核電廠防火設(shè)計(jì)進(jìn)展分析

蔡雨璽

摘要：核電廠消防安全是核電安全的重要內(nèi)容之一，隨著世界范圍內(nèi)核電廠的安全標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格，防火設(shè)計(jì)技術(shù)需要隨之不斷的進(jìn)步和創(chuàng)新。本文介紹了核電防火設(shè)計(jì)的內(nèi)容及防火設(shè)計(jì)分析的現(xiàn)狀，并結(jié)合核電防火設(shè)計(jì)的發(fā)展要求提出今后核電廠火災(zāi)概率安全分析研究的重點(diǎn)內(nèi)容，以進(jìn)一步完善火災(zāi)概率安全分析水平。

關(guān)鍵詞：核電廠;防火;安全

1 引言

積極推進(jìn)核電建設(shè)是我國能源建設(shè)的一項(xiàng)重要政策，作為技術(shù)成熟、可大規(guī)模應(yīng)用的非化石能源，積極發(fā)展核電對(duì)于保障我國能源需求、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、應(yīng)對(duì)氣候變化和環(huán)境保護(hù)具有重要意義。核電廠在運(yùn)行過程中，其反應(yīng)堆堆芯燃料經(jīng)裂變后會(huì)產(chǎn)生大量放射性物質(zhì)。這些放射性物質(zhì)一經(jīng)泄露，會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成不利影響。因此，在核能的和平利用過程中，安全性是業(yè)內(nèi)及公眾共同關(guān)心的話題。根據(jù)大量的核電廠概率安全分析（Probability Safety Assessment，PSA）研究表明：傳統(tǒng)壓水堆核電廠由火災(zāi)導(dǎo)致的堆芯損壞概率（Core Damage Frequency，CDF）占到全部CDF的20%以上[1];根據(jù)美國M&M保險(xiǎn)咨詢公司統(tǒng)計(jì)，核電廠火災(zāi)損失占到總損失的90%[1]。火災(zāi)已成為核電廠安全最現(xiàn)實(shí)和最直接的威脅之一，如何保障核電廠的消防安全，優(yōu)化核電消防設(shè)計(jì)的安全性和經(jīng)濟(jì)性，是核電廠消防設(shè)計(jì)最為重要的研究課題[2]，因此有必要跟蹤了解世界上先進(jìn)的核電廠防火設(shè)計(jì)方法及趨勢，研究并使之服務(wù)于我國核電消防。

2 核電廠防火目的及內(nèi)容

核電廠運(yùn)行過程中最大的潛在危險(xiǎn)是放射性物質(zhì)的外泄。由于放射性物質(zhì)中包含有長周期壽命的放射性核素，因此放射性物質(zhì)外泄，其危害將超出核電廠區(qū)域，給周邊較大范圍的環(huán)境造成持續(xù)性的影響。因此，核電廠防火設(shè)計(jì)中，最重要的目標(biāo)是防止火災(zāi)帶來的危害導(dǎo)致的堆芯損毀乃至放射性物質(zhì)的外泄。

根據(jù)《核電廠防火》（HAD 102/11）中的規(guī)定，核電廠防火的目的為：在符合其他核安全要求的情況下，核電廠的構(gòu)筑物、系統(tǒng)和部件的設(shè)計(jì)、布置，應(yīng)盡可能降低由于外部或內(nèi)部事件而引起火災(zāi)的可能性，將火災(zāi)的影響降至最低，以實(shí)現(xiàn)如下三個(gè)方面：（1）確保工作人員人身安全;（2）保證安全功能的實(shí)現(xiàn);（3）限制那些由火災(zāi)引起的使設(shè)備長期不可用的損壞事故發(fā)生。

