核電廠外部水淹PSA分析

王　飛，徐志新，段　楓

核電廠外部水淹PSA分析

王飛，徐志新，段楓

（中廣核工程有限公司核電安全監(jiān)控技術(shù)與裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518124）

在福島核事故后，國(guó)內(nèi)對(duì)超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的災(zāi)害尤為關(guān)注，核電廠應(yīng)具備足夠的裕量應(yīng)對(duì)超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)災(zāi)害。而外部水淹是重要的外部災(zāi)害之一。目前關(guān)于超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)外部水淹的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)仍在研究中，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)成熟統(tǒng)一的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法。本文基于國(guó)內(nèi)外調(diào)研和工程實(shí)踐，開(kāi)發(fā)了一套適用于核電廠外部水淹概率安全分析（PSA）的方法，并基于某核電廠開(kāi)展外部水淹PSA的風(fēng)險(xiǎn)分析，以識(shí)別核電廠外部水淹防護(hù)設(shè)計(jì)的薄弱項(xiàng)，優(yōu)化核電廠外部水淹的防護(hù)設(shè)計(jì)。

概率安全分析；外部水淹；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

隨著全球氣候變暖，近年來(lái)極端超強(qiáng)外部災(zāi)害頻繁發(fā)生，比如海嘯、洪水、颶風(fēng)等極端外部自然災(zāi)害，這些災(zāi)害的危害可能會(huì)超出人類(lèi)已有的認(rèn)知水平，極有可能威脅核電廠的安全。然而，核電廠防御外部災(zāi)害的設(shè)計(jì)措施一貫被認(rèn)為已足夠保守，在核電廠壽期內(nèi)幾乎不可能被超越。但上述事件的發(fā)生不斷地提醒人們，超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)外部災(zāi)害可能引發(fā)嚴(yán)重事故，給核電廠帶來(lái)災(zāi)難性的后果。而外部水淹是可能威脅核電廠安全的重要外部災(zāi)害之一。

在福島核事故后，國(guó)內(nèi)外逐漸重視超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)災(zāi)害可能給核電廠帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，特別是外部水淹。例如美國(guó)國(guó)家核管理局發(fā)布了《外部水淹整體評(píng)估導(dǎo)則》[1]，用于指導(dǎo)核電廠外部水淹整體評(píng)估，并要求對(duì)水淹發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)較高的電廠進(jìn)行外部水淹整體評(píng)估。歐盟委員會(huì)決定對(duì)歐盟范圍內(nèi)的所有核電廠開(kāi)展全面的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，外部水淹風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是重點(diǎn)工作之一。國(guó)家核安全局下發(fā)了《福島核事故后核電廠改進(jìn)行動(dòng)通用技術(shù)要求》[2]，要求確定適當(dāng)?shù)某O(shè)計(jì)基準(zhǔn)水淹場(chǎng)景，復(fù)核廠區(qū)排洪能力，評(píng)估廠區(qū)積水高度，根據(jù)評(píng)估結(jié)果采取防水淹措施，防止廠區(qū)積水不受控制地進(jìn)入安全重要廠房。

目前關(guān)于超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)外部水淹的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)仍在研究中，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)成熟統(tǒng)一的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法。國(guó)內(nèi)關(guān)于外部水淹的風(fēng)險(xiǎn)研究較少，主要有濱海核電廠兩種超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)外部水淹工況的研究[3]，以及外部水淹事故對(duì)核電廠安全影響分析[4]，這些研究主要針對(duì)外部水淹情景開(kāi)展定性分析，沒(méi)有系統(tǒng)性地從外部水淹來(lái)源開(kāi)始，全面開(kāi)展核電廠外部水淹定量風(fēng)險(xiǎn)分析。國(guó)外關(guān)于外部水淹的風(fēng)險(xiǎn)研究，主要有J.L.Brinkman等人[5]提出了采用現(xiàn)實(shí)的外部水淹情景模化方法開(kāi)展外部水淹風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，這些方法只是外部水淹風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中某些技術(shù)要素的現(xiàn)實(shí)分析，需要采用專(zhuān)業(yè)軟件進(jìn)行模擬及相關(guān)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。Amine Ben Daoued等人[6]研究了多種水淹現(xiàn)象疊加的頻率評(píng)估方法及應(yīng)用，以便更加現(xiàn)實(shí)地反映多種水淹現(xiàn)象疊加的頻率。其他國(guó)外的研究主要關(guān)于海嘯和風(fēng)暴潮發(fā)生頻率的評(píng)估[7-11]。以上國(guó)內(nèi)的研究主要關(guān)注外部水淹的定性影響分析，國(guó)外的研究主要關(guān)注某些技術(shù)要素的研究，尚未開(kāi)展系統(tǒng)性的外部水淹概率安全分析（PSA）。

