鈉冷快堆換料系統(tǒng)可靠性研究

顏 寒，楊紅義，楊 晨

(中國原子能科學(xué)研究院 反應(yīng)堆工程技術(shù)研究部，北京 102413)

以液態(tài)金屬鈉作為冷卻劑為鈉冷快堆帶來了諸多技術(shù)優(yōu)勢[1]，與此同時(shí)，為避免在換料期間反應(yīng)堆一回路內(nèi)的鈉與過多的空氣接觸生成雜質(zhì)，進(jìn)而影響反應(yīng)堆的安全運(yùn)行，鈉冷快堆普遍采用封閉式的“一出一進(jìn)”的換料方式。這種換料方式意味著通過多套復(fù)雜的機(jī)械裝置將堆內(nèi)的乏燃料在受控的氣體環(huán)境條件下逐根替換為燃料組件。這種換料方式的復(fù)雜性遠(yuǎn)較壓水反應(yīng)堆高，期間出現(xiàn)故障的可能性也較壓水堆大[2-3]。

與此同時(shí)，由于鈉冷快堆換料間隔普遍較輕水反應(yīng)堆短，這就使得正常換料時(shí)間在總的運(yùn)行時(shí)間中所占的比例較輕水反應(yīng)堆高，一旦換料過程中出現(xiàn)導(dǎo)致?lián)Q料操作中止或換料速度下降的故障，就可能會對反應(yīng)堆的發(fā)電效率產(chǎn)生較大影響。本文以某典型的鈉冷快堆作為對象，分析其換料系統(tǒng)發(fā)生故障的概率以及換料系統(tǒng)故障對電廠生產(chǎn)可用性的影響。

1 鈉冷快堆換料時(shí)間對電廠可用性的影響

核電廠的運(yùn)行效率對其經(jīng)濟(jì)競爭力影響重大，從不同角度對運(yùn)行效率有不同的衡量方式，如負(fù)荷因子等。可用性是指在不考慮電網(wǎng)調(diào)度的情況下，電廠處于向外輸出電力的時(shí)間與其總的運(yùn)行時(shí)間之間的比值，是一個(gè)從可靠性角度來衡量電廠運(yùn)行效率的指標(biāo)[4-6]。

在20世紀(jì)80年代制定先進(jìn)反應(yīng)堆的技術(shù)要求時(shí)，美國電力研究院要求先進(jìn)輕水反應(yīng)堆(包括先進(jìn)壓水堆與先進(jìn)沸水堆)的生產(chǎn)可用性達(dá)到87%，并認(rèn)為這對于當(dāng)時(shí)在運(yùn)核電廠是一個(gè)“偏高但可以達(dá)到”的值，該指標(biāo)后來成為三代反應(yīng)堆技術(shù)要求的一部分[7]。

關(guān)于與87%生產(chǎn)可用性相對應(yīng)的13%的生產(chǎn)不可用，先進(jìn)輕水反應(yīng)堆用戶要求文件(URD)將其分解為以下幾部分：1) 非計(jì)劃停機(jī)，主要指非計(jì)劃、被迫停機(jī)的頻率與天數(shù)，對于先進(jìn)輕水反應(yīng)堆，此部分約占1%～2%；2) 換料停機(jī)，指不包括設(shè)備更換、反應(yīng)堆正常停機(jī)與換料時(shí)間；3) 計(jì)劃與主要大修，指設(shè)備的維修與更換，但需要強(qiáng)調(diào)的是本部分與換料停機(jī)時(shí)間。

其中換料和主要大修之間顯然重復(fù)，在換料的同時(shí)，不參與換料工作的設(shè)備在可行的情況下可同步進(jìn)行定期維修、檢查以及部件更換。每次換料停機(jī)所消耗的時(shí)間實(shí)際上是由兩者共同決定的。從URD的要求來看，對于輕水反應(yīng)堆，后者是更占據(jù)支配性的因素。

