后處理設(shè)施事故分類方法和驗(yàn)收準(zhǔn)則探討

呂 丹 李銳柔 宋鳳麗 汪世軍 張 躍

1（環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心 北京 100082）

2（中國核電工程有限公司 北京 100840）

核燃料后處理是實(shí)現(xiàn)核燃料循環(huán)再利用的重要環(huán)節(jié)之一。相比于核電設(shè)施，其工藝技術(shù)更加多樣化，其放射性危害和化學(xué)危害物料分布更為廣泛[1]。相比于核燃料循環(huán)的前端設(shè)施，其工藝物料的放射性更高，其縱深防御系統(tǒng)采取了多層次保護(hù)措施和手段[2]，工藝系統(tǒng)的封閉考慮了包括設(shè)備和管道、箱室或設(shè)備室覆面、廠房在內(nèi)的三道實(shí)體屏障。基于后處理設(shè)施的特點(diǎn)，其事故分析工作需關(guān)注的危害具有多樣化和分布多處化的特點(diǎn)，需考慮的事故類型也具有多樣化的特性。

事故分類方法和驗(yàn)收準(zhǔn)則是開展事故分析的基礎(chǔ)，目前我國事故分類方法主要基于核安全法規(guī)技術(shù)文件HAFJ0051[3]和核工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)EJ/T 681-92[4]，事故分析所涉及的安全重要物項(xiàng)評(píng)價(jià)方法主要參考EJ/T939-95[5]，事故驗(yàn)收準(zhǔn)則主要依據(jù)EJ849-94[6]。其中，HAFJ0051根據(jù)美國NRC（核管理委員會(huì)）發(fā)布的法規(guī)導(dǎo)則R.G. 3.33[7]及《?？怂珊巳剂匣厥蘸驮傺h(huán)中心初步安分報(bào)告》[8]編寫，將后處理設(shè)施事故分為輕微事故、小事故、大事故、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故和嚴(yán)重事故。EJ/T 681-92參照NRC發(fā)布的R.G.3.26[9]編制，其事故分為異常運(yùn)行事件和事故。絕大多數(shù)事故類型（嚴(yán)重事故除外）在事故分析時(shí)考慮工程措施部分或全部有效，均以廠區(qū)邊界以外的公眾劑量限值[6]作為事故驗(yàn)收依據(jù)。

我國的事故分類方法和驗(yàn)收準(zhǔn)則主要借鑒美國歷史經(jīng)驗(yàn)。為跟蹤了解美國事故分類方法和驗(yàn)收準(zhǔn)則的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)其當(dāng)前監(jiān)管要求進(jìn)行了研究，并對(duì)比分析了歷史工程經(jīng)驗(yàn)與當(dāng)前監(jiān)管要求的差異。

1 歷史工程經(jīng)驗(yàn)

1.1 ?？怂珊巳剂显傺h(huán)中心

埃克松核燃料再循環(huán)中心將事故分為輕微事故和小事故、重大事故、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故、假想事故[10]。由于事故定義可體現(xiàn)事故分類依據(jù)和驗(yàn)收準(zhǔn)則，故根據(jù)事故定義，對(duì)各類事故的發(fā)生可能性、后果和事故案例進(jìn)行歸納，如表1所示。

表1 ?？怂珊巳剂显傺h(huán)中心事故分類依據(jù)和事故案例Table 1 Accident categories in Exxon Nuclear Fuel Recovery and Recycling Center.

（續(xù)表1）

1.2 美國巴威爾核燃料廠

巴威爾核燃料廠將事故分類為：小事故、工藝偏差事故、工藝廢氣封閉系統(tǒng)損壞事故、燃料操作事故、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故[11]。依據(jù)其事故定義，對(duì)各類事故的發(fā)生可能性、后果和事故案例進(jìn)行匯總，如表2所示。

表2 巴威爾核燃料廠事故分類依據(jù)和事故案例Table 2 Accident categories in Barnwell Nuclear Fuel Plant.

（續(xù)表2）

1.3 美國西谷后處理廠

西谷后處理廠將事故分類為：異常運(yùn)行事件和極限事故[12]。根事故定義，其發(fā)生可能性、后果和事故案例總結(jié)如表3所示。

表3 西谷后處理廠事故分類依據(jù)和事故案例Table 3 Accident categories in West Valley Reprocessing Plant.

