基于二級PSA的應(yīng)急設(shè)施可居留性評價研究

肖玲梅，黃才龍，張佳佳，王 超，郭丁情，張 冰

基于二級PSA的應(yīng)急設(shè)施可居留性評價研究

肖玲梅1，黃才龍1，張佳佳2,*，王 超3，郭丁情1，張 冰1

（1. 中廣核工程有限公司核電安全監(jiān)控技術(shù)與裝備國家重點實驗室，廣東 深圳 518124；2. 生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心，北京 102488；3. 深圳中廣核工程設(shè)計有限公司上海分公司，上海 201100）

當(dāng)前應(yīng)急設(shè)施可居留性評價越來越多地使用二級PSA釋放類源項，但是釋放類源項如何選取，法規(guī)標(biāo)準并無明確的規(guī)定，業(yè)界的實踐也尚未統(tǒng)一。本文調(diào)研了先進三代堆應(yīng)急設(shè)施可居留性的源項選取方法，提出了基于二級PSA釋放類選取應(yīng)急設(shè)施可居留性評價中嚴重事故源項的方法和流程。以某先進壓水堆核電廠應(yīng)急指揮中心為研究對象，利用本文提出的方法給出了4種不同的源項選取方案，計算了應(yīng)急指揮中心工作人員的有效劑量。通過績效評估方法，推薦了2種優(yōu)選的二級PSA釋放類選取方案，為應(yīng)急設(shè)施可居留性評價中嚴重事故源項選取提供指導(dǎo)。

二級PSA；釋放類；源項；應(yīng)急設(shè)施；可居留性分析

福島事故后，國內(nèi)核安全監(jiān)管機構(gòu)要求對應(yīng)急設(shè)施可居留性的評價和審查不應(yīng)局限于設(shè)計基準事故，還應(yīng)適當(dāng)考慮嚴重事故的影響。在設(shè)定的持續(xù)應(yīng)急響應(yīng)期間內(nèi)（一般為30天），主控室及應(yīng)急指揮中心等工作人員接受的有效劑量不大于50 mSv，甲狀腺當(dāng)量劑量不大于500 mSv，在設(shè)計上考慮嚴重事故后人員的長期居留[1,2]。二級概率安全分析（PSA）為核電廠提供了全譜的嚴重事故源項，國內(nèi)外先進壓水堆核電廠已從二級PSA釋放類源項中選取嚴重事故源項用于應(yīng)急設(shè)施可居留性評價。但二級PSA釋放類數(shù)量眾多，國內(nèi)對于如何從二級PSA選取源項以滿足“適當(dāng)考慮嚴重事故”的要求尚未形成共識。目前孫大威等人從堆芯釋放、安全殼內(nèi)自然去除、放射性物質(zhì)向環(huán)境釋放途等方面針對兩種工況開展了適用于應(yīng)急設(shè)施可居留性評價的嚴重事故源項研究[3]。張佳佳等人基于目前應(yīng)急計劃區(qū)劃分和應(yīng)急設(shè)施可居留性對二級PSA的應(yīng)用需求，開展了釋放類劃分和源項選取的研究[4]，研究表明嚴重事故源項的選取直接影響應(yīng)急設(shè)施可居留性評價的結(jié)果。

本文對國內(nèi)外工程項目應(yīng)急設(shè)施可居留性評價中嚴重事故源項選取的實踐進行了研究，提出了應(yīng)急設(shè)施可居留性評價中基于二級PSA釋放類選取嚴重事故源項的方法和流程。以國內(nèi)某三代壓水堆核電廠應(yīng)急指揮中心可居留性為研究對象，利用本文提出的方法，給出了4種不同的源項選取方案，計算了應(yīng)急指揮中心工作人員的有效劑量，并給出了結(jié)論和建議。本研究可為應(yīng)急設(shè)施可居留性評價中嚴重事故源項選取提供指導(dǎo)。

1 應(yīng)急設(shè)施可居留性評價中源項選取現(xiàn)狀及問題

應(yīng)急設(shè)施可居留性評價中，國內(nèi)外的壓水堆核電廠使用的嚴重事故源項有三類，包括S3源項、NUREG-1465[5]給出的嚴重事故源項和二級PSA釋放類源項（見表1）。