因此，基于以上國(guó)內(nèi)外調(diào)研和工程實(shí)踐，本文開(kāi)發(fā)了一套適用于核電廠外部水淹PSA的分析方法，并基于某核電廠開(kāi)展外部水淹PSA的風(fēng)險(xiǎn)分析，以識(shí)別核電廠外部水淹防護(hù)設(shè)計(jì)的薄弱項(xiàng)，優(yōu)化核電廠外部水淹的防護(hù)設(shè)計(jì)。

1　方法概述

本文基于國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求（ASME/ ANS RA-Sb—2013第8部分中關(guān)于外部水淹概率安全分析（PSA）的開(kāi)展要求[12]，IAEA SSG-3中開(kāi)展外部災(zāi)害分析的相關(guān)建議[13]），以及國(guó)外關(guān)于開(kāi)展外部水淹PSA的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)了一套適用于核電廠的外部水淹PSA的分析方法，分析流程如圖1所示。

圖1　外部水淹PSA分析流程

該方法從外部水淹PSA分析所需的信息收集開(kāi)始，對(duì)廠址區(qū)域的水淹進(jìn)行識(shí)別和篩選，確定外部水淹水位，并開(kāi)展不同外部水淹水位的影響分析，基于影響分析結(jié)果，構(gòu)建外部水淹PSA模型，對(duì)外部水淹風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定量化，最后得到定量化結(jié)果和風(fēng)險(xiǎn)見(jiàn)解。

2　方法應(yīng)用

本文基于某核電廠開(kāi)展外部水淹PSA分析，假設(shè)廠址廠坪標(biāo)高7.4 m（±0.00 m），廠址外圍堤壩高度9.6 m（+2.20 m）。

2.1　信息收集

外部水淹PSA分析需收集的信息包括：設(shè)計(jì)基準(zhǔn)降雨值；設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水位；防水門(mén)和密封貫穿件的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)防水淹高度；電廠針對(duì)不同水淹源的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)信息；電廠的廠坪標(biāo)高；電廠外圍的岸堤高度；電廠周?chē)臉?biāo)高；廠房和構(gòu)筑物的室內(nèi)地面標(biāo)高；廠房?jī)?nèi)水淹分區(qū)的布置信息；廠房?jī)?nèi)系統(tǒng)的布置信息；廠房?jī)?nèi)設(shè)備的布置信息；構(gòu)筑物邊界上的門(mén)和貫穿件的布置信息；水淹源的信息；廠址的排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和布置信息等。

2.2　外部水淹源的識(shí)別

為了獲得完整的外部水淹源的清單，外部水淹源的識(shí)別步驟如下：

（1）參考國(guó)際上認(rèn)可的法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)和導(dǎo)則，獲得通用的外部水淹源清單；

（2）為保證外部水淹源清單的完整，基于特定廠址的信息，對(duì)外部水淹源通用清單進(jìn)行復(fù)核。

此外，除了以上單一外部水淹源的識(shí)別，疊加的外部水淹源也可能對(duì)電廠造成風(fēng)險(xiǎn)，因此疊加的外部水淹源需識(shí)別。

疊加的外部水淹源的識(shí)別原則如下：

（1）基于未被篩選的外部水淹源清單，采用矩陣組合形式，識(shí)別兩種外部水淹源的疊加，這些疊加的外部水淹源類(lèi)型包括：后果類(lèi)型的水淹源疊加（類(lèi)型Q）、相關(guān)類(lèi)型的水淹源疊加（類(lèi)型C），以及獨(dú)立類(lèi)型的水淹源疊加（類(lèi)型I）；