1.4 歷史工程經(jīng)驗(yàn)比較分析

美國三大后處理設(shè)施的事故分類類別有所不同，但分析對(duì)象都包含以下兩類：預(yù)計(jì)可發(fā)生的、無明顯后果影響的事故和極不可能發(fā)生的、有嚴(yán)重后果影響的事故。

三大后處理設(shè)施事故分類依據(jù)與事故危害的發(fā)生可能性或其后果嚴(yán)重程度有一定聯(lián)系。一般選取造成最大可信后果的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故作為事故分析邊界，以考察設(shè)施整體安全的可接受性。事故后果分析一般考慮工程控制措施有效。不同類別事故的驗(yàn)收主要基于事故后果限值，以10 CFR Part 100[13]和10 CFR Part 20[14]規(guī)定的照射限值作為最大指導(dǎo)值[10–12]。該事故分類方法和驗(yàn)收準(zhǔn)則主要體現(xiàn)了確定論分析方法。

2 當(dāng)前監(jiān)管要求

美國聯(lián)邦法規(guī)(10 CFR)、以及NRC（核管會(huì)）、DOE（能源部）頒布的相關(guān)法規(guī)文件[15–18]均要求采用ISA (Integrated Safety Analysis)的安全分析方法，其方法流程包含了事故分類方法和驗(yàn)收準(zhǔn)則。具體方法指導(dǎo)文件主要包括 NRC頒布的技術(shù)文件NUREG-1520[19]和DOE頒布的標(biāo)準(zhǔn)DOE-STD-3009[20]。

2.1 NUREG-1520監(jiān)管要求

NUREG-1520指出事故分析步驟依據(jù)NUREG-1513[21]實(shí)施，主要包括：危害識(shí)別、危害分析、事件序列確認(rèn)、事故后果和可能性分析、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

通過危害識(shí)別和分析，選取可能造成一定后果水平、需要關(guān)注的始發(fā)事件，進(jìn)一步考慮與始發(fā)事件相對(duì)應(yīng)的工程控制措施，對(duì)事件序列進(jìn)行確認(rèn)。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中，綜合考慮事故（始發(fā)事件疊加工程措施失效）的后果和可能性，采用風(fēng)險(xiǎn)矩陣(表4)對(duì)事故進(jìn)行評(píng)價(jià)和驗(yàn)收。事故后果等級(jí)劃分基于10 CFR 70.61，如表5所示。事故可能性等級(jí)劃分見表6。

表4 NUREG-1520用于事故評(píng)價(jià)的風(fēng)險(xiǎn)矩陣[19]Table 4 Risk matrix with risk index values[19].

表5 NUREG-1520用于事故后果等級(jí)劃分的依據(jù)[19]Table 5 Consequence severity categories based on 10 CFR 70.61[19].

表6 NUREG-1520用于事故可能性等級(jí)劃分的依據(jù)[19]Table 6 Event likelihood categories[19].

2.2 DOE-STD-3009監(jiān)管要求

DOE-STD-3009重點(diǎn)描述了事故分析工作中危害分析、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故和超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故篩選、以及事故分析和評(píng)價(jià)等步驟。危害分析中采用風(fēng)險(xiǎn)矩陣(圖1)對(duì)設(shè)施中所有的潛在危害進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，以篩選和確認(rèn)主要危害項(xiàng)。

通過危害識(shí)別和分析，選取可能造成一定后果水平、需要關(guān)注的始發(fā)事件，進(jìn)一步考慮與始發(fā)事件相對(duì)應(yīng)的工程控制措施，對(duì)事件序列進(jìn)行確認(rèn)。如圖1所示，一般從5?9等級(jí)危害篩選出數(shù)量有限的具有包絡(luò)性或代表性的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故和超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。

事故評(píng)價(jià)時(shí)，考慮始發(fā)事件疊加工程措施失效。事故后果和可能性的劃分依據(jù)分別見表7和表8。

事故評(píng)價(jià)采用風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)，其評(píng)價(jià)指標(biāo)如表9所示。為區(qū)分各風(fēng)險(xiǎn)邊界，此處將邊界按后果從低到高依次定義為邊界①、邊界②和邊界③。

圖1 DOE-STD-3009用于危害分析的可能性和后果分級(jí)矩陣[20]Fig.1 A three-by-three likelihood and consequence ranking matrix for hazard evaluation[20].

表7 DOE-STD-3009用于事故后果等級(jí)劃分的依據(jù)[20]Table 7 Qualitative severity classification table[20].

表8 DOE-STD-3009用于事故可能性等級(jí)劃分的依據(jù)[20]Table 8 Qualitative likelihood classification table[20].