表1　應(yīng)急設(shè)施可居留性評價中嚴重事故源項選取工程實踐

從表1可以看出，國內(nèi)外各壓水堆型核電廠的應(yīng)急設(shè)施可居留性評價嚴重事故源項全部采用安全殼晚期失效的釋放類源項。筆者認為，這主要是考慮到安全殼從設(shè)計上要保證堆芯熔化事故后24 h內(nèi)的放射性包容[6]，24 h內(nèi)的可居留性是有保障的，應(yīng)急設(shè)施要保證長期事故應(yīng)對，可居留性分析應(yīng)考慮嚴重事故長期階段的可居留性，因此各國監(jiān)管機構(gòu)和核工業(yè)界均選用安全殼晚期失效釋放類用于應(yīng)急設(shè)施可居留性評價。但S3源項以及NUREG-1465的源項，均為監(jiān)管機構(gòu)提供的通用設(shè)計源項，無法體現(xiàn)新建電廠的設(shè)計特點。二級PSA釋放類源項不僅包含了全譜的嚴重事故源項，還可以現(xiàn)實模擬核電廠的設(shè)計特征，這也是近些年來各先進反應(yīng)堆逐步選用二級PSA源項的原因，尤其在應(yīng)急計劃區(qū)嚴重事故源項選取中已有大量工程實踐[7-9]。但從二級PSA釋放類別中選取嚴重事故源項，仍然面臨頻率和后果如何平衡的問題。

2 分析方法

本文在應(yīng)急設(shè)施可居留性評價中，基于二級PSA的嚴重事故源項選取，提出的方法和流程如圖1所示。其中加權(quán)平均和績效評估兩種源項選取方法的具體含義見下文。

圖1　基于二級PSA的應(yīng)急設(shè)施可居留性評價流程

2.1　加權(quán)平均法

加權(quán)平均法是將二級PSA中安全殼晚期失效釋放類源項按頻率進行加權(quán)平均。

式中：sa——總的平均劑量；

——二級PSA釋放類的數(shù)量；

——第個二級PSA釋放類。

2.2　績效評估法

績效評估法是一種綜合評估方法，從后果維度、頻率維度及合理性維度分別進行評分，綜合加權(quán)評估后，得分最高的方案作為推薦方案?，F(xiàn)有的法規(guī)要求是“適當(dāng)考慮嚴重事故”，這反映了法規(guī)對于合理性和所選嚴重事故后果是有要求的。因此，綜合績效評估時，合理性維度的權(quán)重因子最大（0.5）；其次是從后果維度（0.3）；最后可適當(dāng)考慮頻率維度（0.2）。每個維度分三個推薦等級，根據(jù)相關(guān)專業(yè)的專家討論，建議賦值如表2所示。每個維度的具體考慮如下：

（1）合理性維度：從安全殼失效模式和放射性物質(zhì)釋放機理的角度，分析釋放類在應(yīng)急設(shè)施可居留性評價評價中的合適性；

（2）后果維度：從后果的嚴重程度，分析釋放類對應(yīng)急設(shè)施可居留性評價是否過于保守，能否滿足有效劑量限制準則；

（3）頻率維度：從釋放類頻率大小，頻率越高的釋放類代表的嚴重事故情景更多。

表2　三個維度的權(quán)重及評分原則

應(yīng)急設(shè)施可居留性評價評價基于RG1.195推薦的方法，包括有效劑量分析和甲狀腺當(dāng)量劑量分析[10]。

2.3　有效劑量分析方法

有效劑量分析需考慮室內(nèi)空氣浸沒外照射、室內(nèi)空氣吸入內(nèi)照射和室外放射性煙羽浸沒外照射。

（1）室內(nèi)空氣浸沒外照射劑量

應(yīng)急指揮中心可居留空間大小有限，放射性煙云在室內(nèi)導(dǎo)致的全身劑量遠小于浸沒在無限煙云中產(chǎn)生的劑量。有限煙云劑量使用墨菲方法進行計算。計算公式如下：

