需的安全系統(tǒng)免遭火災危害。目前核安全監(jiān)管機構均要求執(zhí)照申請者完成火災危害性分析報告，中國也發(fā)布了相關的核行業(yè)標準EJ/T 1217-2007。

采用概率論技術對核電廠進行火災安全評價的工作也開展較早，自1975年拉斯姆森(Rasmussen)教授發(fā)布WASH-1400之后，世界各國均對核電廠包括火災領域的PSA開展了大量工作。特別是在20世紀90年代以后，核電廠內部火災PSA領域取得了長足進展，分析方法進一步完善，并發(fā)布了相關實施標準，下面將分別予以介紹。

2.1 國際原子能機構 (IAEA)

IAEA于1993年啟動了一項旨在幫助其成員國提高核電廠火災安全性的計劃，之后發(fā)布了一系列有關火災安全的研究報告，并啟動了火災相關事件的數(shù)據收集和報告計劃。在1992年，IAEA出版了 《核動力廠防火》(Safety Reports Series No.50-SG-D2)，隨后又分別于1995年和1998年發(fā)布了《核動力廠火災危害性分析評價》(Safety Reports Series No. 50-P-9)和《核動力廠火災危害性分析指南》(Safety Reports Series No.8)，作為確定論火災危害性分析的實施標準。上述文件構成了確定論技術的基礎。

IAEA在核電廠內部火災PSA領域的研究則稍晚，在其于1992年發(fā)布的核動力廠概率安全評價步驟 (1級)［4］中主要涉及內部事件的PSA，缺少開展內部火災PSA的詳細信息。在隨后發(fā)布的關于外部危害的概率安全評價中考慮了地震、颶風、洪水等事件對電廠安全的影響，但由于內部火災對電廠安全系統(tǒng)的局部影響，且其危害比較復雜，在該報告中沒有給出處理內部火災危害的具體建議［5］。在1998年，IAEA終于發(fā)布其內部火災PSA的實施規(guī)范《核動力廠概率安全評價中內部火災的處理》(Safety Reports Series No.10)［6］，用以指導新建和已運行核電廠的內部火災風險評價。該報告主要集中于火災PSA的步驟和一般要求，但是實施各步驟的方法和工具需要分析人員自己選擇。該文件還規(guī)定了火災PSA的框架、術語和報告格式等，以便于外部檢查。在2000年發(fā)布的關于一級概率安全評價管理審評的IAEA TECDOC-1135中［7］，也對核電廠內部火災PSA提出了一定的要求。作為IAEA幫助其成員國計劃的一部分，還發(fā)布了運行經驗在火災安全評價中的應用［8］，用以指導火災事件數(shù)據的收集和處理等。另外也發(fā)布了其他相關文件如IAEA TECDOC-1112和IAEA TECDOC-1421等用以支持火災安全評價。

IAEA對核電廠的火災安全研究開展了大量工作，但主要集中于確定論的火災危害性分析，而對內部火災PSA方面的經驗則相對較少。其中最重要的是1998年發(fā)布的Safety Reports Series No.10文件，但作為規(guī)范，其指出了需要做什么，卻不夠具體，而且缺乏如何完成各項任務的指導方法。

2.2 美國

在拉斯姆森教授于1975年發(fā)布了里程碑式的WASH-1400報告之后，美國核管會和核工業(yè)界投入了大量精力從事核電廠概率風險研究，一直引領世界核電廠PSA應用和發(fā)展的潮流，而基于PSA的風險指引型安全管理理念也在美國核電廠的監(jiān)管和運營等領域取得了巨大成功［9］。內部火災PSA作為核電廠PSA的一部分，無論是方法還是實踐都得到了進一步完善。