表9 DOE-STD-3009用于事故風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的依據(jù)Table 9 Qualitative risk ranking table.

2.3 當(dāng)前監(jiān)管要求比較分析

NRC頒布NUREG-1520和 DOE頒布DOE-STD-3009均通過全面的危害分析，識(shí)別出相對(duì)完整的事故譜，以此作為事故分類的基礎(chǔ)。

危害分析過程中，兩者的分類依據(jù)和所分類別有所不同。NUREG-1520根據(jù)危害的后果大小，將其分為需要關(guān)注和不需要關(guān)注兩類。而DOE-STD-3009綜合考慮危害的后果和可能性，經(jīng)過風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，將其分為不予關(guān)注、需要關(guān)注和需要重點(diǎn)關(guān)注三類。此外，DOE-STD-3009對(duì)危害進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)時(shí)，后果等級(jí)的考慮權(quán)重大于可能性等級(jí)的考慮權(quán)重(圖1)，比如：第6等級(jí)（可能性等級(jí)低、后果等級(jí)高）劃為需要關(guān)注類，而第4等級(jí)（可能性等級(jí)高、后果等級(jí)低）劃為不予關(guān)注類。

危害分析之后，兩者均采用風(fēng)險(xiǎn)矩陣對(duì)所選事故進(jìn)行評(píng)價(jià)，均以風(fēng)險(xiǎn)矩陣中的風(fēng)險(xiǎn)可接受邊界作為事故驗(yàn)收依據(jù)。所用風(fēng)險(xiǎn)矩陣原理相同，均同時(shí)考慮事故的后果和可能性。但是，兩者所用風(fēng)險(xiǎn)矩陣在細(xì)節(jié)上有所區(qū)別，主要表現(xiàn)為：(1)DOE-STD-3009在發(fā)生可能性等級(jí)劃分方面更加細(xì)化，并且與核電設(shè)施事故可能性劃分等級(jí)[22]具有相似性；(2) NUREG-1520在后果等級(jí)劃分方面更加定量化，明確提出了放射性危害和化學(xué)危害后果的等級(jí)劃分依據(jù)。

3 歷史工程經(jīng)驗(yàn)與當(dāng)前監(jiān)管要求比較分析

綜合NUREG-1520和DOE-STD-3009的特點(diǎn)，以DOE-STD-3009所述事故分析方法的事故分類、評(píng)價(jià)和驗(yàn)收方法為主要指導(dǎo)，以?？怂?、巴威爾和西谷后處理廠各事故類別的描述（分別見表1?3）為基礎(chǔ)，對(duì)歷史工程經(jīng)驗(yàn)各事故類別依次進(jìn)行危害評(píng)價(jià)和事故評(píng)價(jià)，以對(duì)比分析當(dāng)前監(jiān)管要求與歷史工程經(jīng)驗(yàn)在事故分類方法和驗(yàn)收準(zhǔn)則方面的差異。事故后果評(píng)價(jià)部分參考 NUREG-1520后果等級(jí)劃分依據(jù)。

各類事故的危害評(píng)價(jià)主要參照DOE-STD-3009的危害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)矩陣(圖1)進(jìn)行，包括對(duì)危害（始發(fā)事件）的可能性、后果和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)依次進(jìn)行定性評(píng)價(jià)。其中，可能性等級(jí)的定義參照表8，具體定義如表10所示。后果等級(jí)參照表7和表5。

各類事故的事故評(píng)價(jià)主要參照DOE-STD-3009的事故風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)矩陣(表9)進(jìn)行，包括對(duì)事故（始發(fā)事件疊加工程措施失效）的可能性、后果和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)依次進(jìn)行定性評(píng)價(jià)。其中，可能性等級(jí)參照表8，后果等級(jí)參照表7和表5。

以?？怂珊巳剂显傺h(huán)中心的“重大事故”類別為例，由表1可知，該類型事故在壽期內(nèi)可能發(fā)生，事故案例包括設(shè)備故障、爆炸、火災(zāi)、臨界造成的事故，其后果可導(dǎo)致向環(huán)境釋放顯著數(shù)量的放射性物質(zhì)。對(duì)該類型事故進(jìn)行危害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)時(shí)，參照表10，其危害的可能性等級(jí)為“中”或“高”；參照表7和表5，其后果等級(jí)為“中”或“高”；進(jìn)一步參照?qǐng)D1，其風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為5、7、8或9級(jí)，屬于需要關(guān)注或重點(diǎn)關(guān)注的危害范疇。對(duì)該類型事故進(jìn)行事故風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)時(shí)，參照表7和表5，其后果等級(jí)仍為“中”或“高”；由于疊加了工程措施失效的概率，參照表8，當(dāng)其后果等級(jí)為“中”時(shí)，其可能性等級(jí)需降低為“不可能”或“極不可能”，當(dāng)其后果等級(jí)為“高”時(shí)，其可能性等級(jí)必須降低為“極不可能”；進(jìn)一步參照表9，其風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果應(yīng)為邊界②、邊界③或可接受。

表10 歷史工程經(jīng)驗(yàn)各事故類別的危害的可能性劃分依據(jù)Table 10 Ranking of likelihood for the hazard of every accident category in historical engineering experience.