（2）基于矩陣組合的疊加結(jié)果，采用工程經(jīng)驗(yàn)識(shí)別三個(gè)及以上的外部水淹源疊加。

比如，本文參考了ASME/ANS RA-Sb— 2013[12]，IAEA SSG-3[13]，西歐核監(jiān)管協(xié)會(huì)（WENRA）導(dǎo)則文件[15, 16]，以及國(guó)外的工程經(jīng)驗(yàn)，得到外部水淹源的通用清單，如表1所示。

表1　外部水淹源通用清單

表2提供了采用矩陣組合形式的水淹源疊加示例。

參照表2形式的水淹源疊加示例，可以開(kāi)展完整的水淹源疊加組合識(shí)別，并結(jié)合核電廠實(shí)際的廠址特征和工程經(jīng)驗(yàn)，能夠識(shí)別潛在的水淹源疊加情景。

表2　水淹源疊加示例

本文中潛在的疊加外部水淹源包括：高潮位疊加極端降雨、風(fēng)引起的波浪疊加極端降雨、風(fēng)暴潮疊加極端降雨、高潮位疊加風(fēng)暴潮，以及高潮位和風(fēng)暴潮疊加風(fēng)引起的波浪。

2.3　外部水淹源的篩選

外部水淹是一種外部災(zāi)害，外部水淹源的篩選準(zhǔn)則參照外部災(zāi)害的篩選準(zhǔn)則進(jìn)行篩選[14]，滿足以下篩選準(zhǔn)則中任意一條可以作為篩除外部水淹源的合理依據(jù)：

（1）準(zhǔn)則1：該事件不適用于分析的廠址；

（2）準(zhǔn)則2：該事件的潛在危害等同或小于電廠設(shè)計(jì)對(duì)外部事件的抵抗能力；

（3）準(zhǔn)則3：該事件發(fā)生位置距電廠較遠(yuǎn)，不足以對(duì)電廠造成影響；

（4）準(zhǔn)則4：該事件已經(jīng)包含在另一事件的定義中；

（5）準(zhǔn)則5：該事件發(fā)展緩慢，并且可以證明有足夠的時(shí)間排除危險(xiǎn)源或者采取措施使電廠不會(huì)受到該事件的影響。

表3提供了外部水淹源篩選分析的示例。

表3　外部水淹源的篩選分析示例

2.4　外部水淹水位的確定

當(dāng)外部水淹發(fā)生，水淹水可能通過(guò)電廠不同的開(kāi)口進(jìn)入廠房?jī)?nèi)部，由于這些開(kāi)口布置的不同，可能存在不同的水淹水位下水能夠進(jìn)入不同的廠房，因此，需根據(jù)核電廠的開(kāi)口布置信息，以及設(shè)計(jì)基準(zhǔn)信息，確定不同的外部水淹水位，以便針對(duì)不同的外語(yǔ)水淹水位開(kāi)展影響分析。本文中的外部水淹水位是指廠址發(fā)生外部水淹可能造成不同影響的外部水淹水位高度，該水位可以發(fā)生在任何的外部水淹水位區(qū)間，也就是不同外部水淹情景下可能達(dá)到的外部水淹水位高度。

為了便于區(qū)分不同的外部水淹水位區(qū)間對(duì)核電廠造成的不同影響，有必要確定用于劃分外部水淹水位區(qū)間的重要外部水淹水位，這些重要的外部水淹水位確定涵蓋如下幾類(lèi)：

（1）最低水位的確定：廠址地面被水淹是外部水淹的開(kāi)始，因此廠址地面是最低的水淹水位；

（2）中間水位的確定：隨著水淹水位的升高，水淹在超過(guò)一些廠房的地面高度時(shí)，這些廠房可能被水淹，則這些廠房的地面高度是某個(gè)中間水位；當(dāng)水淹水位再進(jìn)一步升高，可能水淹通過(guò)一些未封堵的孔洞或貫穿件進(jìn)入廠房，則這些未封堵的孔洞或貫穿件的最低高度是某個(gè)中間水位；

