PSA的重要度在風(fēng)險指引型管理中的應(yīng)用

陳 妍，付陟瑋，靖劍平，張春明，劉洪泉

（1.環(huán)境保護部核與輻射安全中心，北京 100082；2.北方電子設(shè)備研究所，北京 100083）

核電廠概率安全評價（Probabilistic Safety Assessment，PSA）能夠系統(tǒng)的分析核電廠的風(fēng)險，并識別對電廠風(fēng)險有重要貢獻的因素，即確認對電廠風(fēng)險有重要貢獻的始發(fā)事件、部件失效、人員失誤、事件序列及系統(tǒng)等。因此，一方面，PSA可以優(yōu)化核電廠的設(shè)計，通過冗余、多樣性等設(shè)計，使電廠的風(fēng)險滿足安全目標；另一方面，PSA可用于運行電廠的風(fēng)險管理，通過改進電廠的在役試驗、設(shè)備分級、維修等活動[1－3］，控制運行電廠的風(fēng)險。

在這些活動中，可以利用PSA中重要度的概念（也稱為安全／風(fēng)險重要度，其描述對電廠安全的影響程度），定量的對核電廠的構(gòu)筑物、系統(tǒng)和部件（SSC）按照重要度進行排序并分類，然后對SSC采取與其重要度相適應(yīng)的管理措施。這樣可以幫助設(shè)計、運行、維修、監(jiān)管人員把資源集中于重要物項，使電廠在滿足安全目標的同時將有限的資源得到優(yōu)化配置。在PSA中，可以定義不同表達式的重要度[4］，這些不同的重要度參數(shù)從不同的角度審視了基本事件（或系統(tǒng)）在不同狀態(tài)（配置）下對核電廠風(fēng)險的影響?；臼录ㄊ及l(fā)事件、部件失效、人員失誤和共因失效等。本文將重點探討PSA中基本事件的重要度含義及其在風(fēng)險指引型管理中的應(yīng)用。

本文首先依據(jù)基本事件各種重要度的定義，研究各種重要度之間的關(guān)系，然后重點討論FV（Fussell－Vesely importance，F(xiàn)V）重要度和風(fēng)險增加當(dāng)量（Risk Achievement Worth，RAW）兩個重要度的含義，并介紹其在在役試驗和設(shè)備分級活動中的應(yīng)用，最后討論目前PSA重要度分析的局限性。

1 幾種重要度的定義

PSA分析電廠風(fēng)險一般是通過計算割集概率的方法得到。在PSA分析基本事件的重要度時，電廠的風(fēng)險可描述為：

其中：R（X）是電廠的風(fēng)險，一般用堆芯損壞頻率（CDF）或早期大量放射性釋放頻率（LERF）度量；X＝（x1，…，xi，…xn）表述所有基本事件的集合，C表示所有最小割集，Ci表示包含基本事件xi的所有最小割集，（C－Ci）表示不包含基本事件xi的所有最小割集，K（Ci）表示由Ci造成的風(fēng)險，L（C－Ci）表示不包含Ci造成的風(fēng)險；從（1）式中，可以定義不同的重要度，從而反映基本事件在特定的狀態(tài)下對電廠風(fēng)險的影響。表1中列出常用的幾種重要度[4］。

表1 幾種重要度的定義Table1 Risk importance measures

續(xù)表

其中：pi為xi基本事件的概率（對頻率型事件指頻率），定義pi＝1為基本事件失效，pi＝0為基本事件的完全可靠（不可用度為0）；R0是電廠的基準風(fēng)險（參考風(fēng)險），Ri＋是基本事件xi的概率為1下的電廠風(fēng)險，Ri－是基本事件xi的概率為0時的電廠風(fēng)險。從表1中可以看出RR、RA和BI是風(fēng)險的差值，一般稱為絕對風(fēng)險變化值；FV、RRW和RAW是風(fēng)險比值，一般稱為相對風(fēng)險當(dāng)量；BI與基本事件的概率無關(guān)；并可以得到以下關(guān)系：

從上式可以看出FV等效RRW；RAW等效RA；BI是PD的特殊形式。因此，重要度參數(shù)可以用FV、RAW和PD表示。

為了深入理解FV、RAW重要度的含義，以CDF中基本事件重要度定義為例進行分析[1］。假設(shè)在某一時刻，只有一個基本事件的概率發(fā)生變化。同時，盡管此基本事件可能處在多個事件序列中，但在每個序列、每個最小割集中，基本事件xi只出現(xiàn)一次，因此（1）式可以簡化表示成：

