劉傲, 劉濤, 童節(jié)娟
(1.清華大學(xué) 核能與新能源技術(shù)研究院, 北京 100084; 2.教育部先進(jìn)核能技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心, 北京 100084; 3.先進(jìn)反應(yīng)堆工程與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100084)
反應(yīng)堆技術(shù)向模塊化發(fā)展,在核電廠址有限的背景下,核電廠采用多個(gè)反應(yīng)堆模塊布置成為一種新趨勢。概率安全分析(probabilistic safety analysis, PSA)的范圍也需要從單堆分析向多堆及多釋放源分析拓展。始發(fā)事件分析作為PSA的首要步驟,其識別與定量化對于核電廠的風(fēng)險(xiǎn)評估至關(guān)重要。小型模塊化的核能系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)反應(yīng)堆安全性和經(jīng)濟(jì)性的全面發(fā)展,多模塊核電機(jī)組成為近年來各國核電發(fā)展的熱點(diǎn)對象[1-2]。中國的華能石島灣高溫氣冷堆核電站即將裝料運(yùn)行,是世界上首座具有第4代核能系統(tǒng)的安全特性的模塊式高溫氣冷堆商用示范電站[3]。隨著多模塊化機(jī)組的不斷發(fā)展,現(xiàn)有PSA技術(shù)也勢必需要調(diào)整,從只針對單模塊拓展到核電廠范圍的多模塊分析。Zhou等[4]對多機(jī)組概率風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)(multi-unit nuclear power plant probabilistic risk assessment, MUPSA)技術(shù)的研究與發(fā)展進(jìn)行了論述,福島核事故之后,關(guān)于MUPSA的研究取得了一些實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展,國際原子能機(jī)構(gòu)啟動了MUPSA項(xiàng)目[5]。
雖然各國針對MUPSA都有進(jìn)行研究,但截至目前仍未形成成熟統(tǒng)一的方法體系。始發(fā)事件的識別與定量化分析是PSA的關(guān)鍵環(huán)節(jié),多模塊也不例外。專門針對核電廠始發(fā)事件的研究工作并不是很多,何劼等[6]曾在多機(jī)組核電廠總體風(fēng)險(xiǎn)的一級PSA方法研究中提到多機(jī)組廠址的始發(fā)事件可以按照影響機(jī)組的數(shù)量分類,且頻率需要根據(jù)相關(guān)性進(jìn)行調(diào)整;周春林等[7]針對高通量工程試驗(yàn)堆(high flux engineering test reactor, HFETR)的一級PSA工作提出了始發(fā)事件的識別、歸組和頻率確定方法,奠定了后續(xù)HFETR一級PSA的基礎(chǔ);張賽等[8]從廠址風(fēng)險(xiǎn)的角度出發(fā),提出了多堆PRA的始發(fā)事件(initiating event,IE)的定義和分類方法,將多堆廠址的始發(fā)事件分為單堆IE和多堆IE,并給出各類IE的識別方法建議。然而,針對多模塊核電機(jī)組始發(fā)事件的頻率定量化鮮有研究,同時(shí),現(xiàn)有的分析大多只考慮了功率工況始發(fā)事件,對于低功率停堆工況的始發(fā)事件還沒有進(jìn)行系統(tǒng)的分析。
考慮到不同工況下電廠在系統(tǒng)配置、功率水平等方面的不同,會對PSA產(chǎn)生一定的影響,本文首先說明了當(dāng)始發(fā)事件分析范圍擴(kuò)展到具有多個(gè)模塊的核電廠時(shí)需要考慮的幾個(gè)關(guān)鍵要素,其次給出了多模塊組合的IE分析步驟,最后以多模塊高溫氣冷堆為例的喪失廠外電(loss of off-site power,LOOP)為例,對方法的適用性進(jìn)行了驗(yàn)證。