對于鈉冷快堆，導(dǎo)致不可用的因素與壓水堆是趨于相同的[8-10]，區(qū)別在于：1) 由于鈉冷快堆的運(yùn)行數(shù)據(jù)中包含了眾多早期實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆，而鈉冷快堆運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)中包含的主要是非商業(yè)運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)，所以非計(jì)劃停機(jī)所占的比例較高；2) 由于普遍換料間隔較短而換料操作所需時(shí)間較長，因此換料停機(jī)所占的比例較壓水堆高。部分鈉冷快堆的換料時(shí)間以及換料間隔列于表1。

表1 典型鈉冷快堆的換料時(shí)間以及換料間隔Table 1 Typical refueling time and refueling interval time of SFR

2 鈉冷快堆換料系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1 堆內(nèi)換料系統(tǒng)流程圖Fig.1 Flow chart of refueling system in vessel

鈉冷快堆的換料系統(tǒng)主要由堆內(nèi)換料系統(tǒng)、堆外換料系統(tǒng)、乏燃料組件工藝運(yùn)輸系統(tǒng)以及新組件工藝運(yùn)輸系統(tǒng)構(gòu)成。堆內(nèi)換料系統(tǒng)流程如圖1所示，系統(tǒng)內(nèi)的主要設(shè)備有旋塞、控制棒導(dǎo)管提升機(jī)構(gòu)、換料機(jī)、裝料提升機(jī)和卸料提升機(jī)。系統(tǒng)與堆外換料系統(tǒng)以及堆芯存在接口。系統(tǒng)在換料流程中的任務(wù)包括：1) 將堆內(nèi)貯存阱中已存放數(shù)個(gè)周期的乏燃料組件移出反應(yīng)堆(堆外換料系統(tǒng)轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī))；2) 將堆內(nèi)乏燃料組件轉(zhuǎn)運(yùn)至堆內(nèi)貯存阱；3) 將新組件(堆外換料系統(tǒng)轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī))放入堆內(nèi)。

對于控制棒、非能動(dòng)停堆棒等不同的組件類型，堆內(nèi)換料系統(tǒng)所執(zhí)行的換料過程與燃料組件相比略有差異，但考慮到其更換過程較換料過程更為簡單，后續(xù)以燃料組件分析為主。

堆外換料系統(tǒng)由反應(yīng)堆大廳、轉(zhuǎn)運(yùn)室、清洗室及這些工藝間中的新組件裝載機(jī)、轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)、轉(zhuǎn)換桶等設(shè)備組成，負(fù)責(zé)完成新組件從新組件工藝運(yùn)輸系統(tǒng)到入堆及乏燃料組件出堆到乏燃料組件工藝運(yùn)輸系統(tǒng)的一系列轉(zhuǎn)運(yùn)操作。堆外換料系統(tǒng)在換料流程中的任務(wù)包括：1) 將新組件從運(yùn)輸容器開始，依次經(jīng)過若干容器后轉(zhuǎn)運(yùn)到裝料提升機(jī)吊桶位置；2) 將乏燃料組件從卸料提升機(jī)吊桶開始，依次經(jīng)過若干容器后轉(zhuǎn)運(yùn)到乏燃料組件傾斜運(yùn)輸機(jī)插座為止。

此外參與換料過程的系統(tǒng)還包括：1) 乏燃料組件工藝運(yùn)輸系統(tǒng)，負(fù)責(zé)將經(jīng)過清洗的乏燃料組件從乏燃料組件接收室運(yùn)送至乏燃料組件接收水池，在測量檢查完成后移動(dòng)至貯存水池中的貯存格架上。同時(shí)該系統(tǒng)還負(fù)責(zé)破損組件的處理以及乏水池中組件的外運(yùn)。本次分析中不考慮該系統(tǒng)與破損組件處理功能相關(guān)的硬件，僅考慮從乏燃料組件接收室到水池的轉(zhuǎn)運(yùn)過程。2) 新組件的工藝運(yùn)輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)的功能是接收、貯存、檢驗(yàn)以及轉(zhuǎn)運(yùn)新組件。本次分析中不考慮該系統(tǒng)的接收、貯存以及檢驗(yàn)功能相關(guān)的硬件，僅考慮其新組件轉(zhuǎn)運(yùn)功能以及相關(guān)的硬件故障。3) 組件清洗系統(tǒng)，負(fù)責(zé)燃料組件的清洗過程。