其中，p為基本事件xi的概率，a×p是所有包含基本事件xi的風(fēng)險，b代表不含xi的其他事件造成的風(fēng)險。a反映了始發(fā)事件頻率和xi相關(guān)的其他SSC的基本事件的不可用度。若a值大，表明需要xi的始發(fā)事件頻率高，或者在相同事件序列中的其他SSC的基本事件不可用度大。同時，a值可以衡量當(dāng)p變化時，與xi相聯(lián)系的SSC的功能冗余或縱深防御程度。a值大，表明冗余度低，即當(dāng)xi失效（p＝1）時，剩余的SSC縱深防御不夠，使系統(tǒng)的風(fēng)險有較大增加。反之，a值小，表明與xi相聯(lián)系的SSC冗余度高，即使xi失效，也能夠提供足夠的縱深防御，使系統(tǒng)風(fēng)險增加較小。在（5）式的假設(shè)下各重要度表達式如下：

因此，常用FV和RAW這兩種重要度評價基本事件的重要性。其中（8）式和（9）式的相等關(guān)系是在（5）式的假設(shè)下成立的，對于同時發(fā)生多個基本事件中需要另行計算。

此外，系統(tǒng)重要度計算與基本事件重要度計算方法相似，例如可以通過將系統(tǒng)的失效概率設(shè)為1，即將模型中相關(guān)系統(tǒng)故障樹的頂事件設(shè)置為“失效”，對CDF重新計算求得系統(tǒng)的重要度。

2 FV和RAW的含義

從（6）式中可以看出，F(xiàn)V衡量當(dāng)前包含xi基本事件的所有割集的風(fēng)險占基準風(fēng)險的比例。當(dāng)ap≤b時，，F(xiàn)V正比于p，即基本事件的不可用度直接影響堆芯損壞頻率。因此，有文獻把FV稱為風(fēng)險重要性參數(shù)（Risk significance）[5］。EPRI[6］提出 FV＞0.5%的部件以及FV＞5%的系統(tǒng)是風(fēng)險重要的。

從（7）式中可以看出，RAW衡量當(dāng)基本事件xi因為失效、試驗或維修等不可用時（p＝1），其需要返回到工作狀態(tài)的迅速程度的要求。RAW重要度大，則要求試驗、維修或失效的時間短，希望盡快使之恢復(fù)到工作狀態(tài)。當(dāng)ap≤b時，，與p無關(guān)，即RAW正比于a，反映了當(dāng)xi失效后剩余系統(tǒng)的縱深防御能力。因此，有文獻把RAW稱為安全重要性參數(shù)（Safety significance）。若 RAW＞2[6］，即若基本事件失效將使系統(tǒng)風(fēng)險增加一倍以上，則判斷此基本事件代表的SSC是安全重要的。

在美國10CFR 50.69SSC[7］的風(fēng)險指引分類中提出 “安全重要功能”（Safety significant function），其定義為當(dāng)SSC的功能退化或失去時，對縱深防御、安全裕度或風(fēng)險造成顯著影響的SSC，統(tǒng)稱為有安全重要功能的SSC。在此定義下，安全重要功能涵蓋了風(fēng)險重要和安全重要，即FV＞0.5%或RAW＞2的SSC都具有“安全重要功能”。

FV取分界值0.5%主要因為在PSA分析技術(shù)中，割集的截斷限值（truncation limit）通常低于CDF三到四個量級，即（10－3～10－4）CDF。若FV大于0.5%，表明SSC對CDF有貢獻（不應(yīng)該被截斷），認為其是風(fēng)險重要的。RAW取分界值2也與截斷限值有關(guān)，同時若CDF約10－5／（堆·年），當(dāng) CDF增加大于一倍，即RAW＞2，意味著 ΔCDF＞10－5／（堆·年），不符合ΔCDF＜10－5／（堆·年）的可接受準則。另外，基本事件的FV和RAW的計算結(jié)果會因計算時截斷的取值不同而不同[8］。由此可以看到，若PSA割集截斷限值改變或ΔCDF的要求改變，重要度的分界值會相應(yīng)調(diào)整；同時合理的截斷值將保障SSC重要度計算數(shù)值的一致性。

