ESD方法在船用壓水堆事故序列分析中的應用

陳玉清，沈全華，蔡琦

（海軍工程大學，湖北武漢 430033）

0 引言

為了提高人們對核反應堆事故響應序列的認識水平，確保核安全，近年來各核能發(fā)達國家投入了大量精力進行事故序列分析技術(shù)研究，取得了豐碩的成果。在分析方法上，先后提出了擴展事件樹分析方法、GO法、GO-FLOW法、ESD（事件序列圖）方法等動態(tài)事故序列分析方法，彌補了靜態(tài)分析方法的不足，增強了其描述核動力裝置設備狀態(tài)變化、人因問題的能力。在實際應用上，各核電廠基于動態(tài)事故序列分析技術(shù)開發(fā)了風險指示器，用于指導核電廠實際運行，在提高核電廠安全性的同時也取得了巨大的經(jīng)濟效益。

相對于核電廠，船用核反應堆運行工況經(jīng)常變換，同時在異常工況下不允許輕易停堆，停堆可能危及船體安全。核動力系統(tǒng)運行異常時總希望操縱員積極干預，在確保堆芯安全的前提下維持一定的功率水平，因而船用壓水堆事故的動態(tài)響應過程更加復雜多變。為了研究復雜系統(tǒng)事故后的動態(tài)響應圖景，為事故的應急處置提供技術(shù)依據(jù)，人們提出了各種分析方法，文獻［1］對不同方法的特點進行了對比分析，結(jié)果表明在進行動態(tài)事故場景描述方面，ESD方法具有顯著的優(yōu)勢。作為一種直觀的圖形化描述方法，運用ESD方法所得到的事故序列分析結(jié)果能夠為系統(tǒng)提供足夠的結(jié)構(gòu)信息，同時容易被工程技術(shù)人員理解并掌握和應用，為此本文選用事件序列圖方法（ESD）進行船用壓水堆事故序列分析的應用研究。

1 ESD圖形符號

ESD（事件序列圖方法）是1種對關(guān)聯(lián)事件順序進行描述的可視化圖形方法。在核電廠中，ESD被用作檔案管理工具，并進而用作事件樹構(gòu)造的定性輔助工具;Stutzke等在文獻［2］中還提出用ESD來提高操作人員對事故場景的理解，用于這些領(lǐng)域的ESD被稱作為功能事件序列圖。下面介紹一下ESD的基本框架。

ESD分析方法主要由{E，C，G，P，CB，DR}六元組來定義事件、條件、門、過程參數(shù)集、限制以及關(guān)聯(lián)規(guī)則。其中:

E代表事件，在ESD框架中，所有可觀測的物理現(xiàn)象都可以表示為事件，可細分為時間分布事件、基于需求的事件、不可量化事件（即注釋）和終態(tài);

C代表條件，指控制場景按不同路徑發(fā)展的規(guī)則，包括時間條件和物理變量條件，根據(jù)條件是否滿足，系統(tǒng)的事故場景將向著不同的方向發(fā)展;

G代表門，門可以分為與門和或門。它們是用來對單個輸入多個輸出或者多個輸入單個輸出的情況進行建模;

P代表過程變量，由影響系統(tǒng)的時間和物理過程變量組成;

CB代表限制/邊界條件;

DR代表關(guān)聯(lián)規(guī)則。

為對動態(tài)系統(tǒng)進行直觀描述，ESD將其基本要素采用動態(tài)邏輯符號表示，根據(jù)文獻［1］所建立的ESD圖形符號集，為了提供ESD對動態(tài)問題的描述，ESD方法主要包括事件、條件、競爭、順序門、N中取K門、可擴展門和限制等符號，其表示符號如表1所示。

2 事故序列的篩選

詳細考慮反應堆運行狀態(tài)、裝置狀態(tài)、人員干預后，在分析事故序列時會面臨序列組合爆炸的問題，需要對事故序列進行有效的篩選并明確終止條件，找出需要重點關(guān)注的序列，減少事故模擬分析工作，提高分析的效率。

船用核動力裝置的潛在事件序列中存在許多緊密耦合的相互聯(lián)系，包括功能之間、功能與系統(tǒng)之間、系統(tǒng)本身之間的相互聯(lián)系。這些相互聯(lián)系為工程知識和物理原理所定義和辨別，從而使?jié)撛诘南嗷プ饔脭?shù)量大大減少。基于對船用核動力裝置的設計和物理機理的深刻理解，邏輯上將事件序列進行篩選，可以保留從工程觀點角度有物理意義的序列。本文根據(jù)船用反應堆的安全特征，除關(guān)注導致堆芯熔化的事故序列外，還要重點考慮導致反應堆停堆、裝置主動力喪失的事故序列，事故序列分析的終止條件為堆芯熔化、停堆和維持異常狀態(tài)運行。

