超強(qiáng)臺風(fēng)情況下SER水罐安全影響分析

馮丙辰，王晗丁，張曉明

（蘇州熱工研究院有限公司，深圳 518000）

東南沿海地區(qū)是國內(nèi)核電廠的主要分布區(qū)域，同時(shí)也是全球受臺風(fēng)影響最嚴(yán)重的區(qū)域之一［1］。近年來，由于氣候變化等因素影響，超強(qiáng)臺風(fēng)的發(fā)生次數(shù)和強(qiáng)度呈現(xiàn)上升趨勢，全面識別和分析臺風(fēng)的影響對保障機(jī)組安全具有重要意義。概率安全評價(jià)（PSA）是以概率論為基礎(chǔ)的風(fēng)險(xiǎn)分析方法，可對包括外部災(zāi)害在內(nèi)的事故影響開展定量評價(jià)，已在核電廠設(shè)計(jì)、運(yùn)行中得到廣泛應(yīng)用［2，3］。

超強(qiáng)臺風(fēng)情況下，核電廠的構(gòu)筑物、系統(tǒng)和部件（SSC），尤其是露天布置的水罐和電氣設(shè)備易受風(fēng)壓、風(fēng)致飛射物的影響［4］。本文針對超強(qiáng)臺風(fēng)情況，以常規(guī)島除鹽水分配（SER）系統(tǒng)水罐為分析對象，開展PSA分析，評估超強(qiáng)臺風(fēng)情況下SER水罐對機(jī)組安全的影響。

1 飛射物PSA方法

超強(qiáng)臺風(fēng)對核電廠SSC的影響主要體現(xiàn)在風(fēng)壓和臺風(fēng)導(dǎo)致的次生災(zāi)害，露天罐體在超強(qiáng)臺風(fēng)情況下易受風(fēng)致飛射物的破壞。目前，國內(nèi)外針對飛射物風(fēng)險(xiǎn)的分析方法尚未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)［5］，文獻(xiàn)［6］給出了一種基于PSA的飛射物定量分析方法。

該方法的核心是計(jì)算暴露的SSC在不同情況下由于飛射物導(dǎo)致的失效概率（EEFP）：

其中，飛射物影響參數(shù)MIP表示每個(gè)風(fēng)致飛射物打擊到每個(gè)目標(biāo)物單位面積的概率；N表示破壞性飛射物的數(shù)量；S表示每個(gè)目標(biāo)SSC的暴露面積；F表示飛射物打擊造成SSC失效的概率，通常為1。

MIP與超強(qiáng)臺風(fēng)的等級相關(guān)，臺風(fēng)強(qiáng)度越大越容易產(chǎn)生飛射物，MIP值越大。MIP同時(shí)與目標(biāo)SSC的高度相關(guān)，由于重型風(fēng)致飛射物飛行高度較低，位置較低的SSC具有更大的MIP值。飛射物數(shù)量同樣與超強(qiáng)臺風(fēng)的等級相關(guān)，相同臺風(fēng)等級下不同核電廠的飛射物數(shù)量類似。表1給出了風(fēng)致飛射物PSA中可參考的MIP與飛射物數(shù)量取值［6］。

表1 風(fēng)致飛射物PSA中MIP和飛射物數(shù)量通用值Table 1 Common values of MIP and N for missile PSA

暴露面積需考慮兩方面的因素：一是目標(biāo)SSC暴露于風(fēng)致飛射物，易受飛射物的襲擊；二是如果被擊中，將會影響目標(biāo)SSC的安全功能。對于抗震I類廠房外的SSC，其暴露面積通常利用包圍該SSC最小立方體的面積進(jìn)行計(jì)算；對于抗震I類廠房內(nèi)的SSC，飛射物可通過門窗等開口進(jìn)入，暴露面積為開口面積。

露天罐體屬于廠房外的SSC，其暴露面積的計(jì)算一般忽略頂部面積，同時(shí)需扣除周邊墻體或其他SSC的遮擋、屏蔽部分面積，只考慮最終的有效暴露面積。

2 超強(qiáng)臺風(fēng)事故影響分析

2.1 超強(qiáng)臺風(fēng)導(dǎo)致的始發(fā)事件

國內(nèi)外核電廠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明：喪失電源和喪失冷源是超強(qiáng)臺風(fēng)對機(jī)組安全的主要威脅。圖1給出了近30年來國外核電廠超強(qiáng)臺風(fēng)影響后果統(tǒng)計(jì)，其中，喪失廠外電（LOOP）和全廠斷電（SBO）占比超過30%，喪失最終熱阱（LUHS）占比約5%，安全停堆、降功率運(yùn)行等非事故工況為其他后果。

