池式低溫供熱堆內(nèi)部始發(fā)事件的確定

王靜

摘? 要：池式低溫供熱堆可以在冬季為北方城市提供清潔供暖，減緩因冬季供暖導(dǎo)致的環(huán)境污染。因此，低溫供熱堆需貼近城市建設(shè)，對(duì)其安全性要求更高。而通過(guò)概率安全分析能夠量化反應(yīng)堆放射性釋放風(fēng)險(xiǎn)，識(shí)別反應(yīng)堆設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)并提供設(shè)計(jì)改進(jìn)建議。始發(fā)事件分析是PSA（probabilistic safety analysis，概率安全分析）工作的第一步，也是PSA工作的基礎(chǔ)。對(duì)典型池式低溫供熱堆功率運(yùn)行工況下的內(nèi)部始發(fā)事件開(kāi)展分析，通過(guò)運(yùn)用工程評(píng)價(jià)、主邏輯圖分析和參考清單等方法的結(jié)合，完成了始發(fā)事件的識(shí)別。通過(guò)分析，確定了6組始發(fā)事件，可分為失去冷卻劑和瞬態(tài)兩大類(lèi)別。

關(guān)鍵詞：池式低溫供熱堆? 概率安全分析? 內(nèi)部始發(fā)事件

中圖分類(lèi)號(hào)：TL364? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2020）09（c）-0104-04

Abstract： For pool-type low temperature heating reactor， it can provide clean heating for northern cities in winter and reduce the environmental pollution caused by heating. Therefore， it needs to be constructed close to the city， with high safety performance. The probabilistic safety analysis can quantify the radioactive release risk of the reactor， and identify reactor design weaknesses and provide suggestions for design improvement. The analysis of initiating events is the first step and the basis of PSA. This paper analyzes the internal initiating events of pool-type low temperature heating reactor under power operation condition， and completes the identification of initiating events by using the combination of engineering evaluation， main logic diagram analysis and reference list analysis. Then six groups of initiating events are identified， which can be divided into two categories： loss of coolant and transient.

Key Words： Pool-type low temperature heating reactor; Probabilistic safety ana lysis; Internal initiating events

熱力供應(yīng)是北方供熱地區(qū)冬季的生活必需品，目前我國(guó)集中供熱的熱源以熱電聯(lián)產(chǎn)和區(qū)域鍋爐房為主，所能夠使用的燃料仍然以煤炭為主，而燃煤的排放物是環(huán)境污染源之一。核能作為一種清潔的能源，是當(dāng)前較成熟的替代一次能源的方法之一，利用核能為區(qū)域供熱對(duì)于減少污染的排放、保護(hù)環(huán)境以及緩解燃煤運(yùn)輸壓力等具有積極意義[1]。池式低溫供熱堆直接利用核能給城市供熱，需要貼近城市建設(shè)，因此對(duì)于池式低溫供熱堆的安全性要求更高。為了推廣應(yīng)用，又要求供熱堆具有一定的經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力，為降低建造成本，可以在反應(yīng)堆物項(xiàng)分級(jí)的優(yōu)化、應(yīng)急計(jì)劃區(qū)簡(jiǎn)化等方面開(kāi)展相關(guān)的研究。通過(guò)概率安全分析不僅能夠量化池式低溫供熱堆堆芯損傷頻率和放射性釋放的風(fēng)險(xiǎn)，也能夠?yàn)榘踩旨?jí)的優(yōu)化、應(yīng)急計(jì)劃區(qū)的簡(jiǎn)化、操縱員班組配置優(yōu)化等方面提供技術(shù)支持，在提供經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)確保安全性[2]。

始發(fā)事件分析是開(kāi)展PSA工作的第一步也是關(guān)鍵的步驟，若始發(fā)事件清單不全面，最終得到的PSA結(jié)果是不可信的。本文以200MW池式低溫供熱堆為研究對(duì)象，介紹功率運(yùn)行工況內(nèi)部始發(fā)事件的識(shí)別方法和過(guò)程，給出其內(nèi)部始發(fā)事件清單，為后續(xù)開(kāi)展一級(jí)PSA工作奠定了基礎(chǔ)。