以下對單個基本事件發(fā)生情景下的FV和RAW的取值做定量分析討論。

a＞b時的RAW和p，k的關(guān)系如圖1所示，點線表示RAW＝2，點線下方表示RAW＞2，點線的上方表示RAW＜2；

圖1 RAW和FV與k、p的關(guān)系Fig．1 RAW（k，p）and FV（k，p）

因此，僅當(dāng)0＜k＜1即a＞b時，存在FV＜0．5%，RAW＞2的SSC。同時，RAW 隨著k的減小和p的減小而增大，如圖2所示。即若a越大于b，p越小，RAW越大。

圖2 不同RAW和FV與k、p的關(guān)系Fig．2 p－k Curves of Different RAW ＆ FV

依據(jù)FV＞0．5%或RAW＞2的安全重要對SSC分類時，若a≤b時，RAW≤2，可以只按FV對SSC進行分類或排序；當(dāng)a＞b時，綜合FV和RAW共同排序。多個基本事件同時發(fā)生情景下的FV和RAW定量分析相對復(fù)雜但方法類似。

在實際應(yīng)用中，也常用ΔCDF／CDF計算基本事件的影響。對單個基本事件：

若某一時刻同時發(fā)生多個基本事件，多用ΔCDF／CDF評價其綜合造成的風(fēng)險增量：

綜上，常用FV、RAW和ΔCDF作為風(fēng)險指引型管理中SSC的重要度參數(shù)。

3 重要度的應(yīng)用

3．1 在役試驗

在役試驗的目的是檢查SSC的潛在失效，以保證其SSC在需要投入使用時的可靠性和安全性。傳統(tǒng)的在役試驗（頻率和方法）是根據(jù)確定論對電廠安全采取的直觀評價或經(jīng)驗評價確定的。而在風(fēng)險指引型管理中，使用PSA的重要度對SSC進行分類：對高風(fēng)險重要的SSC維持或增加試驗頻率，對低風(fēng)險重要的SSC可以適當(dāng)延長試驗間隔；這樣可以優(yōu)化試驗頻率，把有效的資源集中到較高風(fēng)險的SSC上，提高在役試驗的有效性。

基于風(fēng)險指引型的在役試驗方法，通常利用基本事件的FV和RAW值對核電廠的部件進行分類，如圖3所示。

圖3 在役試驗中部件分類Fig．3 Quadrant plot for component importance

值得注意的是，對B區(qū) （FV＜0．005，RAW＞2）中的部件，盡管其目前風(fēng)險小，但若失效，短期內(nèi)CDF有明顯增加，即在役與否，對風(fēng)險有重要影響。因此，在Comanche Peak Steam[1］核電廠的IST項目中，最初將B區(qū)部件設(shè)為中等安全重要，但之后考慮B區(qū)的特殊性，把B區(qū)設(shè)定為安全重要。由于PSA的計算結(jié)果有不確定性，因此在FV＝0.5% 或RAW＝2附近的SSC需要結(jié)合工程經(jīng)驗謹慎地考慮其分類。鑒于FV近似正比于基本事件的不可用度，RAW與基本事件的不可用度呈弱相關(guān)性，因此主要應(yīng)用FV確定在役試驗的頻率。在役試驗中SSC分類和采取的措施如表2所示。

表2 在役試驗中部件分類和采取的措施Table2 Information in importance measures[4］

此外，在重要度分析的過程中，PSA需要完備的模型和可靠的數(shù)據(jù)，以及需要考慮多個SSC在延長在役試驗時間間隔后對電廠風(fēng)險造成的累積的影響；同時需要結(jié)合確定論和專家組意見，共同確定SSC的分類和延長試驗間隔的可行性。Comanche Peak Steam核電廠對619個部件進行研究，151個部件是高FV的部件，468個部件為低FV部件。TU Electric分析若這468個部件的試驗間隔從季度變?yōu)?年，則ΔCDF／CDF＝13%，在基準CDF為5.72×10－5／（堆·年）的情況下，此風(fēng)險增量是可以接受的[1］。在San Onofre核電廠中，IST計劃包括1 136個部件，180個是高FV部件，665個是低FV、低RAW部件，55個是低FV與高RAW部件。經(jīng)過綜合評價最后提出按季度試驗部件由原來的974個降至282個，冷停堆狀態(tài)下的試驗部件由625個降至83個，換料試驗部件由772個降至214個。