具有相對獨(dú)立性和功能相似性的一組單元可以稱為模塊。在核電廠中,模塊可以是一個(gè)機(jī)組單元、一個(gè)反應(yīng)堆單元、一個(gè)機(jī)柜單元。如中國秦山核電基地目前包括壓水堆、重水堆在內(nèi)的共9臺在運(yùn)機(jī)組[9],即秦山核電基地包括9個(gè)核電模塊。近年來隨著小型模塊化反應(yīng)堆[10]的發(fā)展, 多堆帶一機(jī)的設(shè)計(jì)也越來越多,典型的如高溫氣冷堆示范工程(high temperature gas-cooled reactor-pebble-bed module, HTR-PM)為雙堆帶一機(jī)。2個(gè)反應(yīng)堆設(shè)計(jì)相對獨(dú)立,功能相同,此時(shí)每個(gè)反應(yīng)堆單元可以稱為一個(gè)模塊。但由于同時(shí)也共用一些構(gòu)筑物、系統(tǒng)和設(shè)備,且共用一個(gè)廠址,2個(gè)模塊也必然存在相關(guān)性。多模塊的設(shè)計(jì)使模塊之間相互獨(dú)立,又彼此相關(guān),必然為始發(fā)事件分析提出了新的課題。
電廠運(yùn)行狀態(tài)(plant operating state,POS)是具體的系統(tǒng)配置、控制和保護(hù)邏輯、持續(xù)時(shí)間等的綜合體現(xiàn),確定電廠所處的POS是進(jìn)行PSA的前提。在功率運(yùn)行時(shí),雖然電廠的參數(shù)略有些變化,但所使用的設(shè)備和處于備用狀態(tài)的緩解設(shè)備基本相同,因此,在功率工況下進(jìn)行PSA通常只設(shè)置1個(gè)POS;然而對于低功率和停堆工況,由于余熱衰減、設(shè)備停運(yùn)或因檢修解除備用等各種原因,電廠的狀態(tài)變化較多。隨著這些變化,成功準(zhǔn)則、時(shí)間余量及可用設(shè)備的組合也要發(fā)生變化。因此,在進(jìn)行PSA的過程中,有必要將低功率和停堆工況分為若干個(gè)POS[10-11]。
根據(jù)熱量載出方式、反應(yīng)性控制方式、冷卻劑循環(huán)方式3方面的主要特征,將電廠運(yùn)行全工況劃分為功率工況POS0,POS1,…,POSn(低功率和停堆工況,其中n為低停工況下細(xì)化的電廠狀態(tài)數(shù)),此POS劃分方法對任何堆型均適用。
無論在單模塊PSA還是多模塊PSA中,始發(fā)事件均是事件序列分析的起點(diǎn),也是PSA的重要技術(shù)要素之一[12]。多模塊始發(fā)事件的定義與單模塊情況下的定義相同,即核電廠運(yùn)行過程中發(fā)生的干擾電廠運(yùn)行的事件[13-14],如果相關(guān)的緩解措施(包括安全系統(tǒng)和操縱員動作)不能成功響應(yīng),可能造成不希望的后果,如放射性釋放。始發(fā)事件通常分為內(nèi)部事件和外部事件,其中內(nèi)部事件又分為內(nèi)部危險(xiǎn)。對于多模塊電廠,關(guān)于始發(fā)事件的識別和分類,需要從多模塊的角度來梳理已有單模塊始發(fā)事件清單對多模塊的影響,從而支持關(guān)于多模塊的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)。
本文根據(jù)多模塊核電廠不同的運(yùn)行狀態(tài),識別出與多個(gè)模塊狀態(tài)組合匹配的始發(fā)事件,再對每一狀態(tài)組合下的IE進(jìn)行定量化分析。
對于由多個(gè)模塊組成的核電廠,核電廠運(yùn)行狀態(tài)POS由各個(gè)模塊的狀態(tài)組合而成。因此,首先需要根據(jù)電廠的運(yùn)行控制邏輯,對單個(gè)模塊的狀態(tài)(module operating state, MOS)進(jìn)行研究,劃分出可以包絡(luò)電廠全部運(yùn)行狀態(tài)的主過程;再依次分析每個(gè)主過程,根據(jù)狀態(tài)的轉(zhuǎn)移關(guān)系,劃分出每一主過程下單個(gè)模塊狀態(tài),定義為pre-MOS;將所有主過程的pre-MOS劃分完畢后,集中分析得到的全部pre-MOS,參考以下原則,對pre-MOS進(jìn)行歸并,形成單模塊MOS,具體步驟為:1) 將具有相似系統(tǒng)配置的pre-MOS歸為一組,歸組中考慮保守處理,將事故緩解需求較少、后果不太嚴(yán)重的pre-MOS用事故緩解需求較多、后果更為嚴(yán)重的MOS組包絡(luò);2) 