秦山二期核電廠安全緩解系統(tǒng)的性能指標(biāo)分析

黃志超,趙 博,祁 軍

(1.中國(guó)核電工程有限公司,北京 100840;2.核電秦山聯(lián)營(yíng)有限公司,浙江 海鹽 314300)

緩解系統(tǒng)的性能指標(biāo)(M SPI)是美國(guó)核管會(huì)(NRC)在反應(yīng)堆監(jiān)管過(guò)程(ROP)中用于監(jiān)管核電廠安全的一整套安全指標(biāo)中的一類。MSPI能有效跟蹤核電廠安全系統(tǒng)與設(shè)備的性能狀態(tài),更能從核電廠整體風(fēng)險(xiǎn)的角度關(guān)注安全系統(tǒng)和設(shè)備的性能改變(尤其是降級(jí))對(duì)電廠安全的影響。

對(duì)于壓水堆(PWR),NRC確定了6個(gè)重要的安全緩解系統(tǒng)[1],并針對(duì)這6個(gè)緩解系統(tǒng)規(guī)定了一套M SPI的計(jì)算方法,對(duì)每個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備給出了業(yè)界性能基準(zhǔn),要求每個(gè)核電廠根據(jù)其PSA模型,針對(duì)每個(gè)核電機(jī)組按要求提供計(jì)算其性能指標(biāo)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),并定期提供該6個(gè)系統(tǒng)的最近3年的相關(guān)參數(shù),經(jīng)核電運(yùn)行研究所(INPO)計(jì)算其 MSPI后提交NRC[1]。

核電廠在發(fā)生設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故或超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故時(shí),各安全相關(guān)系統(tǒng)將按照設(shè)計(jì)的安全功能,投入運(yùn)行以緩解事故,這些安全緩解系統(tǒng)的性能狀態(tài)將直接影響電廠的風(fēng)險(xiǎn)安全狀態(tài)[3]。本文以秦山核電二期為例,計(jì)算緩解系統(tǒng)中輔助給水系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)的MSPI指標(biāo)。

1 MSPI分析

1.1 MSPI定義及計(jì)算方法

在MSPI指標(biāo)之前,核安全監(jiān)管體系所采用的是安全系統(tǒng)不可用度指標(biāo)(SSU I),該指標(biāo)只關(guān)注系統(tǒng)和設(shè)備的不可用度,而不能體現(xiàn)系統(tǒng)和設(shè)備的可靠性。MSPI的定義是：電廠在功率運(yùn)行工況下,內(nèi)部事件造成的給定系統(tǒng)中部件或設(shè)備的可靠性和可用度發(fā)生變化時(shí)對(duì)堆芯損壞頻率(CDF)變化的貢獻(xiàn)進(jìn)行簡(jiǎn)化的線性近似方法[2]。其表征了電廠的實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)與業(yè)界系統(tǒng)性能基準(zhǔn)相比較的實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)增量。

MSPI的計(jì)算包含2項(xiàng),即不可用度指標(biāo)UAI和不可靠性指標(biāo)URI：

不可用度指標(biāo)UAI體現(xiàn)系統(tǒng)不可用度的變化所帶來(lái)的電廠整體風(fēng)險(xiǎn)CDF的變化,而不可靠性指標(biāo)URI則體現(xiàn)了由于系統(tǒng)設(shè)備的可靠性發(fā)生變化后對(duì)CDF的影響。

由MSPI的定義,此時(shí) CDF是 URI和UAI的函數(shù),對(duì)CDF函數(shù)進(jìn)行泰勒展開[1]：

由于MSPI是計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)的增量,因此為泰勒級(jí)數(shù)展開的后續(xù)偏微分項(xiàng),對(duì)其取線性近似,即僅取其一階偏微分項(xiàng),忽略高階微分項(xiàng),根據(jù)Fussell-Veselely重要度定義,便可得MSPI的一階線性近似計(jì)算公式[1]：

下面就公式(3)中的計(jì)算方法簡(jiǎn)要介紹如下。

1.1.1 UAI的計(jì)算

根據(jù)縱深防御原則和單一故障原則,安全緩解系統(tǒng)一般都具有冗余列,系統(tǒng)的功能也是用系統(tǒng)所有的列來(lái)完成,單列即能完成系統(tǒng)的功能,當(dāng)一列上的設(shè)備不能完成其設(shè)計(jì)功能時(shí)導(dǎo)致該列失效,在計(jì)算UAI指標(biāo)時(shí)是以一列完成其設(shè)計(jì)功能時(shí)的不可用度來(lái)計(jì)算的,其成功準(zhǔn)則為電廠的PSA模型中的系統(tǒng)成功準(zhǔn)則(表1)。因此,對(duì)于有n列的系統(tǒng),其 UAI可表示為：

詳細(xì)的參數(shù)定義請(qǐng)參見參考文獻(xiàn)[1]和[2]。

表1 美國(guó)核電業(yè)界在1999—2001年的各系統(tǒng)的平均不可用度[5]Table 1 Averaged unavailability of nuclear systems of USnuclear industry[5](Based on ROP industry wide data for 1999 through 2001)

1.1.2 URI的計(jì)算

安全緩解系統(tǒng)除了不可用之外,其可靠性的變化也會(huì)給電廠的整體風(fēng)險(xiǎn)帶來(lái)威脅,URI指標(biāo)正是定量分析這一風(fēng)險(xiǎn)的有利工具。對(duì)于一個(gè)有m個(gè)設(shè)備的系統(tǒng)而言,其不可靠指標(biāo)URI可表示為：