為保障核電廠消防安全目標(biāo)，核電設(shè)計(jì)在工程實(shí)踐中形成了縱深防御的設(shè)計(jì)基本原則，從火災(zāi)預(yù)防、火災(zāi)探測到滅火三個(gè)方面的設(shè)計(jì)中，均考慮了預(yù)防共模失效的方案，即將執(zhí)行同一安全功能的兩個(gè)設(shè)備或系統(tǒng)，采用實(shí)體或空間隔離的方法，放置在不同的防火區(qū)，防止由于火災(zāi)蔓延導(dǎo)致兩個(gè)設(shè)備或系統(tǒng)同時(shí)損壞，進(jìn)而影響其安全功能的執(zhí)行[3-4]。

設(shè)置防火分區(qū)預(yù)防設(shè)備或系統(tǒng)共模失效的設(shè)計(jì)方案是縱深防御原則最重要的體現(xiàn)，實(shí)踐證明，這種設(shè)計(jì)方案大大加強(qiáng)并保障了核電廠的防火安全，但隨之而來的是核電廠建設(shè)及維護(hù)成本的上升。要實(shí)現(xiàn)核電的大規(guī)模發(fā)展，發(fā)揮核電在我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整中的重要作用，在保證核電安全的情況下，必須要兼顧到核電的經(jīng)濟(jì)性。因此，在目前核電廠防火安全的基礎(chǔ)上，需要研究進(jìn)一步優(yōu)化防火設(shè)計(jì)，以提高核電廠的經(jīng)濟(jì)性。

3 核電廠防火設(shè)計(jì)分析

核電廠消防的縱深防御原則，防火分區(qū)或隔離方案的設(shè)置，來源于《核電廠防火（HAD102/11）》中關(guān)于核電廠火災(zāi)危害性分析的要求。在核電工程項(xiàng)目中，在完成核電防火設(shè)計(jì)后，需要開展核電廠的火災(zāi)危害性分析，對(duì)其中的防火薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，以檢驗(yàn)核電廠防火設(shè)計(jì)的完善性。通過對(duì)核電廠的火災(zāi)危害性分析，用于確定所需的防火屏障耐火能力，并且提供必要能力的火災(zāi)探測系統(tǒng)和滅火系統(tǒng)?；馂?zāi)危害性分析實(shí)際上成為判斷核電廠防火設(shè)計(jì)及防火措施是否合理的依據(jù)，因此，火災(zāi)危害性分析過程中，其使用的分析方法對(duì)核電廠防火設(shè)計(jì)的優(yōu)化改進(jìn)至關(guān)重要。

長期以來，國內(nèi)業(yè)界在火災(zāi)危害性分析方面，主要以確定論方法分析為主。隨著人們對(duì)概率論方法的深入研究，概率安全評(píng)價(jià)方法的價(jià)值逐步得到認(rèn)同，火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)分析也從采用確定論方法逐步過渡到采用確定論為主、概率論輔助相結(jié)合的方法。確定論分析方法與概率論分析方法，其區(qū)別在于對(duì)問題分析的假設(shè)不同。其主要區(qū)別包括以下幾個(gè)方面，在核電廠起火的可能性上，確定論分析方法是假定預(yù)定區(qū)域有火災(zāi)發(fā)生，但不考慮起火源項(xiàng);而概率論分析方法中，通過基于通用或者特定電廠的經(jīng)驗(yàn)，評(píng)估特定區(qū)域的火災(zāi)概率。在防火系統(tǒng)的分析上，確定論分析方法認(rèn)為防火系統(tǒng)只要滿足運(yùn)行和安裝要求即可使用，概率論分析方法考慮了自動(dòng)和手動(dòng)火災(zāi)探測和滅火系統(tǒng)的隨機(jī)故障，同時(shí)考慮屏障部件發(fā)生故障的概率。在設(shè)備可用性方面，確定論分析方法假設(shè)火災(zāi)區(qū)域的設(shè)備均不可用，火災(zāi)會(huì)被防火分區(qū)的屏障或滅火系統(tǒng)限制，而不在防火分區(qū)的設(shè)備則均可使用;概率論分析方法是使用火災(zāi)模型來確定設(shè)備的破壞程度，并且考慮未受火災(zāi)影響的部件將會(huì)發(fā)生與火災(zāi)破壞性相一致的隨機(jī)故障。在人員操作方面，確定論分析方法假設(shè)操縱員在火災(zāi)發(fā)生后能直接按照程序要求在最小時(shí)間內(nèi)完成相應(yīng)操作;概率論分析方法考慮了操縱員在壓力情況下出現(xiàn)錯(cuò)誤的可能性。