一些持續(xù)時(shí)間較短或不太容易發(fā)生,以至于對總體風(fēng)險(xiǎn)影響較小的MOS,可以考慮忽略;3) 對MOS進(jìn)行電廠參數(shù)、可用系統(tǒng)和部件以及始發(fā)事件的追溯性分析,根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行必要調(diào)整,使MOS代表一類應(yīng)具有相似的電廠參數(shù)、可用系統(tǒng)和部件以及相似的始發(fā)事件清單的模塊狀態(tài)集合。通過該分析方式,便可得到針對單模塊的主過程-MOS對應(yīng)矩陣。
在上述單模塊MOS分析完畢的基礎(chǔ)上,基于多模塊狀態(tài)的耦合分析得到電廠運(yùn)行狀態(tài)POS。首先進(jìn)行主過程的組合(coupling of processes, CPROS)和篩選,若有m個(gè)模塊,且每一模塊的主過程數(shù)為g,則在數(shù)學(xué)上主過程的組合數(shù)為gm,但是需要根據(jù)電廠的控制邏輯對所有組合進(jìn)行篩選,保留符合要求的過程組合。
針對篩選出的每個(gè)主過程組合,進(jìn)行MOS的模塊狀態(tài)組合(coupling of each MOS,CMOS)。當(dāng)核電廠狀態(tài)能夠通過多個(gè)模塊狀態(tài)的組合確定時(shí),CMOS即代表了核電廠運(yùn)行狀態(tài)POS。初始得到的CMOS仍需要經(jīng)過篩選,需要考慮多模塊間共用的系統(tǒng)有哪些、CMOS中的各個(gè)MOS是否會涉及共用系統(tǒng),共用系統(tǒng)的狀態(tài)又是否一致,若不一致則代表該CMOS在物理上是不存在的,需要舍去,完成篩選后,便得到了一系列CMOS,即最終的多模塊狀態(tài)組合。對于由多模塊組成的核電廠而言,核電廠運(yùn)行狀態(tài)由多模塊的組合狀態(tài)代表。同時(shí)通過主過程的建立將電廠全工況過程包含其中,使多模塊狀態(tài)組合能夠體現(xiàn)核電廠從功率運(yùn)行到停堆(含維修停堆),再到啟動達(dá)到功率運(yùn)行狀態(tài)的全工況狀態(tài)。多模塊狀態(tài)組合的分析技術(shù)流程如圖1。
圖1 MOS組合分析方法流程Fig.1 Flow chart of MOS combination analysis method
本文重點(diǎn)關(guān)注同一廠址上多個(gè)相同模塊的情況,暫不考慮同一廠址上不同反應(yīng)堆類型以及非堆芯(如乏燃料、放射性廢物貯存等設(shè)施)的風(fēng)險(xiǎn)。
功率工況下,多模塊始發(fā)事件分析可以充分利用單模塊始發(fā)事件分析的結(jié)果,在單模塊已有分析結(jié)果的基礎(chǔ)上[12],逐個(gè)分析每個(gè)始發(fā)事件組的子始發(fā)事件對多模塊的影響,識別出僅影響單模塊的始發(fā)事件(single module initiating event, SMIE)和會影響多模塊的始發(fā)事件(multi-module initiating event, MMIE),從而確定功率工況下多模塊核電廠始發(fā)事件清單。
與功率工況下的始發(fā)事件識別不同,還要對低功率停堆工況下的特定活動可能引入的始發(fā)事件進(jìn)行分析,將分析結(jié)果補(bǔ)充到始發(fā)事件清單中。這些活動通常包括:1)功率調(diào)節(jié)過程中,一些系統(tǒng)會階段性地退出,一些系統(tǒng)會啟動運(yùn)行。例如HTR-PM在降功率的過程中,汽輪機(jī)會解列,而通過啟停堆系統(tǒng)載熱。系統(tǒng)配置的調(diào)整,會引入新的始發(fā)事件;2)停堆狀態(tài)下開展的預(yù)防性維修活動。在這些活動中人員的潛在失誤會引入新的始發(fā)事件。特別是當(dāng)維修人員相同時(shí),會引入新的多模塊低停始發(fā)事件MMIE。需要再次對識別的始發(fā)事件與MOS的適用性進(jìn)行匹配分析,在此基礎(chǔ)上給出其適用的電廠運(yùn)行狀態(tài)。因?yàn)镸OS不同,系統(tǒng)配置和人員操作等方面存在差異,某些始發(fā)事件可能被實(shí)際消除。通過始發(fā)事件與MOS的匹配性分析,在始發(fā)事件總清單的基礎(chǔ)上,分別給出每個(gè)MOS下適用的始發(fā)事件清單,再結(jié)合2.1節(jié)CMOS的相關(guān)分析,可以得到多模塊核電廠全工況IE清單。