（3）最高水位的確定：當(dāng)水淹水位超過(guò)電廠設(shè)計(jì)的能夠抵御水淹的極限高度時(shí)，比如電廠水密門(mén)的防水淹的設(shè)計(jì)高度，密封貫穿件的防水淹設(shè)計(jì)高度等。根據(jù)這類(lèi)防水淹物項(xiàng)的設(shè)計(jì)高度，確定電廠防水淹的最高水位，也就是電廠可承受的外部水淹水位的極限高度。

以上三類(lèi)水位只是重要的外部水淹水位的類(lèi)別代表，具體的水位劃分需結(jié)合電廠的設(shè)計(jì)情況確定。

本文以某兩個(gè)中間水位為例，開(kāi)展外部水淹水位的確定研究，如表4所示。

當(dāng)外部水淹水位低于和高于中間水位1或中間水位2，存在兩種不同的外部水淹情景，這兩種情景對(duì)核電廠的影響也不相同，因此，這類(lèi)中間水位需識(shí)別并確定。

表4　外部水淹水位確定示例

2.5　外部水淹的影響分析

基于以上的外部水淹水位，確定不同的外部水淹水位區(qū)間。并根據(jù)這些外部水淹水位區(qū)間，以及廠房、水淹分區(qū)、系統(tǒng)和設(shè)備的布置信息，開(kāi)展外部水淹的影響分析。

外部水淹的影響分析涵蓋安全相關(guān)廠房以及與電廠運(yùn)行和事故緩解相關(guān)的廠房。通過(guò)廠房的布置信息，門(mén)、貫穿件和孔洞的布置信息，識(shí)別在不同水淹水位區(qū)間中被水淹影響的廠房，水淹分區(qū)、系統(tǒng)和設(shè)備。基于這些系統(tǒng)和設(shè)備的失效，判斷引起的內(nèi)部始發(fā)事件，可能在同一水淹水位區(qū)間能夠引起不同的內(nèi)部始發(fā)事件，此時(shí)選取在這個(gè)水淹水位區(qū)間中后果最嚴(yán)重的內(nèi)部始發(fā)事件作為該水淹水位區(qū)間的后果，同時(shí)識(shí)別出被水淹影響的設(shè)備清單。通過(guò)這些分析，能夠得到不同水淹水位區(qū)間的包絡(luò)性后果，以及被影響的設(shè)備清單。

在開(kāi)展外部水淹的影響分析時(shí)，假設(shè)廠房邊界上的水密門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)水進(jìn)入廠房后，保守假設(shè)廠房?jī)?nèi)水淹水位以下的所有設(shè)備均失效。

本文以水位區(qū)間（中間水位1～中間水位2：+0.80 m≤水位＜+1.00 m）為例，研究外部水淹對(duì)核電廠的具體影響。當(dāng)極端降雨發(fā)生在這個(gè)水位區(qū)間，水將通過(guò)額外冷卻水和消防水廠房的風(fēng)機(jī)安裝孔洞進(jìn)入該廠房，導(dǎo)致該廠房+1.00 m以下的設(shè)備均失效，即導(dǎo)致額外冷卻水系統(tǒng)喪失，該系統(tǒng)喪失不會(huì)影響機(jī)組運(yùn)行，但是能夠影響事故緩解；此外，在這個(gè)水位區(qū)間，非安全廠房由于沒(méi)有設(shè)置水密門(mén)，水將進(jìn)入這些廠房，比如，汽輪機(jī)廠房地面高度+0.30 m，當(dāng)水位高度高于+0.30 m，水將進(jìn)入該廠房并影響廠房?jī)?nèi)相關(guān)系統(tǒng)和設(shè)備，可能導(dǎo)致二回路瞬態(tài)事故；主變和輔變平臺(tái)+0.35 m，當(dāng)水位高度高于+0.35 m，水將進(jìn)入該平臺(tái)，可能影響主變和輔變的正常功能，進(jìn)而導(dǎo)致喪失廠外電源。