鈉冷快堆的換料系統(tǒng)可靠性分析與其他類型反應(yīng)堆換料系統(tǒng)或在核電廠概率安全分析(PSA)中通常進(jìn)行的系統(tǒng)可靠性分析有較大的差異。首先，鈉冷快堆相關(guān)系統(tǒng)的工況較復(fù)雜，對于反應(yīng)堆換料完成乃至于開堆之后，部分換料系統(tǒng)(如乏燃料桶、燃料清洗系統(tǒng))仍在工作，因此不能單純考慮其在“換料”工況下的故障。其次，部分換料系統(tǒng)的設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)較缺乏，這是因?yàn)殁c冷快堆本身運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)不足，且換料系統(tǒng)多數(shù)工況下并不運(yùn)行，而各國換料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)差異也降低了數(shù)據(jù)積累的效率。最后，鈉冷快堆換料過程較復(fù)雜，有諸多抓手、轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械類等間隔運(yùn)行設(shè)備，不能簡單地將其考慮為連續(xù)運(yùn)行或需求運(yùn)行，需要對其工序進(jìn)行詳細(xì)分析。

3 故障模式及影響分析

對上述系統(tǒng)以及系統(tǒng)所屬設(shè)備進(jìn)行了故障模式以及影響分析(FMEA)。FMEA根據(jù)不同目的及設(shè)計(jì)狀態(tài)有不同的執(zhí)行方式，對于本工作，由于已有一套設(shè)計(jì)方案，且FMEA的目的是為了支撐后續(xù)故障樹分析以及故障概率的定量化，因此采用硬件FMEA的方法進(jìn)行。并以整個(gè)反應(yīng)堆換料系統(tǒng)為初始約定層次，以每個(gè)系統(tǒng)手冊中列出的設(shè)備為最低約定層次進(jìn)行自下而上的FMEA。與一般的FMEA不同的是，鈉冷快堆換料系統(tǒng)中所涉及的能動(dòng)部件均為間歇式的工作方式，因此在FMEA表格中增加了兩欄分別列出其換料工序和持續(xù)時(shí)間(表2)。

根據(jù)分析共識別了80個(gè)部件-失效模式，其中5個(gè)會導(dǎo)致?lián)Q料過程中止并引發(fā)一個(gè)預(yù)計(jì)運(yùn)行事件或設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故，這些故障模式主要分布在堆內(nèi)換料系統(tǒng)以及堆外系統(tǒng)中，具體包括：轉(zhuǎn)運(yùn)室轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)在轉(zhuǎn)運(yùn)乏燃料組件時(shí)停止運(yùn)行；轉(zhuǎn)運(yùn)室轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)在轉(zhuǎn)運(yùn)乏燃料組件時(shí)使組件跌落；旋塞在換料機(jī)提升1#位乏燃料組件時(shí)誤動(dòng)作；旋塞在換料機(jī)提升或插入2#位乏燃料組件時(shí)誤動(dòng)作；乏燃料轉(zhuǎn)換桶在乏燃料組件尚未完全入位時(shí)誤動(dòng)作。除此之外，以下故障模式會導(dǎo)致一個(gè)預(yù)計(jì)運(yùn)行事件或設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故，但并不直接導(dǎo)致?lián)Q料過程中止：清洗室轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)在轉(zhuǎn)運(yùn)乏燃料組件時(shí)停止運(yùn)行；清洗室轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)在轉(zhuǎn)運(yùn)乏燃料組件時(shí)使組件跌落。