1? 池式低溫供熱堆設(shè)計(jì)

如圖1池式低溫供熱堆設(shè)計(jì)壽命為60年，熱功率200MW。一回路采用雙環(huán)路設(shè)計(jì)，并且允許單環(huán)路運(yùn)行。反應(yīng)堆堆水池高度為26m，直徑為10m，水深25m。主熱傳輸系統(tǒng)由三回路組成：一回路、二回路（隔離回路）、三回路（供熱回路），二回路的運(yùn)行壓力高于一、三回路。

池式低溫供熱堆通過(guò)將堆芯放在常壓水池的深處，利用水層的靜壓力提高堆芯出口水溫，滿(mǎn)足低溫供熱的溫度要求（>90度），具有低溫常壓運(yùn)行、較大的負(fù)反應(yīng)性系數(shù)、大的水容積熱阱等帶來(lái)的較高固有安全性。

池式低溫供熱堆設(shè)計(jì)具有較高的固有安全特性，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）泳池內(nèi)大的水容積能吸收事故工況下的大量能量，保持堆芯長(zhǎng)時(shí)間不會(huì)裸露，無(wú)需人員干預(yù)，即可保證堆芯的余熱冷卻;

（2）堆水池處于常壓環(huán)境，常壓水池在堆芯溫度異常升高時(shí)不存在超壓危險(xiǎn)，不存在安全閥失效及控制棒彈出等事故，也沒(méi)有急劇失壓的可能;

（3）反應(yīng)堆冷卻劑處在低壓下，在異常工況下發(fā)生相變時(shí)，汽液兩相有極大的密度差，造成強(qiáng)負(fù)反應(yīng)性反饋，能迅速抑制堆功率及溫度的升高，進(jìn)而降低功率并導(dǎo)致熱停堆;

（4）設(shè)置中間隔離回路（二回路），并使其壓力高于一回路的壓力，確保放射性水不漏到熱網(wǎng)回路;

（5）堆芯冷卻回路分成2個(gè)環(huán)路，其主要設(shè)備分置在池外的2間互相隔離的艙室內(nèi)，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，可單獨(dú)對(duì)1個(gè)艙室進(jìn)行檢修，而不至于中斷供熱。

2? 內(nèi)部始發(fā)事件的確定

能否全面完整的獲得始發(fā)事件是決定PSA工作質(zhì)量的基礎(chǔ)。確定始發(fā)事件的方法很多，但核電廠是極其復(fù)雜的大型系統(tǒng)，任何方法均難以單獨(dú)獲得完整的始發(fā)事件清單，因此需要數(shù)種方法相結(jié)合并相互印證，以便盡可能獲得完整的始發(fā)事件清單。確定始發(fā)事件的方法[3]大致包括：演繹分析、工程評(píng)價(jià)、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋、參考標(biāo)準(zhǔn)或相似電廠清單。

鑒于目前缺乏池式低溫供熱堆運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，故本文主要采用演繹分析、工程評(píng)價(jià)和參考清單這三種的方法。

2.1 演繹分析

演繹分析法的特點(diǎn)是從某一個(gè)起點(diǎn)自上而下的推演事件，其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于設(shè)計(jì)資料的依賴(lài)較少，始發(fā)事件的識(shí)別范圍較為全面。即使是在設(shè)計(jì)非常粗糙的概念設(shè)計(jì)階段，只要了解電廠主工藝系統(tǒng)的大致配置即可開(kāi)展邏輯演繹方法的分析。

