單一初始事件中核安全元理論的初步研究

曲莎 張磊

中國中原對外工程有限公司 北京 100044

1 介紹

一些結(jié)合概率和確定性方法的混合方法已經(jīng)應(yīng)用于NPP的可靠性、安全設(shè)計(jì)領(lǐng)域，但模型的不確定和伴隨的過度保守主義使核設(shè)施的成本相應(yīng)提高。因此需要通過概率設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法重新評估其安全水平從而優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文概述了核安全元理論框架，引出了一種分析NPP安全性的系統(tǒng)方法。在單一的初始事件中，事故序列可以通過經(jīng)典的PSA分析和DSA范圍內(nèi)的設(shè)計(jì)評估來確定。由初始事件引起的故障模式時(shí)，各種系統(tǒng)或子系統(tǒng)響應(yīng)，從而根據(jù)相關(guān)操作（正常操作）描述產(chǎn)生的所有四種類型的“容量”和“負(fù)載”，包括概率容量確定性負(fù)載、確定性容量確定性負(fù)載、概率容量概率負(fù)載和確定性容量概率負(fù)載。

2 核安全理論的混合類型

通過深度防御和單一失效標(biāo)準(zhǔn)的確定性安全原則確保核安全。對于任何特定的安全子系統(tǒng)，有必要確定與容量和負(fù)載相對應(yīng)的適當(dāng)數(shù)量。這項(xiàng)工作的主要目的是觀察容量和負(fù)載可以是獨(dú)立的確定性或概率變量。選擇一組有可能啟動(dòng)事故情景的啟動(dòng)事件開始，例如，“失去冷卻劑事故（LOCA）”的內(nèi)部啟動(dòng)事件通常是指涉及各種尺寸的冷卻劑通道斷裂的事件。這導(dǎo)致來自冷卻劑通道的初級熱傳輸水的損失，這隨后導(dǎo)致反應(yīng)器跳閘。

3 經(jīng)典的大LOCA

大LOCA是核安全領(lǐng)域非常重要的事故，其事故序列和時(shí)間過長也得到了廣泛的研究，因此選擇它作為單一初始事件，從而逐一分析出各種響應(yīng)引起的各種“容量”和“負(fù)載”。當(dāng)發(fā)生大破口LOCA事件時(shí)，首先要關(guān)閉反應(yīng)器，以便控制堆內(nèi)反應(yīng)性。然后，作為事故序列的后續(xù)工作，主要安全系統(tǒng)，安全子系統(tǒng)和ESF投入運(yùn)行，包括高壓噴射系統(tǒng)，安全殼噴淋系統(tǒng)，低水頭安全注入系統(tǒng)，核心噴霧再循環(huán)系統(tǒng)等。在識(shí)別事故情景的過程中，通過使用故障樹來模擬NPP對發(fā)起事件發(fā)生的可能響應(yīng)[1]。

4 過程分析

4.1 概率容量確定性負(fù)載情況

第一個(gè)和主要參數(shù)是堆內(nèi)反應(yīng)性值，其上限是一定值（可視為確定性負(fù)載），但其反應(yīng)性的變化是隨機(jī)過程（視為概率容量），取決于冷卻劑的總損失量，則反應(yīng)性控制過程總是“概率容量確定性負(fù)載”的情況。負(fù)載取決于設(shè)計(jì)者的要求，容量（即波動(dòng)率）取決于關(guān)閉操作程序之后改變的功率。通過采用以下方法從已知的統(tǒng)計(jì)分布獲得一些不確定性。不確定性量化以估計(jì)這些計(jì)算量的不確定性。

4.2 確定性容量確定性負(fù)載情況

當(dāng)高壓注射系統(tǒng)開始工作時(shí)，安全注射罐容積直接由堆內(nèi)冷卻劑的冷卻能力決定。然而，冷卻狀態(tài)取決于堆內(nèi)核心的熱量產(chǎn)生，因此在這種情況下它被視為確定性能力，這可以在系統(tǒng)所需的功能下反映出來。同時(shí)，罐體積的設(shè)計(jì)值是固定的，可以看作是“確定性載荷”。因此，該階段是“確定性容量確定性負(fù)載”過程。