其余的故障模式中，新組件提升機(jī)以及乏燃料組件提升機(jī)的故障(導(dǎo)致乏燃料組件懸停的故障除外)將使得換料工作的效率降低約50%，但仍能進(jìn)行換料操作，這在鈉冷快堆運(yùn)行歷史上已得到證實(shí)。反應(yīng)堆換料系統(tǒng)對新組件工藝運(yùn)輸系統(tǒng)、乏燃料組件工藝運(yùn)輸系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)以及堆外系統(tǒng)的清洗室部分中相關(guān)的各設(shè)備故障模式反應(yīng)不敏感，多數(shù)故障雖對換料過程存在影響，但并不會導(dǎo)致?lián)Q料速度下降或停止，僅在這些故障長期無法排除的前提下才會影響反應(yīng)堆的可用性。對這種故障的影響必須結(jié)合對故障排出效率的假定進(jìn)行分析。

表2 FMEA表格(部分)Table 2 A part of failure mode and effect analysis

圖2 頂層故障樹Fig.2 Top fault tree

4 故障樹構(gòu)建以及故障概率定量化

在FEMA的基礎(chǔ)上，采用故障樹的方法進(jìn)行定量化分析。故障樹頂事件為：換料系統(tǒng)故障導(dǎo)致?lián)Q料過程中止。其中部分故障樹結(jié)構(gòu)示于圖2、3。

本工作采用自上而下的方式推演故障樹，對每個(gè)基本事件的概率值，需考慮以下要素。

對于非能動(dòng)設(shè)備，基本的任務(wù)時(shí)間考慮為220根換料，每根45 min的工作時(shí)間，即其任務(wù)時(shí)間為165 h。如果設(shè)備在備用期間的故障無法在換料前的定期試驗(yàn)中被操作員識別，則延遲其工作任務(wù)時(shí)間。

對于能動(dòng)設(shè)備，由于多數(shù)設(shè)備能在換料前的定期試驗(yàn)中識別備用期間的故障，因此其每個(gè)故障基本事件的時(shí)間采用表2所列的單個(gè)工序時(shí)間乘以220根。

部件的失效率根據(jù)如下原則采用以下數(shù)據(jù)來源：愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室制作的用于鈉冷快堆PSA的部件可靠性數(shù)據(jù)庫、NRC發(fā)布的NUREG/CR-6928輕水反應(yīng)堆通用可靠性數(shù)據(jù)[11-12]，當(dāng)以上兩者均不可用時(shí)，根據(jù)GJB/Z系列手冊進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)(根據(jù)數(shù)據(jù)采用優(yōu)先級排序)[13-14]。

以乏燃料組件轉(zhuǎn)換桶停運(yùn)為例，前述兩個(gè)通用數(shù)據(jù)庫均未給出數(shù)據(jù)，采取可靠性預(yù)計(jì)的方法以及評價(jià)，采用的運(yùn)行失效率預(yù)計(jì)模型為：

λp=λbπEπQ

式中：λp為運(yùn)行失效率；λb為基本失效率；πE為環(huán)境系數(shù)；πQ為質(zhì)量系數(shù)。乏燃料組件轉(zhuǎn)換桶轉(zhuǎn)速低于10 r/min時(shí)，基本失效率為0.33×10-5h-1。乏燃料組件轉(zhuǎn)換桶固定于堆外，桶內(nèi)裝有放射性乏燃料組件及液態(tài)鈉，采用惡劣地面固定環(huán)境系數(shù)2.5。乏燃料組件轉(zhuǎn)換桶為采用高標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)造的核電設(shè)備，采用GJB/Z 299C中最小質(zhì)量系數(shù)0.5。

圖3 堆內(nèi)換料系統(tǒng)故障樹Fig.3 Fault tree of refueling system in vessel

綜上，乏燃料組件轉(zhuǎn)換桶的運(yùn)行失效率為4.13×10-6h-1。乏燃料組件轉(zhuǎn)換桶每次定位操作用時(shí)2.5 min，則其每次操作的停運(yùn)概率為1.72×10-7h-1，而每次換料需定位440次，則其停運(yùn)概率為7.64×10-5/次。