因此，對(duì)于+0.80 m≤水位＜+1.00 m這個(gè)水位區(qū)間，除了這個(gè)水位區(qū)間特有的影響需要考慮外，其水位高度+0.80 m以下更低的水位區(qū)間的影響也需要被考慮，最終這個(gè)水位區(qū)間的影響需涵蓋所有累積的影響。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，由于喪失廠外電源情況下，所有緩解系統(tǒng)的正常電力供應(yīng)喪失，緩解系統(tǒng)只能由柴油發(fā)電機(jī)供電，這種事故情景相比瞬態(tài)更加嚴(yán)重，因此，選取喪失廠外電源作為該水位區(qū)間的包絡(luò)性始發(fā)事件，并且在事故緩解過(guò)程中需考慮額外冷卻水系統(tǒng)不可用。

2.6　外部水淹水位的定量化

外部水淹水位的定量化包括：危險(xiǎn)性分析、易損度分析，構(gòu)建電廠響應(yīng)模型。

2.6.1危險(xiǎn)性分析

篩選保留的水淹源需開(kāi)展危險(xiǎn)性分析，評(píng)估水淹源的發(fā)生頻率。頻率評(píng)估采用特定廠址或廠址所在區(qū)域的水淹源數(shù)據(jù)。根據(jù)外部水淹的不同來(lái)源，分為：廠址內(nèi)的外部水淹和廠址外的外部水淹。廠址內(nèi)的外部水淹主要是極端降雨；廠址外的外部水淹主要是來(lái)自海域的水淹，比如風(fēng)暴潮、海嘯等。

對(duì)于廠址內(nèi)的外部水淹，頻率評(píng)估基于特定廠址的極端降雨數(shù)據(jù)，以及確定的外部水淹水位，計(jì)算這些水位下的超越頻率，并根據(jù)這些水位的超越頻率，計(jì)算水位區(qū)間的頻率。

對(duì)于廠址外的外部水淹，頻率評(píng)估基于特定廠址的水文數(shù)據(jù)，以及確定的外部水淹水位，計(jì)算這些水位下的超越頻率，并根據(jù)這些水位的超越頻率，計(jì)算水位區(qū)間的頻率。

本文以水位區(qū)間（中間水位1～中間水位2：+0.80 m≤水位＜+1.00 m）為例，基于極值理論開(kāi)展廠址內(nèi)水淹（極端降雨，見(jiàn)圖2）和廠址外水淹（海水位，見(jiàn)圖3）的危險(xiǎn)性分析。

圖2中數(shù)據(jù)是本文所參考廠址的24小時(shí)內(nèi)極端降雨數(shù)據(jù)。根據(jù)圖2，超越+0.80 m的極端降雨發(fā)生頻率為1.50×10-7/a，超越+1.00 m的極端降雨發(fā)生頻率為4.00×10-8/a，則該水淹區(qū)間（+0.80 m～+1.00 m）發(fā)生極端降雨的頻率為1.10×10-7/a。這個(gè)頻率數(shù)據(jù)采用電廠24小時(shí)（與PSA模型任務(wù)時(shí)間保持一致）內(nèi)的累積降雨深度，沒(méi)有考慮電廠排水、滲透、蒸發(fā)等因素，因此這個(gè)頻率數(shù)據(jù)是較為保守的數(shù)據(jù)。如果外部水淹的評(píng)價(jià)結(jié)果中，降雨的風(fēng)險(xiǎn)占主導(dǎo)或者相對(duì)突出，這部分?jǐn)?shù)據(jù)需考慮電廠的排水等因素，以降低其保守性。

圖3中數(shù)據(jù)是本文所參考廠址的潮汐增水和風(fēng)暴潮增水疊加后的極端海水位數(shù)據(jù)。根據(jù)圖 3，超越+0.80 m的海水位發(fā)生頻率為6.82×10-6/a，超越+1.00 m的海水位發(fā)生頻率為3.68×10-6/a，則該水淹區(qū)間（+0.80～+1.00 m）發(fā)生海水水淹的頻率為3.14×10-6/a。這個(gè)頻率數(shù)據(jù)是考慮潮汐增水和風(fēng)暴潮增水疊加后的海水位的頻率數(shù)據(jù)，這個(gè)疊加水位相比波浪的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，可以考慮為相對(duì)的靜態(tài)水位，而波浪引起的增水則是相對(duì)動(dòng)態(tài)的水位。