圖1 國外核電廠超強(qiáng)臺風(fēng)影響后果統(tǒng)計(jì)Fig.1 Consequences of super typhoon on NPPs abroad

超強(qiáng)臺風(fēng)對核電廠電源的威脅主要是對輸電線路的威脅，包括強(qiáng)風(fēng)導(dǎo)致的輸電線路風(fēng)偏閃絡(luò)、斷線，以及風(fēng)致飛射物造成的短路、臺風(fēng)引起鹽霧造成的短路等。同時(shí)，超強(qiáng)臺風(fēng)及其次生災(zāi)害可能影響應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)（EDG），從而導(dǎo)致更嚴(yán)重的SBO事故。

機(jī)組發(fā)生LOOP時(shí)，由于主泵停運(yùn)、控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)電源喪失，首先導(dǎo)致緊急停堆。應(yīng)急交流配電盤的低電壓信號會觸發(fā)EDG啟動，為機(jī)組提供應(yīng)急電源。之后輔助給水（ASG）系統(tǒng)啟動，向蒸汽發(fā)生器供水，帶出堆芯余熱。如果EDG由于臺風(fēng)影響或其他原因失效，則發(fā)展為更嚴(yán)重的SBO事故。SBO情況下，ASG汽動泵向蒸汽發(fā)生器供水是機(jī)組余熱導(dǎo)出的唯一手段。

超強(qiáng)臺風(fēng)對核電廠冷源的影響途徑主要包括風(fēng)壓、臺風(fēng)引起水淹導(dǎo)致的泵房失效，以及臺風(fēng)造成取水口雜物聚集導(dǎo)致的堵塞。這些影響會造成取水口堵塞或冷源相關(guān)功能失效，從而導(dǎo)致最終熱阱喪失。

機(jī)組發(fā)生LUHS時(shí)，操縱員首先執(zhí)行反冷操作，用反應(yīng)堆和乏燃料水池冷卻與處理（PTR）系統(tǒng)水箱的水通過噴淋熱交換器代替重要廠用水（SEC）系統(tǒng)反向冷卻設(shè)備冷卻水（RRI）系統(tǒng)。如果反冷操作失敗，則截?cái)嘞滦沽?，并使化學(xué)和容積控制（RCV）系統(tǒng)入口轉(zhuǎn)向PTR，以保護(hù)RCV。即使上述安全功能成功實(shí)現(xiàn)，仍需ASG執(zhí)行二次側(cè)冷卻功能，否則可能面臨堆芯損壞（CD）的風(fēng)險(xiǎn)。

可見，LOOP、SBO和LUHS是超強(qiáng)臺風(fēng)可能導(dǎo)致的主要核電廠事故工況。在這些事故工況下，ASG執(zhí)行二次側(cè)冷卻均是需重點(diǎn)保障的安全功能之一。

2.2 SER水罐對緩解功能的影響

超強(qiáng)臺風(fēng)情況下，電源或冷源的恢復(fù)也會受影響。因此，長期冷卻階段ASG的功能也需得到保障。由于ASG水箱容量有限，長期冷卻階段需補(bǔ)水以維持其安全功能。正常情況下，ASG可由本機(jī)組或相鄰機(jī)組的凝結(jié)水抽取（CEX）系統(tǒng)補(bǔ)水，也可由SER系統(tǒng)補(bǔ)水。超強(qiáng)臺風(fēng)導(dǎo)致的LOOP、SBO和LUHS事故工況下，CEX不可用，而且相鄰機(jī)組也面臨同樣的事故工況，僅剩SER作為ASG的補(bǔ)水手段。

SER水罐是核電廠廠區(qū)最大的露天水罐，極易遭受風(fēng)致飛射物的襲擊。因此，超強(qiáng)臺風(fēng)導(dǎo)致的事故工況下，長期冷卻階段ASG的補(bǔ)水可能受影響，從而導(dǎo)致堆芯余熱無法導(dǎo)出，造成CD。

執(zhí)行其他事故緩解功能的SSC，基本位于核島廠房以內(nèi)，受超強(qiáng)臺風(fēng)影響的可能性較小。

3 SER水罐對機(jī)組安全影響的定量評價(jià)

3.1 條件堆芯損壞概率

為評估超強(qiáng)臺風(fēng)情況下SER水罐對事故緩解功能的影響，需計(jì)算不同臺風(fēng)影響情況下LOOP、SBO和LUHS事故的條件堆芯損壞概率（CCDP），并與基準(zhǔn)值進(jìn)行比較。