分析結(jié)果顯示，換料系統(tǒng)發(fā)生導(dǎo)致?lián)Q料中止的故障模式的概率總計(jì)為2.52×10-2/次。詳細(xì)的割集分析顯示，作為一套復(fù)雜的機(jī)械裝置，由于空間和機(jī)械設(shè)計(jì)上的限制，換料系統(tǒng)中部分換料工藝流程缺乏冗余，因此其支配性的割集都僅包含1個(gè)故障事件，F(xiàn)V重要度前5的事件列于表3。

表3 導(dǎo)致?lián)Q料中止的支配性故障Table 3 Key failure leading to refueling process stop

5 討論

在前文完成的定量化分析中，得出了導(dǎo)致?lián)Q料中止的嚴(yán)重故障概率為2.52×10-2/次的結(jié)論。對總的故障概率做出主要貢獻(xiàn)的是各類換料設(shè)備機(jī)械故障，其中換料機(jī)和旋塞的貢獻(xiàn)最大，這主要是因?yàn)檫@兩臺設(shè)備在換料設(shè)備中運(yùn)行環(huán)境最為惡劣。需要強(qiáng)調(diào)的是，有兩類可能導(dǎo)致?lián)Q料中止的故障概率未能考慮入總的概率中。

一是新組件未能完成換料準(zhǔn)備的概率，新組件在換料準(zhǔn)備階段會逐步運(yùn)輸?shù)叫陆M件轉(zhuǎn)換桶中，并完成預(yù)熱，如果在這個(gè)過程中轉(zhuǎn)運(yùn)室轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)或新組件轉(zhuǎn)換桶、新組件運(yùn)輸容器等設(shè)備發(fā)生故障且在換料工作啟動(dòng)前未能及時(shí)排除故障，則換料工作將被延誤。

二是清洗系統(tǒng)長時(shí)間故障導(dǎo)致上一輪換出的乏燃料組件滯留在乏燃料轉(zhuǎn)換桶內(nèi)的概率，考慮到反應(yīng)堆滿功率運(yùn)行時(shí)間為180 d，初步判斷這種概率極小，可忽略。

以上兩種情景發(fā)生的可能性不但與可靠性相關(guān)，還與電廠的運(yùn)行策略(如提前完成新組件裝載的時(shí)間)、技術(shù)規(guī)格書(對于乏燃料桶的運(yùn)行限制，如滿載時(shí)至多允許運(yùn)行的時(shí)間)、故障的排除時(shí)間相關(guān)，本文不對其進(jìn)行詳細(xì)研究。

考慮到反應(yīng)堆滿功率運(yùn)行時(shí)間為180 d，假定每年運(yùn)行1.6個(gè)周期(考慮大修換料等操作)，則導(dǎo)致?lián)Q料系統(tǒng)停運(yùn)故障概率為4.03×10-2次/a，如假定故障排除時(shí)間平均為5 d，則其對可用性的影響約為0.2 d/a，考慮到先進(jìn)輕水反應(yīng)堆用戶要求中由于各類故障導(dǎo)致電廠不可用要求約為5 d/a，該數(shù)值雖較低，但也不可忽略。

以上數(shù)據(jù)相當(dāng)于整個(gè)生命周期將出現(xiàn)1～2次相關(guān)故障，相當(dāng)于預(yù)計(jì)運(yùn)行事件的頻率量級。考慮到一般故障排除后即可重新開始換料，無需反應(yīng)堆重啟，除少數(shù)可能導(dǎo)致組件損傷的事件外，其對反應(yīng)堆可用性的影響小于一般的預(yù)計(jì)運(yùn)行事件。

6 總結(jié)

本文基于FMEA、可靠性預(yù)計(jì)以及故障樹方法對典型鈉冷快堆換料系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行了研究，并對其在換料過程中停運(yùn)的概率進(jìn)行了定量化研究。分析結(jié)果表明，鈉冷快堆換料系統(tǒng)停運(yùn)概率約為4.03×10-2次/a，對反應(yīng)堆可用性的影響約為0.2 d/a。分析中對部分與運(yùn)行方式以及維修時(shí)間相關(guān)的不可用情景未開展詳細(xì)的定量化分析，這部分將在后續(xù)進(jìn)一步研究。