從以上兩種方法的分析基礎(chǔ)來看，確定論分析方法主要是定性的分析了火災(zāi)可能對(duì)核電廠安全造成哪些潛在的危害，但沒有闡述這些可能性的大小。這樣，以確定論為基礎(chǔ)的核電廠火災(zāi)危害分析最后給出的結(jié)果不是風(fēng)險(xiǎn)值，而是定性地做出防火安全措施是否恰當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)，同時(shí)也滿足對(duì)核電消防的審查要求。概率論分析方法在分析中增加了各個(gè)環(huán)節(jié)及事項(xiàng)不同的可能性，考慮了實(shí)際中可能存在的各種情況，從概念設(shè)計(jì)上比確定論更接近實(shí)際情況。同時(shí)，在概率論分析中，使用了大量的信息源并提供了風(fēng)險(xiǎn)關(guān)系來討論各區(qū)域的重要性和不確定性，在確定火災(zāi)在核電廠不同區(qū)域發(fā)生的相對(duì)重要性方面是非常有用的，可用于指導(dǎo)核電廠防火設(shè)計(jì)及防火措施的重點(diǎn)。因此，在概率論逐步發(fā)展起來后，更受到核電消防者的關(guān)注，也成為核電消防的前沿?zé)狳c(diǎn)和重點(diǎn)。

概率論分析方法中考慮了核電消防中各個(gè)環(huán)節(jié)及事項(xiàng)的不同可能性，由此帶來在實(shí)際操作中的困難主要有兩個(gè)方面，一是分析計(jì)算的內(nèi)容多且計(jì)算量大;二是各種不同事項(xiàng)發(fā)生可能性的大小難于確定。為妥善解決這些困難，核電消防工作者開展了大量的研究，目前，走在核電火災(zāi)概率安全分析研究前列的是美國，美國從上世紀(jì)70年代開始開展核電火災(zāi)概率安全分析研究，經(jīng)過多年的研究積累，逐步形成了一套火災(zāi)概率安全分析研究的方法，并在總結(jié)研究經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，于2005年頒布了《核電廠的火災(zāi)概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法》（NUREG/CR-6850）。在NUREG/CR-6850方法中，為核電廠火災(zāi)概率安全分析的提供了一個(gè)合理的框架來直接考慮火災(zāi)事故下復(fù)雜的現(xiàn)象，并在其參考文獻(xiàn)中提供了大量可借鑒的概率分析數(shù)據(jù)，用于分析討論區(qū)域的重要性和不確定性。鑒于NUREG/CR-6850方法具有技術(shù)先進(jìn)及可操作性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，因此，國內(nèi)業(yè)界工作者均選擇了該方法進(jìn)行研究，并已逐步應(yīng)用于核電廠的風(fēng)險(xiǎn)控制、先進(jìn)反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)開發(fā)、識(shí)別常見的防火問題并確定優(yōu)先級(jí)等。