實際上，自WASH-1400發(fā)布之后，美國核工業(yè)界就沒有間斷對核電廠內部火災PSA的研究，并在20世紀70年代末完成了最早的火災PSA，而火災PSA真正得到快速發(fā)展則始于80年代末。在80年代末，美國NRC要求對所有核電廠進行全面的自我評估，其中包括單個電廠的外部事件檢查 (Individual Plant Examination of External Events，IPEEE)，大部分核電廠均采用了PSA方法來開展IPEEE。美國NRC和電力研究所 (Electric Power Research Institute，EPRI)也積極投身于火災風險評價的研究當中，以支持其成員單位實施IPEEE。1992年，EPRI正式發(fā)布《火災致?lián)p評價方法(FIVE)》［10］，并被NRC同意用于IPEEE。隨后，EPRI又于1995年發(fā)布了《火災PRA實施導則》 (EPRI-TR-105928)［11］，并最終被NRC接受可以滿足IPEEE的目標。事實上，美國每座核電廠均采用上述的一種或兩種方法開展了IPEEE，并建立了相應的分析模型。

2001年，美國全國消防協(xié)會 (National Fire Protection Association，NFPA)發(fā)布了基于績效的核電廠防火標準NFPA-805［12］，它允許采用PSA方法來評估防火措施的風險信息，建立相應的接受準則。NFPA 805的頒布對核電廠防火安全具有重要意義。2004年7月，NRC也修改了聯(lián)邦法規(guī)10 CFR 50.48，增加新的一節(jié)10 CFR 50.48(c)，鼓勵1979年1月之前獲得運營執(zhí)照的電廠轉換到NFPA 805。2006年美國核能研究所 (Nuclear Energy Institute，NEI)發(fā)布新版的NEI 04-02［13］，介紹轉換到風險指引基于績效的執(zhí)照基礎的框架和詳細過程。2006年美國NRC也發(fā)布了管理導則RG 1.205［14］用以指導應用風險指引基于績效的防火標準。在NFPA 805中要求PSA評價采用CDF和LERF來衡量風險，而PSA的方法和數(shù)據要求得到安全監(jiān)管當局的認可，這對核電廠內部火災PSA方法也提出了一定要求。

雖然 EPRI發(fā)布的 FIVE和 EPRI TR-105928能夠滿足IPEEE的要求，但是為了更加全面的評價火災風險及其他應用，仍然需要進一步完善火災PSA方法。NRC和EPRI根據其諒解備忘錄聯(lián)合啟動了一項旨在發(fā)展火災PSA方法的火災風險定量化項目，并于2005年正式發(fā)布，即《EPRI/NRC-RES核動力設施火災概率風險評價方法》(NUREG/CR-6850)［15］。NUREG/CR-6850可以說是目前最為全面的開展火災PSA的方法，也代表了目前最先進的技術，但是在實施上也存在一定困難，方法復雜，工作量大，其兩個先導電廠的進展也不甚順利。在2005年，NRC也發(fā)布了其用于評價防火措施安全重要性的方法FPS DP［16］，該方法與 NUREG/CR-6850相似，它的很多技術和數(shù)據均與NUREG/CR-6850相同，但卻有所簡化，以便于快速實施。

在NUREG/CR-6850發(fā)布以后，EPRI又陸續(xù)發(fā)表了一系列報告以支持該方法的應用比較 重 要 的 有 EPRI 1013489［17］、EPR 1016735［2］及與 NRC聯(lián)合發(fā)布的 NUREG 1824［18］、NUREG-1934［19］等。2006年發(fā)布的EPRI 1013489著重于火災對電路的影響分析2007和 2010年發(fā) 布的 NUREG-1824及NUREG-1934則用來驗證火災PSA中可能用到的火災分析模型，介紹火災模型的使用導則在2008年EPRI發(fā)布的EPRI 1016735中，對火災頻率數(shù)據進行了更新以代替NUREG/CR 6850中采用的 2001年的 EPRI火災數(shù)據庫［20］，并對火災前探測系統(tǒng)的可靠性和主給水泵漏油大型火災進行了考慮。在美國機械工程師協(xié)會 (American Society of Mechanical Engi neers，ASME)和美國核學會 (American Nu clear Society，ANS)的關于核電廠概率風險評價的新版標準中有專門章節(jié)對功率運行工況下的火災PSA進行介紹［21］。

除以上介紹的火災PSA方法和標準外，美國核工業(yè)界也對火災PSA進行了大量專題研究，比如電纜的失效模式分析、火災PSA數(shù)據庫的建立等。美國作為世界核電強國，對核電廠內部火災PSA的研究較為全面，也代表了火災PSA的發(fā)展潮流和方向。美國國內核電廠基本均已或正在建立火災PSA模型，也完成了對第三代核電廠AP1000的火災PSA這對風險指引型的安全管理體系提供了支持也對提高電廠的運行業(yè)績有積極作用。