圖2　極端降雨的超越頻率

圖3　海水位的超越頻率

在核電廠的堤壩設(shè)計(jì)中，除了堤壩自身的高度和坡度設(shè)計(jì)可以降低波浪的越浪率外，還將考慮防浪墻用于阻擋波浪越過(guò)堤壩，而且對(duì)于越浪引起的增水將通過(guò)電廠的排水設(shè)施排出廠外。

（1）在堤壩完整的情況下，波浪的增水可被電廠排水設(shè)施排至廠外；

（2）在堤壩損壞的情況下，極端海水位（潮汐和風(fēng)暴潮）疊加波浪增水并且導(dǎo)致堤壩損壞，此時(shí)廠址內(nèi)水位和廠址外水位一致，這種情況的發(fā)生頻率已很低。

因此，極端海水位疊加波浪的增水的危險(xiǎn)性分析不再開(kāi)展詳細(xì)分析。

2.6.2易損度分析

外部水淹可能損壞廠址外圍的堤壩、廠房邊界的水密門(mén)等完整性，并且外部水淹也可能通過(guò)廠房邊界上未封堵的孔洞或貫穿件進(jìn)入廠房，導(dǎo)致廠房?jī)?nèi)設(shè)備被水淹進(jìn)而失效。對(duì)于廠址外圍的堤壩、廠房邊界的水密門(mén)的易損度分析，需考慮這些防護(hù)設(shè)施的失效概率。對(duì)于廠房?jī)?nèi)的設(shè)備，保守考慮外部水淹水位以下的所有設(shè)備均失效。

根據(jù)調(diào)研[5]，堤壩的失效模式主要包括：水從堤壩頂部漫過(guò)（失效模式1）、水的滲透引起堤壩結(jié)構(gòu)失穩(wěn)（失效模式2）、波浪侵蝕導(dǎo)致堤壩頂部結(jié)構(gòu)損壞（失效模式3）、水壓損壞堤壩的基座（失效模式4）。在某個(gè)特定的海水位下，這些故障模式都有不同的條件失效概率。比如，隨著廠址外水淹水位的不斷升高，失效模式1可能逐漸變?yōu)橹鲗?dǎo)的失效模式。

目前，根據(jù)調(diào)研結(jié)果，尚無(wú)詳細(xì)可操作的外部水淹情景下構(gòu)筑物失效的易損度評(píng)估方法。本文中堤壩和水密門(mén)的易損度評(píng)估參考行業(yè)的通用數(shù)據(jù)或統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以均值的形式評(píng)估。比如：廠房邊界上的水密門(mén)的失效概率參考NUREG/CR-4840—1990取值7.40×10-3。

2.6.3構(gòu)建電廠響應(yīng)模型

基于內(nèi)部事件一級(jí)PSA模型構(gòu)建外部水淹PSA模型，并根據(jù)外部水淹的影響分析結(jié)果、危險(xiǎn)性分析結(jié)果、易損度分析結(jié)果，構(gòu)建外部水淹前置事件樹(shù)和設(shè)置邊界條件。具體步驟如下：

（1）根據(jù)外部水淹的影響分析結(jié)果，能夠得到不同水位區(qū)間導(dǎo)致的內(nèi)部始發(fā)事件和受水淹影響的設(shè)備清單；

（2）根據(jù)外部水淹的危害性分析結(jié)果，能夠得到不同水位區(qū)間的發(fā)生頻率；

（3）根據(jù)外部水淹的易損度分析結(jié)果，能夠得到水淹防護(hù)設(shè)施的失效概率；

（4）基于這些信息，構(gòu)建外部水淹前置事件樹(shù)，設(shè)置不同水位區(qū)間的邊界條件。

對(duì)于事故緩解進(jìn)程中，需識(shí)別出事故后人員操作是否受外部水淹影響，尤其是有些現(xiàn)場(chǎng)的人員操作可能受到外部水淹影響無(wú)法執(zhí)行，這些事故后的人員操作需重新評(píng)估，并在外部水淹模型中反映。

本文以水位區(qū)間（中間水位1～中間水位2：+0.80 m≤水位＜+1.00 m）為例，根據(jù)不同的水淹來(lái)源建立前置事件樹(shù)，包括廠址內(nèi)（極端降雨）水位區(qū)間前置事件樹(shù)和廠址外（海水位）水位區(qū)間前置事件樹(shù)。由于兩個(gè)及以上水密門(mén)或貫穿件封堵同時(shí)失效的概率極低，因此在模化過(guò)程中，只考慮單個(gè)水密門(mén)或貫穿件封堵的失效。