4 核電廠概率安全分析研究及進(jìn)展分析

在NUREG/CR-6850方法的一般分析過程中，其主要步驟包括：確定分析邊界和分區(qū)，需考慮的部件（設(shè)備）選擇，起火頻率分析，火災(zāi)建模及迭代分析，電纜失效分析，人因可靠性分析，到最后火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)定量化。火災(zāi)概率安全分析是一項(xiàng)循序漸進(jìn)的工作，開始時(shí)需要考慮大量的場景，但是在考慮并發(fā)的任務(wù)后需要對(duì)特定的任務(wù)進(jìn)行精簡，因此它的分析過程是反復(fù)進(jìn)行的，并且需要采用廣泛應(yīng)用的篩選技術(shù)將分析資源集中在最重要的場景中，所以在研究應(yīng)用NUREG/CR-6850方法中仍需要對(duì)分析范圍和場景進(jìn)行優(yōu)化，以確保適當(dāng)?shù)恼w分析范圍及與研究目標(biāo)的一致性。

在起火頻率、電纜失效分析、人因可靠性分析方面，目前尚缺乏足夠數(shù)據(jù)，NUREG/CR-6850方法是通過借鑒其他相近行業(yè)的概率分析數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)用，但畢竟不是核電廠本身的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，相關(guān)源項(xiàng)及部件（設(shè)備）的概率分析數(shù)據(jù)仍然要在核電廠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步積累或?qū)ο嚓P(guān)行業(yè)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

在概率安全分析中，火災(zāi)情景的詳細(xì)分析是最核心的一環(huán)，但目前尚未對(duì)起火源項(xiàng)的火災(zāi)分析模型形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，在《輕水反應(yīng)堆發(fā)電廠防火裝置性能化消防標(biāo)準(zhǔn)》（NFPA 805）中對(duì)火災(zāi)模型的一般要求是“火災(zāi)模型經(jīng)過檢驗(yàn)和確認(rèn)”以及“只有經(jīng)過相關(guān)權(quán)威部門認(rèn)可的火災(zāi)模型才可用于火災(zāi)模擬計(jì)算中”。經(jīng)研究及實(shí)踐表明，在特定情況下，模型假設(shè)的變化會(huì)使評(píng)估火災(zāi)導(dǎo)致的核電廠發(fā)生嚴(yán)重事故的概率發(fā)生變化，由于數(shù)據(jù)的缺乏，目前很多研究中沒有考慮不確定性，普遍使用保守的模型，但是保守的程度并不清楚，這些缺陷需要在進(jìn)一步的研究和發(fā)展中加以改進(jìn)。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，目前火災(zāi)模擬仿真計(jì)算發(fā)展迅速，并可將最新的分析工具應(yīng)用到仿真計(jì)算中，提高分析計(jì)算精度，為火災(zāi)災(zāi)害分析提供更詳細(xì)的信息。

5 結(jié)語

核電廠消防安全是核電廠安全的重要內(nèi)容之一，核電消防經(jīng)過多年的研究及實(shí)踐，形成了縱深防御的設(shè)計(jì)原則，并且通過防火分區(qū)設(shè)置的手段防止用于控制核安全相關(guān)冗余系統(tǒng)的共模失效，很好地保障了核電廠的消防安全。隨著世界范圍內(nèi)核電廠的安全標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格，防火設(shè)計(jì)技術(shù)仍然需要不斷的進(jìn)步和創(chuàng)新，在保障安全的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化消防設(shè)計(jì)以提高核電廠的經(jīng)濟(jì)性是當(dāng)前核電防火設(shè)計(jì)研究的重點(diǎn)?；馂?zāi)危害性分析作為判斷核電廠防火設(shè)計(jì)及防火措施是否合理的依據(jù)，其分析方法對(duì)核電廠防火設(shè)計(jì)的優(yōu)化改進(jìn)至關(guān)重要。火災(zāi)概率安全分析因可用于尋找核電廠特定的薄弱環(huán)節(jié)并識(shí)別相關(guān)潛在改進(jìn)措施而成為核電廠防火設(shè)計(jì)的主要發(fā)展方向，進(jìn)一步優(yōu)化核電防火概率安全分析過程及規(guī)范完善火災(zāi)模型將成為核電防火設(shè)計(jì)工作者今后一段時(shí)間內(nèi)的主要研究內(nèi)容。

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