式中：DWA——不同時間段內(nèi)的室內(nèi)煙云浸沒外照射劑量；

——半無限煙云到有限煙云的修正因子；

SP()——居留份額；

DF()——核素的外照射有效劑量轉(zhuǎn)換因子。

（2）室內(nèi)空氣吸入內(nèi)照射劑量

室內(nèi)吸入途徑導(dǎo)致的內(nèi)照射劑量計算公式如下：

式中：DAE——不同時間段內(nèi)的吸入內(nèi)照射劑量；

BV()——呼吸率；

SP()——居留份額；

DFE()——核素吸入內(nèi)照射有效劑量轉(zhuǎn)換因子。

（3）室外放射性煙羽浸沒外照射劑量

室外放射性煙羽浸沒途徑導(dǎo)致的外照射劑量計算公式如下：

式中：DAY——不同時間段內(nèi)的室外煙云外照射劑量；

SP()——居留份額；

DF()——核素的外照射有效劑量轉(zhuǎn)換因子。

2.4　甲狀腺當(dāng)量劑量分析

甲狀腺當(dāng)量劑量的計算公式如下：

式中：DAT——不同時間段內(nèi)的甲狀腺劑量；

BV()——呼吸率；

SP()——居留份額；

DFT()——核素甲狀腺劑量轉(zhuǎn)換因子。

3 案例分析

3.1　確定嚴重事故源項方案

以我國某三代壓水堆核電廠的應(yīng)急指揮中心可居留為研究對象，表3為該核電廠二級PSA安全殼晚期釋放類及其加權(quán)平均頻率結(jié)果。

表3　某核電廠安全殼晚期釋放類及其加權(quán)平均釋放類頻率結(jié)果

根據(jù)圖1的方法和流程，選用二級PSA全部安全殼晚期失效的釋放類源項RC501～RC503用于應(yīng)急設(shè)施可居留性評價，同時按照加權(quán)平均法對RC501～RC503源項按照頻率占比進行加權(quán)。然后針對這4個方案開展應(yīng)急指揮中心可居留性分析，并運用績效評估法對選取的方案進行評價。

3.2　不同方案劑量計算

本文根據(jù)2.2節(jié)中應(yīng)急設(shè)施可居留性評價方法和某三代核電項目應(yīng)急指揮中心的相關(guān)參數(shù)，計算了表3中的4個二級PSA釋放類源項選取方案對應(yīng)的應(yīng)急指揮中心工作人員的輻射劑量。其中大氣彌散條件采用全廠址70%概率水平的現(xiàn)實值作為計算輸入，各方案應(yīng)急指揮中心劑量結(jié)果見圖2和圖3，除方案2外，其他3個方案的結(jié)果都滿足劑量限制準則。

圖2　應(yīng)急指揮中心工作人員有效劑量對比

圖3　應(yīng)急指揮中心工作人員甲狀腺劑量對比

3.3　綜合績效評估分析

為了避免績效評估法主觀性的影響，將方案4作為保留方案，不再參與績效評估。根據(jù)2.1.2節(jié)的評分原則，經(jīng)相關(guān)專業(yè)專家討論，其余三個方案的績效評估得分如表4所示。各方案的評分說明如下。

（1）合理性維度：底板熔穿釋放類的釋放途徑及影響主要是地下水，對于大氣乃至應(yīng)急設(shè)施的影響短期內(nèi)無法體現(xiàn)，合理性不足。所以方案3在該維度的得分最低；

（2）后果維度：方案2為安全殼超壓失效導(dǎo)致的放射性釋放，源項非常大，屬于非常嚴重的嚴重事故釋放，其應(yīng)用于應(yīng)急設(shè)施可居留性評價過于保守。所以，方案2得分最低；

（3）頻率維度：方案1頻率最高，得分最高。方案2頻率最低，得分最低。

表4　各方案評分結(jié)果

3個方案的綜合加權(quán)得分結(jié)果如圖4所示。根據(jù)綜合得分，方案1，即EUF開啟釋放類綜合得分最高，為績效評估最優(yōu)推薦方案。

方案4，即加權(quán)平均方案，雖然沒有參與績效評估，但是從劑量后果及頻率角度看，與績效評估得出的最后方案水平相當(dāng)。而且該方案不受主觀性影響，也是值得推薦的方案。

圖4　綜合評估得分

3.4　結(jié)果討論

從績效評估結(jié)果來看，方案1（EUF開啟釋放類）為最優(yōu)推薦方案，該方案也充分體現(xiàn)了電廠設(shè)計特征。除此之外，方案4（加權(quán)平均）也是推薦方案，而且該方案不受績效評估主觀性影響。以上2個不同分析思路得到的推薦方案，可以根據(jù)電廠設(shè)計特征、項目實際情況及審評溝通情況等綜合確定其中之一。