圖4提供了廠址發(fā)生極端降雨（中間水位1～中間水位2：+0.80 m≤水位＜+1.00 m）的前置事件樹(shù)，該圖中列舉了部分安全相關(guān)廠房的防水邊界易損度分析。由于在這個(gè)水位區(qū)間下，核電廠非安全廠房由于沒(méi)有設(shè)置水密門(mén)（比如電氣廠房、汽輪機(jī)廠房、主變和輔變平臺(tái)），水將進(jìn)入這些廠房和平臺(tái)導(dǎo)致機(jī)組瞬態(tài)和喪失廠外電源，保守考慮這個(gè)水位區(qū)間的后果是喪失廠外電源。這個(gè)水位區(qū)間影響的設(shè)備清單已在始發(fā)事件題頭的邊界條件中考慮，而水淹進(jìn)入安全相關(guān)廠房影響的設(shè)備清單和人員失誤事件在功能題頭的邊界條件中考慮。

圖4　廠址內(nèi)極端降雨的前置事件樹(shù)示例

圖5提供了廠址發(fā)生海水水淹（中間水位1～中間水位2：+0.80 m≤水位＜+1.00 m）的前置事件樹(shù)，該圖中考慮了廠址外圍堤壩的易損度分析和部分安全相關(guān)廠房的防水邊界易損度分析。在這個(gè)水位區(qū)間，如果廠址外圍堤壩沒(méi)有失效，則核電廠不會(huì)發(fā)生水淹；如果廠址外圍堤壩失效，隨著廠址外的海水不斷進(jìn)入廠址內(nèi)，首先引起廠外電源喪失，同時(shí)海水中可能存在漂浮物等其他雜物，引起取水口堵塞，最嚴(yán)重的后果是完全喪失冷鏈，因此這種情況下除了考慮是喪失廠外電源，還需考慮完全喪失冷鏈。這種影響將在始發(fā)事件題頭的邊界條件中反映。此外，隨著廠址外的海水進(jìn)入廠址內(nèi)，其影響與廠址內(nèi)極端降雨類(lèi)似，可能導(dǎo)致安全相關(guān)廠房防水邊界失效，水淹可能進(jìn)入這些安全廠房?jī)?nèi)。

此外，對(duì)于圖4和圖5中導(dǎo)致的喪失廠外電源事故及引起的相關(guān)設(shè)備和人因的失效，將在轉(zhuǎn)入后的內(nèi)部事件一級(jí)PSA模型的喪失廠外電源事故的事件樹(shù)中進(jìn)一步考慮。在該事故下機(jī)組將停堆，應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)將投運(yùn)為二次側(cè)冷卻等緩解系統(tǒng)提供電源；如果二次側(cè)冷卻失敗，充排操作將被執(zhí)行帶出堆芯余熱；如果充排操作失敗，堆芯余熱將無(wú)法被帶出，最終將導(dǎo)致堆芯損壞。

圖5　廠址外海水水淹的前置事件樹(shù)示例

2.7　定量化結(jié)果和風(fēng)險(xiǎn)見(jiàn)解

本文以中間水位1～中間水位2：+0.80 m≤水位＜+1.00 m為例，開(kāi)展案例分析，其他水位區(qū)間的水淹情景分析和定量化結(jié)果按照示例流程逐步開(kāi)展。本文中水位區(qū)間包括廠址內(nèi)和廠址外。

廠址內(nèi)極端降雨的水位區(qū)間包括：

（1） +0.30 m≤水位＜+0.80 m；

（2） +0.80 m≤水位＜+1.00 m；

（3） +1.00 m≤水位＜+2.30 m；

（4）水位≥+2.30 m。

廠址外極端海水位的水位區(qū)間包括：

（1） +0.30 m≤水位＜+0.80 m；

（2） +0.80 m≤水位＜+1.00 m；

（3） +1.00 m≤水位＜+2.20 m；

（4） +2.20 m≤水位＜+2.30 m；

（5）水位≥+2.30 m。

此外，當(dāng)外部水淹發(fā)生在水位區(qū)間+0.00 m≤水位＜+0.30 m時(shí)，由于構(gòu)筑物建立在+0.30 m及以上的平臺(tái)上，水淹不會(huì)進(jìn)入構(gòu)筑物，因此，這個(gè)水位區(qū)間不會(huì)對(duì)電廠造成影響。