2.3 歐洲

歐洲各國亦對核電廠內部火災PSA開展了大量研究工作。德國的火災PSA工作開展較早，其監(jiān)管機構要求核電廠在進行10年定期評價的全面風險檢查時，必須開展火災PSA工作。同時建立了開展火災PSA的方法和數(shù)據，并已經完成德國沸水堆 (BWR)功率運行工況下的火災PSA工作。與NUREG/CR-6850等方法類似，在其方法中也包括對火災隔間的定性和定量篩選工作，并建立了相應的準則［22］。

早在1994年，英國的相關標準中已經提及在防火安全設計中應用概率論評價方法。而法國也收集了核電廠的火災事件數(shù)據，在1975年至1994年共發(fā)生了267起火災或起火事件，火災頻率約為0.47次/堆年。近年來，法國也完成了EPR的內部火災PSA工作，主要依據NUREG/CR-6850中的方法和數(shù)據，并做了大量簡化。另外，其他一些歐洲國家也進行了部分研究工作，比如奧地利采用FIVE方法對Paks的4臺機組進行了全面的火災風險評價［23］。

2.4 亞洲

日本的火災 PSA研究工作開展較早［24］，然而近年來韓國在該領域發(fā)展較為迅速，其大部分核電廠均已按照EPRI-TR-105928方法開展了內部火災PSA工作，同時韓國原子力研究所 (Korea Atomic Energy Research Institute，KAERI)也對火災PSA開展了大量基礎研究。Jung等［25］為了避免對各火災情景迭代定量化而開發(fā)了能夠在一次定量化中計算所有火災情景的計算方法 JSTAR(Jung's Single Top And Run)，Kang等［26］也對建立火災事件的單頂事件PSA模型進行了嘗試，而Kim和Han［27］對火災PSA模型的定量化和火災事件中設備重要度的計算方法進行了研究，推動了火災PSA方法的發(fā)展與完善。其他一些亞洲國家如印度［28］、伊朗［29］等也均對其重水堆和實驗堆開展了火災PSA研究。

中國的PSA技術也發(fā)展較早，但囿于核電規(guī)模，PSA技術的開發(fā)和應用發(fā)展緩慢。近年來，隨著中國核電市場的迅速擴大，國家核安全監(jiān)管當局也加強了對核電廠的安全要求。國家核安全局頒布的HAF102《核動力廠設計安全規(guī)定》要求對核電廠開展概率安全評價，并考慮災害事件的發(fā)生概率和后果評價。由于國內已經運行和正在建設的第二代改進型核電機組，其防火設計和建造規(guī)則一般遵守RCC-I的1983版和1987版，對1997版適用的部分積極加以參照，對火災風險的反映則比較少，亟需開展火災風險相關研究工作。引進的第三代核電機組AP1000和EPR，則均在不同程度上開展了災害事件包括內部火災的PSA工作。為實現(xiàn)第三代核電機組的自主化設計，提高核電的經濟效益，也需要完善風險管理體系，積極開展概率風險評價工作，包括對火災風險的評價?，F(xiàn)在各研究院所和高校也開始了對內部火災PSA的相關研究工作［30］，主要是吸收其他國家火災PSA的經驗，尚處于起步階段。另外，中國臺灣地區(qū)的內部火災PSA工作起步較早，主要按照EPRI-TR-105928方法開展，已經建立了較為完整的核電廠內部火災PSA分析模型。