3.1 危害評(píng)價(jià)結(jié)果與討論

各事故類別的危害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果如表11所示。分析結(jié)果顯示，歷史工程經(jīng)驗(yàn)事故分類時(shí)所考慮的后果因素和發(fā)生可能性因素均可包含于危害評(píng)價(jià)的風(fēng)險(xiǎn)矩陣之中，并且工程實(shí)踐中的事故類別均可對(duì)應(yīng)于一定的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)或等級(jí)范圍。由此可見，當(dāng)前監(jiān)管要求對(duì)危害進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)定級(jí)的依據(jù)，與歷史工程實(shí)踐的事故分類依據(jù)有一定相似性。

表11 歷史工程經(jīng)驗(yàn)各事故類別的危害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)Table 11 Hazard risk analysis of each accident category in historical engineering experience.

根據(jù)表11的危害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果，需要關(guān)注或重點(diǎn)關(guān)注的危害（對(duì)應(yīng)等級(jí) 5?9）所對(duì)應(yīng)的事故類別包括：?？怂珊巳剂显傺h(huán)中心所定義的重大事故、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故、假想事故；巴威爾核燃料廠所定義的工藝廢氣封閉系統(tǒng)損壞事故、燃料操作事故、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故；以及西谷后處理廠所定義的極限事故。概括而言，當(dāng)前監(jiān)管要求識(shí)別出的需要關(guān)注或重點(diǎn)關(guān)注的危害，包含了工程實(shí)踐中事故分析的邊界（即最大可信事故）。

工程實(shí)踐中對(duì)于上述的事故類別（對(duì)應(yīng)等級(jí)5?9），普遍進(jìn)行了詳細(xì)、定量的后果分析和評(píng)價(jià)，并以此作為判斷設(shè)施安全可接受性的重要依據(jù)。對(duì)于其余危害（對(duì)應(yīng)等級(jí)1?4），工程實(shí)踐適當(dāng)降低了事故分析深度，一般對(duì)事故后果進(jìn)行定性描述。由此可見，工程實(shí)踐對(duì)當(dāng)前監(jiān)管要求中風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)相對(duì)較高（等級(jí) 5?9）的危害確實(shí)進(jìn)行了關(guān)注或重點(diǎn)關(guān)注，符合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的本意。

3.2 事故評(píng)價(jià)結(jié)果與討論

各類事故的后果、可能性和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果如表12所示。由表12，工程實(shí)踐中所劃分的絕大多數(shù)事故類別均可能歸屬于事故風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)矩陣中的事故邊界（包含邊界①、②和③）。由此可見，當(dāng)前監(jiān)管要求中的事故分析邊界不僅包括工程實(shí)踐中常用的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故，也包括后果輕微但發(fā)生可能性大的小事故。該事故分析范圍與 IAEA《核燃料循環(huán)設(shè)施安全》[23]中安全分析對(duì)象的要求一致。并且，該結(jié)果側(cè)面證實(shí)了工程實(shí)踐中事故分析范圍具有相對(duì)的完整性，并且其事故分類具有一定的合理性。

表12 歷史工程經(jīng)驗(yàn)各事故類別的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)Table 12 Accident risk analysis of each accident category in historical engineering experience.