通過(guò)對(duì)以上這些水位區(qū)間采用示例中相同的分析流程，最終得到本文所分析的參考廠址的外部水淹CDF為6.04×10-9/堆年，該結(jié)果占內(nèi)部事件CDF約2%。這個(gè)分析結(jié)果已足夠小，因此所分析的核電廠具備良好的抵御外部水淹的設(shè)計(jì)。

針對(duì)該分析結(jié)果的風(fēng)險(xiǎn)見(jiàn)解如下：

（1）外部水淹風(fēng)險(xiǎn)來(lái)源主要是廠址外的水淹源，占外部水淹CDF約70%，其中核電廠堤壩的高度對(duì)外部水淹風(fēng)險(xiǎn)起決定性作用。

（2）廠址外的水淹源是外部水淹主要風(fēng)險(xiǎn)，其原因是當(dāng)水淹水位超過(guò)+2.20 m，安全相關(guān)的廠房基本全部被水淹，這種情況下只有非能動(dòng)余熱排除系統(tǒng)可用于事故緩解。

（3）核電廠應(yīng)建立針對(duì)外部水淹的應(yīng)急響應(yīng)程序，對(duì)廠址區(qū)域天氣情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警。

（4）在外部水淹發(fā)生前，應(yīng)確保廠房邊界上水密門(mén)是關(guān)閉狀態(tài)，以及采取臨時(shí)的水淹防護(hù)措施，避免水通過(guò)廠房邊界上孔洞或連接廊道的孔洞進(jìn)入廠房?jī)?nèi)，尤其是額外冷卻水與核島消防水廠房+0.80 m處的孔洞和重要廠用水廊道+1.00 m的孔洞。

3　結(jié)論

本文基于國(guó)內(nèi)外調(diào)研和工程實(shí)踐，開(kāi)發(fā)了一套適用于核電廠外部水淹PSA分析的方法，并基于某核電廠開(kāi)展了外部水淹PSA風(fēng)險(xiǎn)分析。分析結(jié)果表明，所分析的核電廠具備良好的抵御外部水淹的設(shè)計(jì)。通過(guò)采用本文分析方法，能夠全面評(píng)估核電廠遭遇外部水淹的風(fēng)險(xiǎn)，識(shí)別出核電廠外部水淹風(fēng)險(xiǎn)的主要來(lái)源，以及外部水淹防護(hù)設(shè)計(jì)中的薄弱項(xiàng)，為核電廠優(yōu)化外部水淹防護(hù)設(shè)計(jì)和制定應(yīng)急響應(yīng)程序提供指引。

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External Flooding PSA for Nuclear Power Plant

WANG Fei，XU Zhixin，DUAN Feng

（State Key Laboratory of Nuclear Power Safety Monitoring Technology and Equipment，China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd，Shenzhen of Guangdong Prov.518124，China）

After the Fukushima accident, China has paid special attention to hazards beyond design basis. Nuclear power plant should have sufficient margin to deal with hazards beyond design basis. Among them, external flooding is one of the external hazards with important risks. At present, the risk assessment of external flooding beyond design basis is still under study, and there is no mature and unified risk assessment method at domestic and abroad. Based on domestic and foreign studies and engineering practices, this paper develops the methodology of external flooding probability safety analysis (PSA), and applies it to the risk assessment of external flooding for a certain nuclear power plant, identifies the weak items and optimizes the protection design against external flooding.

Probability safety analysis; External flooding; Risk estimation

TL364.5

A

0258-0918（2022）06-1383-09

2021-10-31

科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“風(fēng)險(xiǎn)指引的安全裕度特性分析技術(shù)研究課題”（2018YFB1900304）

王 飛（1989—），男，江蘇宿遷人，工程師，碩士，現(xiàn)從事核電廠概率安全分析相關(guān)研究