在LOCA事件的這個(gè)階段，感興趣的安全子系統(tǒng)是高壓安全注射系統(tǒng)。目的是為傳統(tǒng)PSA建模，重點(diǎn)關(guān)注這個(gè)特定的啟動(dòng)事件和安全子系統(tǒng)。在這種情況下，容量是指用于冷卻堆內(nèi)冷卻劑的注入水量。這幾乎是一個(gè)確定性變量，它被確定為具有假定值的流量和壓力的一些可計(jì)算函數(shù)。

4.3 概率容量概率負(fù)載情況

然后，當(dāng)事故序列開始進(jìn)入遏制噴霧期時(shí)，考慮到堆內(nèi)熱量水平，遏制容器中的水量和供水管道的任何其他用途都是不確定的。此時(shí)，安全注射水箱的容積處于隨機(jī)過程的一定狀態(tài)。它屬于在當(dāng)前情況下從該罐的概率儲(chǔ)水量開始并且在另一個(gè)概率體積相應(yīng)的冷卻水再注入體積結(jié)束的區(qū)域。我們將此階段視為“概率容量概率負(fù)載”階段。

4.4 確定性容量概率負(fù)載情況

最后，如果所有冷卻能力仍不足以建立回收過程，核心將會(huì)融化。在這種情況下，壓力容器中的溫度上升是燃料棒在堆內(nèi)熔化的唯一原因?？梢酝ㄟ^仿真和建模來計(jì)算升溫速率和最終溫度。一旦達(dá)到燃料棒的熔化溫度，將確定核心損壞情況。第一熔體棒的原始熔化溫度和棒的最大熔點(diǎn)可以通過物理量值和其計(jì)算來確定。然而，熔化程度取決于不同的涼爽階段；我們在這里將其視為一種概率。因此，這種情況揭示了“確定性容量概率負(fù)載”的過程；分析程序轉(zhuǎn)為嚴(yán)重事故階段[2]。

5 安全措施

分析了單一初始事件大破口LOCA事故不同“容量-負(fù)載”的所有四種類型變化，從而可以描述整個(gè)事故序列的容量-負(fù)載的變化過程，借助確定性和概率分析方法或多或少可以精確描述每一個(gè)容量和負(fù)載，從而為理論的物理建模提供依據(jù)。根據(jù)元理論假設(shè)，在進(jìn)行容量和負(fù)荷分析時(shí)，需要混合四種“確定性與概率性”“容量-負(fù)荷”進(jìn)行核安全理論分析。此外，當(dāng)給定的啟動(dòng)事件已知容量或負(fù)載的分布時(shí)，其失效概率可通過特殊的雙積分計(jì)算。特別地，當(dāng)容量或負(fù)載中的任一個(gè)或兩者具有可合理地推測已知的分布的概率時(shí)，可以將容量的預(yù)期值超過負(fù)載的相對量作為安全系數(shù)。即使在這種情況下，通常認(rèn)為安全系數(shù)超過實(shí)現(xiàn)成功標(biāo)準(zhǔn)所需的零值是合乎需要的，從而考慮安全子系統(tǒng)的安全性。

然而，重要的是要注意，在一個(gè)單一的啟動(dòng)事件中，它具有識(shí)別這四種類型的邏輯謎題。由于計(jì)算不確定性，難以確定能夠反映特定容量或負(fù)載的物理量。在當(dāng)前框架中，安全裕度的概念僅限于將“負(fù)載”表征為已知數(shù)量，其余量由該負(fù)載到定義的安全限制給出。

6 結(jié)語

傳統(tǒng)上一般通過將安全系數(shù)或邊界應(yīng)用于計(jì)算的最大載荷來引入核安全方法。本文以單一初始事件為例，引入了核安全元理論，初步介紹了一種更加統(tǒng)一的安全分析視圖，并以大LOCA事故為例分析了核安全員理論在單一初始事件下的可行性。同時(shí)，由于在單一初始事件中開發(fā)這四種類型仍然存在邏輯難題，，難以確定能夠反映特定容量或負(fù)載的物理量，因此建議在目前階段可在罕見事件和有限數(shù)據(jù)時(shí)，將專家意見綜合進(jìn)來，可以使用模糊概率標(biāo)識(shí)專家意見，從而時(shí)核安全元理論在實(shí)際工程事件中更具有適用性。