結(jié)合各類事故的定義描述(見表1?3)以及事故風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果(表12)，將歷史工程經(jīng)驗(yàn)中各類事故的驗(yàn)收準(zhǔn)則與當(dāng)前監(jiān)管要求的事故驗(yàn)收準(zhǔn)則進(jìn)行比較，結(jié)果如表13所示。

由表13的比較結(jié)果可知，歷史工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)工程措施有效情況下的事故后果進(jìn)行分析和驗(yàn)收，體現(xiàn)了確定論分析思想，而當(dāng)前監(jiān)管要求的事故驗(yàn)收不僅考慮了歷史工程實(shí)踐所常用的事故后果驗(yàn)收，還綜合考慮了事故（始發(fā)事件疊加工程措施失效）的可能性，經(jīng)過風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，以風(fēng)險(xiǎn)邊界進(jìn)行事故驗(yàn)收。

當(dāng)前監(jiān)管要求通過可能性評(píng)價(jià)，考察了工程措施的有效性。對(duì)于后果嚴(yán)重的事故，要求其發(fā)生可能性必須?。欢鴮?duì)后果輕微的事故，其發(fā)生概率要求可相對(duì)放寬，由此可對(duì)設(shè)施安全設(shè)計(jì)的平衡性進(jìn)行把握。該評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)充分體現(xiàn)了 IAEA《核燃料循環(huán)設(shè)施安全》[23]的安全設(shè)計(jì)原則。

此外，工程實(shí)踐事故后果評(píng)價(jià)主要考慮放射性危害，當(dāng)前監(jiān)管要求NUREG-1520要求同時(shí)考慮放射性危害、化學(xué)危害和環(huán)境影響，該后果評(píng)價(jià)指標(biāo)更加綜合、全面。

表13 各事故類別歷史工程經(jīng)驗(yàn)與當(dāng)前監(jiān)管要求的驗(yàn)收準(zhǔn)則比較Table 13 Comparison of historical engineering experience and current regulatory requirements on acceptance criteria for each accident category.

4 結(jié)語

美國歷史工程經(jīng)驗(yàn)根據(jù)發(fā)生可能性大小或后果嚴(yán)重程度對(duì)設(shè)施危害進(jìn)行分類，選取最大可信后果的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故作為事故分析邊界，以放射性后果限值作為事故驗(yàn)收依據(jù)，主要體現(xiàn)了確定論分析方法。美國當(dāng)前監(jiān)管要求在歷史工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，引入了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。通過對(duì)設(shè)施的潛在危害進(jìn)行梳理和風(fēng)險(xiǎn)分析，識(shí)別出需要關(guān)注的始發(fā)事件；通過對(duì)事故（始發(fā)事件疊加工程措施失效）的可能性和后果進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，以風(fēng)險(xiǎn)邊界作為事故的驗(yàn)收依據(jù)。評(píng)價(jià)了工程措施的有效性，論證了設(shè)施安全設(shè)計(jì)的合理性，具有重要的借鑒或參考價(jià)值。

1 IAEA. IAEA-TECDOC-1267 procedures for conducting probabilistic safety assessment for non-reactor nuclear facilities[R]. Vienna: IAEA, 2002

2 EJ 877-94, 核燃料后處理廠安全設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[S]. 北京:核工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化研究所, 1994 EJ 877-94, Safety design criteria for nuclear fuel reprocessing plants[S]. Beijing: Institute for Standardization of Nuclear Industry, 1994

3 國家核安全局. HAFJ0051乏燃料后處理廠潛在事故的假設(shè)[G]. 北京: 核科技情報(bào)研究所, 1995 National Nuclear Safety Administration. HAF J0051 hypothesis of potential accidents in the spent fuel reprocessing plant[G]. Beijing: China Nuclear Information Centre, 1995

4 EJ/T 681-92, 核燃料后處理廠安全分析報(bào)告的標(biāo)準(zhǔn)格式與內(nèi)容[S]. 北京: 核工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化研究所, 1992 EJ/T 681-92, Standard format and content of safety analysis reports for fuel reprocessing plants[S]. Beijing:Institute for Standardization of Nuclear Industry, 1992

5 EJ/T 939-95, 核燃料后處理廠建（構(gòu)）筑物、系統(tǒng)和部件的分級(jí)準(zhǔn)則[S]. 北京: 核工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化研究所, 1995 EJ/T 939-95, Classification criteria for structures, systems and components of nuclear fuel reprocessing plants[S].Beijing: Institute for Standardization of Nuclear Industry,1995

6 EJ 849-94, 核燃料后處理廠輻射安全設(shè)計(jì)規(guī)定[S]. 北京: 核工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化研究所, 1994 EJ 849-94, Safety design rules for protection against ionizing radiation of nuclear fuel reprocessing plants[S].Beijing: Institute for Standardization of Nuclear Industry,1994

7 U.S. Nuclear Regulatory Commission. Regulatory guide 3.33 assumptions used for evaluating the potential radiological consequences of accidental nuclear criticality in a fuel reprocessing plant[EB/OL]. http://www.nrc.gov/reading-rm/doc-collections/reg-guides/fuels-materials/rg/,1977

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