本文主要通過(guò)主邏輯圖法（Master Logic Diagram， MLD）來(lái)識(shí)別始發(fā)事件。主邏輯圖法是一種通過(guò)邏輯演繹來(lái)尋找同研究對(duì)象相關(guān)的系統(tǒng)和過(guò)程之間的邏輯關(guān)系的，并逐級(jí)展開(kāi)尋找潛在的原因，各級(jí)之間的關(guān)系用邏輯門(mén)進(jìn)行連接，其建造過(guò)程非常類(lèi)似于故障樹(shù)的建造過(guò)程，所不同的是在確定每一層內(nèi)容的時(shí)候，是從邏輯上展開(kāi)的，因此它是一種非常嚴(yán)密的邏輯結(jié)構(gòu)[4]。主邏輯圖是一個(gè)推導(dǎo)始發(fā)事件和目標(biāo)事件之間定性關(guān)系的邏輯工具。

池式低溫供熱堆主邏輯圖的目標(biāo)事件是“堆芯損傷”，根據(jù)池式低溫供熱堆設(shè)計(jì)的分析評(píng)價(jià)，得到其始發(fā)事件的主邏輯圖如圖2所示。其中，“堆芯冷卻不足”既包括堆芯失流等造成的堆芯傳熱惡化，也包括失熱阱等造成的長(zhǎng)期緩慢的堆芯過(guò)熱損壞，以及失去冷卻劑等造成的堆芯過(guò)熱損壞。失流主要包括一回路泵故障以及堆水池內(nèi)流道泄漏等導(dǎo)致堆芯流量降低的事件。失熱阱主要包括二回路和三回路系統(tǒng)故障導(dǎo)致傳熱惡化的事件。失去冷卻劑主要指與堆水池相連接的管道不可隔離的泄漏導(dǎo)致堆水池內(nèi)水位下降的事件?！俺β省敝钢苯拥姆磻?yīng)性增加，主要是指控制棒誤提升事件。

2.2 工程評(píng)價(jià)

工程評(píng)價(jià)是指通過(guò)對(duì)電廠系統(tǒng)和設(shè)備失效模式分析從中識(shí)別始發(fā)事件的方法，與演繹分析不同的是，工程分析是從下到上，并且窮舉全部可能與安全相關(guān)的系統(tǒng)的故障模式，逐個(gè)的分析其是否構(gòu)成始發(fā)事件。

與演繹法相比，工程分析方法更加依賴(lài)設(shè)計(jì)資料的完整性，在設(shè)計(jì)資料不足，無(wú)參考電廠的革新型設(shè)計(jì)早期，工程分析難以獲得真正有效的信息。但是在設(shè)計(jì)資料比較充分的前提下，工程分析方法更加能夠識(shí)別底層的關(guān)鍵始發(fā)事件，特別是支持系統(tǒng)相關(guān)的始發(fā)事件。

通過(guò)對(duì)反應(yīng)堆系統(tǒng)和設(shè)備FMEA分析[5]，并評(píng)價(jià)其是否會(huì)導(dǎo)致預(yù)計(jì)運(yùn)行事件或者反應(yīng)堆進(jìn)入事故工況進(jìn)而導(dǎo)致堆芯損傷，最終判斷是否構(gòu)成一個(gè)始發(fā)事件。內(nèi)容較多，此處不詳細(xì)列出整個(gè)FMEA分析表，僅給出示例，如表1所示。

通過(guò)對(duì)堆水池內(nèi)設(shè)備、一回路主冷卻系統(tǒng)、二回路系統(tǒng)、三回路系統(tǒng)、凈化系統(tǒng)、堆水池池水冷卻系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、儀控系統(tǒng)、相關(guān)支持系統(tǒng)等開(kāi)展失效模式及影響分析，在主邏輯圖分析的基礎(chǔ)上，補(bǔ)充完善了始發(fā)事件清單。

2.3 參考清單

參考清單一般是指參考標(biāo)準(zhǔn)或相似電廠始發(fā)事件清單，該項(xiàng)目參考清單包括49-2游泳池式反應(yīng)堆的假設(shè)始發(fā)事件清單及澳大利亞池式輕水堆（OPAL）PSA報(bào)告中的始發(fā)事件清單，結(jié)合池式低溫供熱堆的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，從中篩選出適用于該反應(yīng)堆的始發(fā)事件。