綜上,多模塊核電廠全工況始發(fā)事件的識別流程見圖2。
圖2 多模塊核電廠全工況始發(fā)事件識別流程Fig.2 Flow chart of recognition of IEs in multi-module NPPs under full operating conditions
頻率的定量化首先涉及多模塊處于某個(gè)CMOS下的可能性,其次是在該狀態(tài)下發(fā)生該始發(fā)事件的頻率。由于只影響單模塊的始發(fā)事件在多模塊中同時(shí)發(fā)生的可能性極低,本文重點(diǎn)關(guān)注的是同時(shí)影響多模塊的始發(fā)事件,稱其為“典型始發(fā)事件”,如喪失廠外電等。
多模塊典型始發(fā)事件發(fā)生頻率的估計(jì)方法概括為以下幾個(gè)步驟:
1)單模塊各個(gè)MOS下典型始發(fā)事件頻率為:
fannual,i=fhourly,i·tMOS,i
(1)
式中:fannual,i為MOSi內(nèi)始發(fā)事件每年的發(fā)生頻率,a-1;fhourly,i為特定始發(fā)事件每小時(shí)的發(fā)生率,h-1;tMOS,i為MOSi每年的持續(xù)時(shí)間,h。
2)內(nèi)部事件大多由電廠系統(tǒng)設(shè)備故障或人因事件引起,影響多模塊的內(nèi)部始發(fā)事件主要集中于處于相同MOS的模塊中,但也包含少數(shù)具有相似系統(tǒng)配置的不同MOS。根據(jù)POS組合分析方法,可以得到不同的多模塊MOS組合結(jié)果。
3)多模塊各CMOS下的典型始發(fā)事件頻率的確定:
將式(1)的時(shí)間窗口調(diào)整為MOS組合的持續(xù)時(shí)間:
fannual,i=fhourly,i·tCMOS,i
(2)
式中tCMOS,i為CMOSi每年的持續(xù)時(shí)間,h。
tCMOS,i需要根據(jù)大量的電廠運(yùn)行數(shù)據(jù),分析統(tǒng)計(jì)每年中各個(gè)CMOS的時(shí)間。但由于低功率停堆工況下的電廠現(xiàn)有信息較少,分配到各個(gè)MOS的數(shù)據(jù)更少,從而保守估計(jì),可以直接將低停工況下多模塊始發(fā)事件的時(shí)間窗口定義為CMOS中,單一MOS對應(yīng)的最小的時(shí)間窗口。
本文以2模塊為例對該處理方式進(jìn)行具體的說明,其MOS和時(shí)間窗口如表1所示。
表1 2模塊MOS-時(shí)長對應(yīng)關(guān)系示例說明Table 1 Description of MOS-duration correspondence between two modules
假定(t2+t3)>t1>t2>t3,2模塊在一個(gè)時(shí)間周期(通常為年)內(nèi)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移關(guān)系如圖3所示,按照上述分析,CMOS(1,2)的時(shí)間窗口應(yīng)取t1和t2的最小值,即t2;同理CMOS(1,3)的時(shí)間窗口為t3,由圖可知,實(shí)際情況是CMOS(1,2)的時(shí)間窗口應(yīng)為t2,CMOS(1,3)的時(shí)間窗口應(yīng)為t1-t2 圖3 CMOS時(shí)間窗口舉例論證Fig.3 CMOS duration example demonstration 喪失廠外電是指核電廠同時(shí)喪失主外電網(wǎng)和輔助外電網(wǎng)[15]。喪失廠外電可能由內(nèi)部危險(xiǎn)(例如廠內(nèi)火災(zāi))或外部危險(xiǎn)(例如極端環(huán)境條件或地震)導(dǎo)致。如果內(nèi)外部危險(xiǎn)PSA中已對喪失廠外電進(jìn)行建模分析,則內(nèi)部事件PSA對喪失廠外電的定義中應(yīng)排除上述原因,以避免重復(fù)計(jì)算。