CPR1000機(jī)組SER水罐典型的設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。由此可計(jì)算SER水罐的暴露面積，結(jié)合表1和式（1）可得SER水罐的EEFP。

表2 CPR1000機(jī)組SER水罐典型設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2 Typical design parameters of SER tank for CPR1000 unit

LOOP、SBO和LUHS事故緩解所需的安全功能、事故進(jìn)程和后果分析通常已包含在內(nèi)部事件一級PSA中。以內(nèi)部事件一級PSA模型為基礎(chǔ)，考慮飛射物導(dǎo)致SER水罐失效對ASG功能的影響，建立風(fēng)致飛射物PSA模型，開展定量計(jì)算，結(jié)果見表3。其中，基準(zhǔn)CCDP為未考慮臺風(fēng)影響時(shí)事故的CCDP。

表3 超強(qiáng)臺風(fēng)情況下SER水罐對機(jī)組安全影響的CCDP分析結(jié)果Table 3 CCDP result of impact on safety for SER tank under super typhoon

3.2 堆芯損壞頻率

為評估超強(qiáng)臺風(fēng)情況下SER水罐對機(jī)組總體風(fēng)險(xiǎn)的影響，需計(jì)算LOOP、SBO和LUHS事故導(dǎo)致的堆芯損壞頻率（CDF），并與基準(zhǔn)值進(jìn)行比較。

由于17級以上超強(qiáng)臺風(fēng)發(fā)生頻率很低，所以本次分析中考慮的臺風(fēng)范圍為15～17級，對應(yīng)表1中46～60 m/s的風(fēng)速。參考國內(nèi)某核電廠址超強(qiáng)臺風(fēng)設(shè)計(jì)信息，保守考慮該區(qū)間臺風(fēng)發(fā)生頻率為百年一遇。由此，根據(jù)建立的風(fēng)致飛射物PSA模型，考慮飛射物導(dǎo)致SER水罐失效對ASG功能的影響，開展定量計(jì)算，結(jié)果見表4。其中，基準(zhǔn)CDF為未考慮風(fēng)致飛射物影響時(shí)事故的CDF，ΔCDF為考慮飛射物影響時(shí)CDF相比基準(zhǔn)值的變化。

表4 超強(qiáng)臺風(fēng)情況下SER水罐對機(jī)組安全影響的CDF分析結(jié)果Table 4 CDF result of impact on safety for SER tank under super typhoon

3.3 結(jié)果討論

由定量評價(jià)結(jié)果可知，超強(qiáng)臺風(fēng)情況下SER水罐對事故緩解具有顯著的作用。隨著臺風(fēng)風(fēng)速的增加，事故的緩解能力逐漸降低。這是因?yàn)轱L(fēng)速越高，飛射物產(chǎn)生的可能性和數(shù)量也越高，SER水罐失效的可能性越大。

對于核電廠可能遭受的15級以上超強(qiáng)臺風(fēng)，考慮風(fēng)致飛射物影響時(shí)事故導(dǎo)致的CDF顯著增加，LOOP、SBO和LUHS事故導(dǎo)致的CDF增量均為1×10-7/（堆·年）左右。考慮到臺風(fēng)發(fā)生頻率的不確定性，以及可能導(dǎo)致的LOOP和LUHS疊加的事故工況，SER水罐的風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)值得關(guān)注。

4 結(jié)束語

SER水罐是核電廠廠區(qū)最大的露天水罐，易受風(fēng)致飛射物的襲擊，其失效會影響ASG補(bǔ)水功能，威脅事故工況下機(jī)組的長期冷卻。本文采用PSA方法，對超強(qiáng)臺風(fēng)情況下SER水罐的安全影響開展定量分析，結(jié)果表明：SER水罐是引起事故的薄弱環(huán)節(jié)之一，對機(jī)組總體風(fēng)險(xiǎn)具有一定貢獻(xiàn)。對于運(yùn)行核電廠，建議通過加裝防護(hù)網(wǎng)、清理周邊松散物等方式降低飛射物對SER水罐的影響。對于新建核電廠，建議通過增加罐體壁厚度等方式從設(shè)計(jì)上提高SER水罐防抗飛射物的能力。