3 應用

圖1 船用壓水堆系統(tǒng)簡圖Fig.1Schematic of marine PWR system

以雙環(huán)路船用壓水堆控制棒組（束）失控抽出事故為例，反應堆系統(tǒng)簡圖如圖1所示，其中P2和P1分別為左右環(huán)路運行的主冷卻劑泵，SPe為反應堆功率測量傳感器，ST1為反應堆左環(huán)路出口溫度測量傳感器，ST2為反應堆右環(huán)路出口溫度測量傳感器，SP為穩(wěn)壓器壓力測量傳感器，SP1為右環(huán)路蒸汽發(fā)生器二次側(cè)壓力測量傳感器，SP2為左環(huán)路蒸汽發(fā)生器二次側(cè)壓力測量傳感器，CT為反應堆出口溫度控制器，CPe為反應堆功率控制器，CP為穩(wěn)壓器壓力控制器，SDL為反應堆控制棒驅(qū)動控制邏輯，SCM為反應堆控制棒驅(qū)動系統(tǒng)。當反應堆額定滿功率運行狀態(tài)發(fā)生控制棒組（束）抽出事故時，如果功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)投自動，控制棒失控抽出的同時自動調(diào)節(jié)棒將不斷跟蹤下插，堆芯功率分布畸變增加可能會造成堆芯熔化。如果功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)投手動，控制棒失控抽出事故將導致反應堆功率、出口溫度升高，周期變短，可能觸發(fā)超功率反插保護、出口超溫停堆保護、短周期停堆保護。事故發(fā)生后操縱員可以積極干預，如果在保護停堆或堆芯熔化前及時終止事故棒組繼續(xù)抽出、降負荷、降功率，確保堆芯安全的同時可以維持一定的功率水平。根據(jù)事故發(fā)生時系統(tǒng)運行狀態(tài)、人員干預及事故的響應特征，系統(tǒng)的ESD模型如圖2所示。

圖2 基于ESD的控制棒失控抽出事故動態(tài)事件樹Fig.2Dynamic event tree of uncontrolled draw accident of control rod based on ESD

從圖2分析可以看出，船用壓水堆額定功率下發(fā)生控制棒組（束）失控抽出事故后，事故后果主要受功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)、保護系統(tǒng)運行狀態(tài)及人員干預的影響。如果功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)和超功率反插保護不能抑制事故后果，隨著事故棒組的不斷抽出，將觸發(fā)出口超溫停堆保護，反應堆停閉、裝置主動力喪失;如果保護系統(tǒng)失效時，需要及時手動停堆，防止堆芯熔化;如果事故后功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的作用能抑制宏觀測量參數(shù)的變化，宏觀參數(shù)變化不明顯則無法達到保護參數(shù)動作整定值，運行人員也較難及時發(fā)現(xiàn)并終止事故，但功率分布畸變的增大可能導致局部過熱熔化，需要給予特別的關(guān)注。分析結(jié)果還表明這類事故受人員干預影響較大，在整個事故響應進程中人員都可以進行干預，干預及時就可以在確保安全的前提下維持一定的功率水平。

4 結(jié)語

根據(jù)本文的研究可以看出，在進行船用反應堆事故序列分析中，ESD提供了一種簡單的方法來獲得反應堆事故后的復雜動態(tài)圖景，有助于運行人員對事故過程的理解。與傳統(tǒng)的事件樹和故障樹方法相比，ESD方法在描述復雜系統(tǒng)的多狀態(tài)、時間相關(guān)動態(tài)和人因問題上有顯著的優(yōu)勢，其圖形符號簡單易懂，易于工程技術(shù)人員理解、掌握和應用，非常適合于船用反應堆等大型復雜系統(tǒng)的事故序列分析研究。同時在ESD方法中，動態(tài)現(xiàn)象如競爭、時間條件、物理變量條件、延遲等都能描述出來，獲得ESD的定性形式后，易于采用概率動力學理論等量化ESD模型，能獲得事故響應的終態(tài)概率，為進行反應堆系統(tǒng)動態(tài)概率風險評價提供依據(jù)。

［1］周春城．事件序列圖方法及其應用研究［D］．長沙:國防科技大學，2003．

［2］SWAMINATHAN S，SMIDTS C．The event sequence diagram framework for dynamic probabilistic risk assessment［J］．Reliability Engineering＆System Safety．1999，63（1）:73－90．

［4］龔時雨，譚林．基于事件序列圖法的裝備故障風險分析［J］．武器裝備自動化，2006，25（12）:16－17．

［5］周經(jīng)綸，鄭龍．基于ESD的動態(tài)系統(tǒng)安全性建模與實現(xiàn)［J］．計算機工程與應用，2007，43（12）:129－132．

［6］STUTZKE M，et al．Accidentsequenceanalysistask procedrue［Z］．Ginna Nuclear Power Plant PRA Project，Procedure TQAP－2118－1，1，1991．