研究表明,發(fā)生喪失廠外電在絕大多數(shù)情況下都會引發(fā)核電廠所有機(jī)組同時(shí)進(jìn)入事故狀態(tài)[16],因此喪失廠外電事件是會影響核電廠多個(gè)模塊的典型始發(fā)事件,以此為示例進(jìn)行研究具有一定的代表性和現(xiàn)實(shí)意義。 華能石島灣高溫氣冷堆示范工程(HTR-PM)[17]為雙堆帶一機(jī)的設(shè)計(jì),包含2座反應(yīng)堆和2臺蒸汽發(fā)生器,共用一臺汽輪發(fā)電機(jī)組[12]。1個(gè)反應(yīng)堆和1個(gè)蒸汽發(fā)生器組成了1個(gè)核供熱單元,可以看作為1個(gè)模塊,這樣HTR-PM就是由2個(gè)核供熱模塊和1個(gè)汽輪發(fā)電機(jī)組組成的多模塊核電廠。本文以HTR-PM的喪失廠外電始發(fā)事件為研究對象,對上述的始發(fā)事件分析方法進(jìn)行論證。 HTR-PM功率工況下的PSA報(bào)告[14]中,關(guān)于喪失廠外電的始發(fā)事件頻率為4×10-2/(reactor·a),由于HTR-PM目前還缺乏運(yùn)行數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)參考的是德國HTR-Module的事故分析報(bào)告的數(shù)據(jù)。由于在每年的運(yùn)行時(shí)間內(nèi),大部分時(shí)間處于功率運(yùn)行工況下,保守估計(jì)單模塊功率工況MOS0下的喪失廠外電頻率為4×10-2/(reactor·a)。 在低功率停堆工況下,首先確定模塊處于每個(gè)MOS下的時(shí)間窗口,根據(jù)HTR-PM低功率停堆工況的PSA報(bào)告[11],將單模塊低停工況下的運(yùn)行狀態(tài)劃分為了7個(gè)MOS,每個(gè)MOS的具體特征如表2所示。 表2 HTR-PM單模塊MOS劃分Table 2 MOS division of HTR-PM single module 除功率工況外,由電廠運(yùn)行文件獲得的估計(jì)值已知HTR-PM單模塊在MOS3的時(shí)間窗口最長為720 h,MOS2為44.7 h。根據(jù)圖2的MOS組合方法,可以實(shí)現(xiàn)雙模塊在MOS2與MOS3的組合,即CMOS(2,3),從發(fā)生可能性的角度出發(fā),選取CMOS(2,3)作為論證的典型MOS組合。 首先應(yīng)該明確,由于HTR-PM的2個(gè)模塊完全一致,因此在CMOS(2,3)下發(fā)生喪失廠外電事件包含2種情況:模塊#1處于MOS2,模塊#2處于MOS3;模塊#1處于MOS3,模塊#2處于MOS2,且這2種情況的結(jié)果是一致的。式(2)中的時(shí)間窗口為CMOS(2,3) 的時(shí)間窗口,取MOS2與MOS3中時(shí)間窗口的最小值,即44.7 h,計(jì)算結(jié)果為: fCMOS(2,3),LOOP=4×10-2/(reactor·a)× (3) 由此得到HTR-PM在CMOS(2,3)下發(fā)生喪失廠外電的頻率,可以作為雙模塊PSA的輸入,進(jìn)行后續(xù)的分析。 1)本文立足于以HTR-PM為代表的多模塊核電廠,但是該思想同樣適用于具有相似配置的多機(jī)組核電廠。并且該方法理論上適用于任何堆型和模塊數(shù)的多模塊核電廠,靈活性強(qiáng)。 2)此外,通過HTR-PM核電廠喪失廠外電始發(fā)事件頻率分析示例,對本方法的應(yīng)用方式進(jìn)行了闡述,同時(shí)也證明了該方法的可用性。 關(guān)于始發(fā)事件頻率的定量化,本方法的前提假設(shè)是同一始發(fā)事件在所有運(yùn)行時(shí)間的發(fā)生頻率具有相同的分布特征,但現(xiàn)實(shí)情況可能并非如此,未來還需要對功率運(yùn)行工況與低功率停堆工況下多模塊始發(fā)事件是否有同樣的發(fā)生規(guī)律進(jìn)行論證。根據(jù)PSA應(yīng)用目的的不同,關(guān)于方法的保守性還需要進(jìn)一步弱化,使其更貼近實(shí)際。3 HTR-PM喪失廠外電始發(fā)事件頻率分析
3.1 單模塊各MOS下的喪失廠外電頻率
3.2 雙模塊典型CMOS下的喪失廠外電頻率
4 結(jié)論