3.2 設(shè)備分級

傳統(tǒng)的SSC分級是以確定論縱深防御原則為基礎(chǔ)，根據(jù)其是否執(zhí)行“反應(yīng)性控制、余熱導(dǎo)出、放射性包容”三大安全功能，把SSC分成安全相關(guān)SSC和非安全相關(guān)SSC，屬于安全相關(guān)的SSC需要執(zhí)行“特殊的處理要求”[9］。在風(fēng)險指引型管理中，設(shè)備分級的目的是調(diào)整“特殊的處理要求”SSC的范圍，使資源集中到安全重要的SSC上，因為非安全級的SSC也有可能是安全重要的。在South Texas項目中，用基本事件的FV和RAW重要度把SSC分成三大類：高（HSS）、中（MSS）和低（LSS）。其中，MSS 分 為 MSS－1 和 MSS－2，MSS－2 是RAW＞10的低FV的SSC，需要對其深入評價。分類如圖4（排序和分類時考慮了CDF和LERF）所示。

圖4 質(zhì)保分級中部件分類Fig.4 Component safety－significance categorization

同時，South Texas依據(jù)SSC分類確定了與之匹配的三個質(zhì)量保證（QA）程序[1］，分別是全面（Full），基礎(chǔ)（Basic）和關(guān)注（Targeted）三種QA。其中，全面級是確保安全相關(guān)且安全重要度高的SSC的設(shè)計性能保持不變的質(zhì)保程序；基礎(chǔ)級是應(yīng)用于安全相關(guān)但是安全重要度較低的SSC的質(zhì)保程序；關(guān)注級應(yīng)用于非安全相關(guān)的SSC。需要指出，采用關(guān)注程序的部件，這些部件將有可能采用全面或基礎(chǔ)質(zhì)保程序。對安全相關(guān)和非安全相關(guān)的部件依照重要度分類后相應(yīng)的QA控制程序，如表3所示。

表3 部件安全重要度分類及其相應(yīng)的QA控制程序Table3 Safety significance categories and related QA control program

續(xù)表

South Texas對26個系統(tǒng)的38 043個部件進行分析研究，結(jié)果如表4所示。經(jīng)過分類，91%的部件不需要全面級的質(zhì)量保證，約2%的非安全相關(guān)的部件需要加強質(zhì)量保證。需要注意的是，PSA的分析結(jié)果需要和工程判斷等結(jié)論一起綜合確定與SSC相配的質(zhì)量保證活動。

表4 South Texas的部件的分類Table4 Numbers of components by safetysignificance categories of south texas

4 重要度的應(yīng)用

綜上，PSA的重要度分析已經(jīng)成為核電廠的風(fēng)險指引型管理的主要方法之一。FV和RAW重要度在風(fēng)險指引型的管理中能夠?qū)穗姀S的SSC分類有定量指導(dǎo)作用。應(yīng)用FV和RAW對SSC排序和分類，并對不同重要度的SSC采取與之相配的在役試驗、設(shè)備分級等措施活動，可以幫助電廠和監(jiān)管人員集中資源于重要物項，使電廠滿足安全目標的同時將有限的資源優(yōu)化配置。此外重要度分析還可用于改進電廠設(shè)計、優(yōu)化電廠狀態(tài)配置、維修和風(fēng)險指引型監(jiān)管等活動中。

隨著PSA技術(shù)的發(fā)展和核電廠應(yīng)用PSA的實踐需求，有必要更深入的研究重要度的適用范圍，考慮在重要度分析中SSC的重要度計算結(jié)果的不確定度以及計算時割集截斷取值的適當(dāng)性，同時注意重要度的分界值可能隨著截斷限值要求或ΔCDF安全要求的變化而改變。此外，最近有文獻深入研究多個基本事件同時發(fā)生時的重要度計算以及共因失效事件的重要度計算方法；也有文獻研究定義新的重要度DIM[10，11］，其主要特點是多個基本事件的重要度具有可加性，但其判斷準則還尚未給出。因此，目前PSA重要度分析還具有一定的局限性，需要進一步深入研究，使重要度分析在核電廠風(fēng)險指引導(dǎo)型管理中的應(yīng)用更加可信有效。

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