4 研究結(jié)論

針對目前二級PSA在應(yīng)急設(shè)施可居留性評價應(yīng)用中存在的問題和困難，本文開展了二級PSA釋放類源項在應(yīng)急設(shè)施可居留性評價中的應(yīng)用研究，提出了基于二級PSA的嚴重事故源項選取的方法和流程，并創(chuàng)造性地提出了績效評估法，可為應(yīng)急設(shè)施可居留性評價提供參考。案例分析的結(jié)論表明，安全殼晚期失效EUF開啟釋放類和安全殼晚期失效釋放類加權(quán)平均兩個方案推薦方案，可以滿足法規(guī)“適當(dāng)考慮嚴重事故”的要求。

［1］ 國家核安全局．核動力廠營運單位的應(yīng)急準備和應(yīng)急響應(yīng)：HAD 002/01—2019［Z］．北京：國家核安全局，2019：10-15．

［2］ 國家核安全局．核動力廠場內(nèi)應(yīng)急設(shè)施設(shè)計準則：HAJ-0001［Z］．2017：6-10．

［3］ 孫大威，付亞茹，等．應(yīng)急設(shè)施可居留性分析的嚴重事故源項初步探討［J］．原子能科學(xué)技術(shù)，2017，51（07）：13 3-1327．

［4］ 張佳佳，賀東鈺，等．核電廠二級PSA釋放類劃分及代表性事故序列選取研究［J］．核動力工程，2021，42（03）：150-154．

［5］ U.S. Nuclear Regulatory Commission．Accident source terms for light-water nuclear power plants：NUREG-1465［R］．Washington，D.C.：U.S. Nuclear Regulatory Commission，1995：3-21．

［6］ U.S. Nuclear Regulatory Commission．Evolutionary Light Water Reactor（LWR）Certification Issues and Their Relationship to Current Regulatory Requirements（SECY-90-016）and associated SRM［R］，Washington，D．C．：U．S．Nuclear Regulatory Commission，1990．

［7］ 李靂，張健．先進壓水堆核電廠應(yīng)急計劃區(qū)探討［J］．核安全，2011（3）：52-59．

［8］ 黃挺，曲靜原，李紅，等．AP1000核電廠煙羽應(yīng)急計劃區(qū)劃分初步研究［J］．原子能科學(xué)技術(shù)，2011，45（12）：1472-1477．

［9］ 王海峰，趙鋒，張啟明，等．基于二級PSA的EPR機組煙羽應(yīng)急計劃區(qū)劃分［J］．核科學(xué)與工程，2013，33（2）：219-224．

［10］ U.S. Nuclear Regulatory Commission. Methods and Assumptions for Evaluating Radiological Consequences of Design Basis Accidents at Light-water Nuclear Power Reactors：RG 1.195［R］，Washington，D.C.：U.S. Nuclear Regulatory Commission，2003：11．

Study on Emergency Facility Habitability Analysis Based on Level 2 PSA

XIAO Lingmei1，HUANG Cailong1，ZHANG Jiajia2,*，WANG Chao3，GUO Dingqing1，ZHANG Bing1

（1. State Key Laboratory of Nuclear Power Safety Monitoring Technology and Equipment，China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd，Shenzhen of Guangdong Prov.518124，China；2. Nuclear and Radiation Safety Center，Ministry of Ecology and Environment，Beijing，102488，China；3. China Nuclear Power Design Co.，Ltd（Shanghai），Shanghai，201100，China）

At present, Level 2 PSA release category source terms are used more and more in the emergency facility habitability analysis, but there are no clear guidance from regulations and standards on how to select the release categories (RCs) source terms, and the practice of the industry is not unified. This paper investigates the source term selection method of the emergency facility habitability analysis of the advanced generation Ⅲ reactors in the world, and puts forward the method and process of selecting the source term of severe accidents in the emergency facility habitability analysis based on the Level 2 PSA release categories.Taking the emergency command center of an advanced PWR nuclear power plant as the object to study, four different source term selection schemes are given by using the method proposed in this paper, and the effective dose of the staff in the emergency command center is calculated. Through the performance evaluation method, two optimal selection schemes of Level 2 PSA release categories are recommended, which provide guidance for the selection of severe accident source terms in the emergency facility habitability analysis.

Level 2 PSA; Release category; Source term; Emergency facility; Habitability analysis

TL364+.5

A

0258-0918（2022）06-1404-06

2022-01-22

肖玲梅（1985—），女，山東日照人，高級工程師，碩士研究生，現(xiàn)主要從事反應(yīng)堆概率安全分析方面的研究

張佳佳，E-mail：zhangjiajia@chinansc.cn