2.4 小結(jié)

綜合上述，得到了池式低溫供熱堆始發(fā)事件清單，見(jiàn)表2。

3? 內(nèi)部始發(fā)事件分組

PSA分析中，一般不會(huì)一一分析每一個(gè)始發(fā)事件，而是在詳細(xì)始發(fā)事件清單的基礎(chǔ)上，對(duì)這些始發(fā)事件進(jìn)行分組，以減少后續(xù)事件樹(shù)分析、定量化分析的工作量。

始發(fā)事件分組一般應(yīng)遵循的基本原則是：每一組始發(fā)事件響應(yīng)相同，能夠用統(tǒng)一事件樹(shù)進(jìn)行分析，或者響應(yīng)略有差異，但是進(jìn)行保守分析不會(huì)導(dǎo)致過(guò)于不真實(shí)的結(jié)果。

一般來(lái)說(shuō)，需要在工作量和工作的精確程度中做平衡，分組越多，往往意味著更大的工作量與更加優(yōu)秀的分析精度。最好的情況是：組內(nèi)有一個(gè)代表性的始發(fā)事件，其頻率最高，電廠響應(yīng)與其他事件相同，或者能夠在現(xiàn)象相似的前提下包絡(luò)其他事件。

池式低溫供熱堆分組結(jié)果見(jiàn)表2。

4? 始發(fā)事件頻率

對(duì)于正在設(shè)計(jì)階段的核動(dòng)力廠來(lái)說(shuō)，沒(méi)有該核動(dòng)力廠的特定數(shù)據(jù)，需要通用數(shù)據(jù)或相似反應(yīng)堆數(shù)據(jù)。池式低溫供熱堆始發(fā)事件頻率定量化方法包括：

（1）根據(jù)設(shè)備失效率計(jì)算始發(fā)事件（組）頻率。如：失流、堆水池冷卻劑泄漏等。

（2）采用通用始發(fā)事件頻率。與參考文獻(xiàn)始發(fā)事件組定義相符的，直接采用通用始發(fā)事件頻率值。如失去廠外電、反應(yīng)性引入等。

（3）特殊始發(fā)事件（組），故障樹(shù)建模分析[6]。如失去熱阱等。

與壓水堆不同的是，因?yàn)榈蜏毓岫褍H用于冬季給用戶(hù)供熱，因此反應(yīng)堆一年內(nèi)的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間為5個(gè)月，約150d，故計(jì)算頻率時(shí)年化時(shí)間采用150d。

經(jīng)計(jì)算分析，得到池式低溫供熱堆始發(fā)事件組頻率如表3所示。

5? 結(jié)語(yǔ)

以池式低溫供熱堆為對(duì)象，采用主邏輯圖法、工程評(píng)價(jià)和參考清單等方法，完成了始發(fā)事件的確定與選擇，得到用于池式低溫供熱堆概率安全分析的始發(fā)事件清單。根據(jù)始發(fā)事件分組原則對(duì)始發(fā)事件進(jìn)行了分組，并計(jì)算了始發(fā)事件組頻率，為后續(xù)事件序列分析等工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

與壓水堆相比，池式低溫供熱堆始發(fā)事件數(shù)量較少，始發(fā)事件分組也較少，始發(fā)事件發(fā)生頻率較低。主要原因是池式低溫供熱堆固有安全性高，系統(tǒng)設(shè)計(jì)沒(méi)有壓水堆復(fù)雜，運(yùn)行環(huán)境要求也較低。

池式低溫供熱堆后續(xù)應(yīng)積極探索概率安全分析的在反應(yīng)堆設(shè)計(jì)及運(yùn)行中的應(yīng)用。例如是否可依據(jù)概率安全分析優(yōu)化池式低溫供熱堆的安全分級(jí)，簡(jiǎn)化應(yīng)急計(jì)劃區(qū)和操縱員班組配置等，在確保反應(yīng)堆安全性的同時(shí)提高經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力。

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