3 分析方法

上節(jié)介紹了核電廠內部火災PSA在各國的開展情況，其采用的方法主要有FIVE、ERPITR-105928、FPSDP和 NUREG/CR-6850等，而主要規(guī)范和標準則為IAEA發(fā)布的Safety Series Reports No.10文件以及ASME和ANS發(fā)布的 PSA實施標準 ASME/ANS RA-Sa-2009。IAEA安全報告的第10號文件適用于低功率與停堆工況的火災PSA，而ASME/ANS RA-Sa-2009則針對功率運行工況的火災PSA，若要用于指導低功率與停堆工況下的火災PSA，尚需要進行適當修改。各種方法對地震火災的處理也有所不同，EPRI-TR-105928與NUREG/ CR-6850對地震誘發(fā)火災的處理比較類似，僅給出定性評價，不做定量分析。在ASME和ANS標準中，對地震誘發(fā)火災的要求也比較低，而在IAEA安全報告的第10號文件中則不要求對地震誘發(fā)火災的情況進行分析。其主要原因是核電廠主要系統(tǒng)采用抗震設計，震后火災比較少見，且其行為更加復雜，分析難度較大。

按照這些方法實施核電廠內部火災PSA的步驟基本類似，均包括核電廠分區(qū)、選擇設備和電纜、定性和定量篩選、火災模擬、人因分析、定量化等步驟，同時需要借助完整的內部事件PSA模型。在電廠發(fā)生火災事件后，會觸發(fā)火災探測、滅火系統(tǒng)，依此建立火災事件樹，定義需要分析的火災情景，不同的火災情景可能引起不同的內部始發(fā)事件，比如LOCA和喪失主給水等。然后，對內部事件PSA模型進行適當修改以反映火災引起的事件，用以定量化火災的CDF或LERF。在評價過程中需要涉及火災模擬、電路故障分析等，可分別依相應方法開展。

在火災PSA工作的早期階段依照一定的篩選準則篩除不重要的火災隔間和火災情景能夠降低后續(xù)分析的工作量，同時不會對電廠的火災風險有明顯影響。然而，也有些研究人員認為無需開展篩選工作，篩選對內部火災PSA的工作量影響不太明顯，而且未經篩選的火災風險評價更加詳細，能夠更加全面的反映核電廠的火災風險。因此在ASME和ANS的內部火災PSA標準中，定性和定量篩選也僅作為可選任務來處理。

在ASME/ANS RA-Sa-2009中對PSA要素分為高級別要求和支持性要求，而支持性要求又劃分為3種能力類別I、II和III。高級別要求是滿足標準的最低要求，而各能力類別則提出了滿足該能力類別所必需的最低要求。能力類別的劃分并非基于分析中的保守性，而僅表現(xiàn)對現(xiàn)實的貼近情況。一般情況下，能力類別高保守性低，但是對電纜短路引起的誤動作等，能力類別越高，分析中的保守性也會越大，更加符合現(xiàn)實情況。按照ASME標準，上述4種方法所處的能力類別見表1。可以看出NUREG/CR-6850是目前最為詳細、全面的火災PSA方法。

表1 火災PSA方法的能力類別

4 小結

本文介紹了國際上核電廠內部火災PSA的發(fā)展歷史和開展情況，并對主要方法和標準做了簡要介紹。在核電廠風險評價領域，美國一直起著開拓者的作用，對內部火災PSA開展了大量研究，完善了火災PSA的方法和數(shù)據庫，并對各種專題進行了深入研究。其他國家則在學習美國在內部火災PSA方面的經驗其中，德國和韓國在火災PSA領域也取得了很大進展。中國的PSA研究跟蹤世界發(fā)展潮流，對內部火災PSA的研究還處于起步階段應該對其展開積極探索。

在目前可用于內部火災PSA的方法中NUREG/CR-6850是最為全面的方法，同時也比較保守，其各項任務工作量大，在實施過程中也存在一定的難度，可以進行適當?shù)暮喕?/p>

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The State of Art of Internal Fire PSA in Nuc lear Power Plants

YU Xinli1，ZHENG Xiangyang2，ZHAO Bo1
(1China Nuclear Power Engineering Co.Ltd.，Beijing 100840，China;2Nuclear and Radiation Safety Center，MEP，Beijing 100082，China)

The operational experiences of nuclear power plants(NPPs)show that the internal fire challenge effectively the nuclear safety of NPPs.Thus，the authorities having jurisdiction in the world hav enhanced the supervision on fire safety in NPPs，asking the licensees to perform fire hazard analysis and e valuate the fire risk.This articlemainly describes the state of art of internal fire probabilistic safety assess ment(PSA)in the world，and compares themain methods and standards for internal fire PSA.

nuclear power plant;internal fires;PSA