詳細(xì)的參數(shù)定義請(qǐng)參見參考文獻(xiàn)[1]和[2]。

表2是NUREG/CR-6928中部分設(shè)備類的不可靠數(shù)據(jù),也是美國(guó)核電業(yè)界多年來(lái)的基準(zhǔn)不可靠數(shù)據(jù),本文將其作為MSPI計(jì)算的基準(zhǔn)不可靠數(shù)據(jù)。

表2 美國(guó)工業(yè)界基準(zhǔn)不可靠數(shù)據(jù)[5]Table 2 Industry priors and parameters for unreliability[5]

1.2 MSPI的應(yīng)用準(zhǔn)則

NRC規(guī)定了如表3所示的MSPI應(yīng)用準(zhǔn)則,將 MSPI計(jì)算的值分成 4個(gè)區(qū)域,根據(jù)MSPI計(jì)算的值確定所進(jìn)入的管理區(qū)域,同時(shí)根據(jù)監(jiān)管程序采取相應(yīng)的措施。

表3 NRC對(duì)MSPI的應(yīng)用準(zhǔn)則Table3 NRC application criterion for MSPI

1.3 MSPI的分析步驟

從MSPI的定義和計(jì)算方法可以看出,電廠要進(jìn)行M SPI評(píng)價(jià),至少必須有該電廠的功率運(yùn)行工況下內(nèi)部事件的PSA模型,在該模型的基礎(chǔ)上,對(duì)重要安全緩解系統(tǒng)性能進(jìn)行監(jiān)測(cè)和跟蹤,其主要實(shí)施步驟如下[2]：

(1)確定所需關(guān)注的系統(tǒng)及其功能;

(2)確定該系統(tǒng)的成功準(zhǔn)則;

(3)確定系統(tǒng)的邊界,并識(shí)別出對(duì)風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)較大的敏感設(shè)備;

(4)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備,主要包括計(jì)算特定列的FV重要度、電廠PSA模型中列的不可用度、統(tǒng)計(jì)并處理電廠系統(tǒng)列的實(shí)際不可用度、設(shè)備的FV重要度、需求失效和運(yùn)行失效數(shù)據(jù)、業(yè)界的平均不可用度和不可靠度等;

(5)計(jì)算并評(píng)價(jià)M SPI指標(biāo),識(shí)別出無(wú)效指標(biāo),對(duì)結(jié)果進(jìn)行討論。

2 秦山二期的MSPI分析

鑒于秦山二期核電廠無(wú)完整的PSA模型,但以秦山二期為參考電廠的秦山二期擴(kuò)建工程,且二者的基本設(shè)計(jì)、主要系統(tǒng)、設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)完全一致,以秦山二期擴(kuò)建工程的PSA模型來(lái)評(píng)價(jià)秦山二期的MSPI是可行的,結(jié)果是可信的。

秦山二期擴(kuò)建工程的PSA模型是功率運(yùn)行和停堆以及低功率工況下的內(nèi)部事件,但不含內(nèi)部水淹和火災(zāi)的一級(jí)PSA模型。本文以此模型來(lái)評(píng)價(jià)MSPI,雖然模型內(nèi)部事件分析不完整,但主要風(fēng)險(xiǎn)已經(jīng)在模型中得以模化,在一定程度上已經(jīng)能基本反映這些系統(tǒng)的性能指標(biāo)。由于數(shù)據(jù)采集有限,本文僅就如下2個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行MSPI分析[4]。

2.1 輔助給水系統(tǒng)的MSPI分析

輔助給水系統(tǒng)(AFW)是在事故工況下向蒸汽發(fā)生器供水,以帶走一回路的熱量,是重要的安全緩解系統(tǒng)之一。根據(jù)MSPI分析步驟和參考文獻(xiàn)[2]中敏感設(shè)備的鑒別方法,將表4中的設(shè)備作為敏感設(shè)備進(jìn)行分析,并對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,采集的時(shí)間為1號(hào)機(jī)組2004年初至2007年底。

表4 輔助給水系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)設(shè)備(泵含驅(qū)動(dòng)設(shè)備)Table4 Monitoring equipments of AFW system(Pumpswith d riving equipment)

2.2 冷卻水系統(tǒng)的MSPI分析

冷卻水系統(tǒng)(CWS)是包含設(shè)備冷卻水(RRI)系統(tǒng)和安全廠用水(SEC)系統(tǒng),因此冷卻水系統(tǒng)的MSPI分析,是對(duì)這兩個(gè)系統(tǒng)的綜合性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。冷卻水系統(tǒng)負(fù)責(zé)在正常運(yùn)行工況下各設(shè)備的熱負(fù)荷和在事故工況下將堆芯的熱量傳遞至最終熱阱,對(duì)于核電站的運(yùn)行和事故緩解非常重要。在正常運(yùn)行和事故工況下,兩個(gè)系統(tǒng)均只需1臺(tái)泵運(yùn)行,另3臺(tái)備用,但SEC和RRI有對(duì)應(yīng)列,兩個(gè)系統(tǒng)需對(duì)應(yīng)列運(yùn)行。由于SEC系統(tǒng)和RRI系統(tǒng)是周期輪替運(yùn)行,因此各設(shè)備的失效數(shù)據(jù)處理是將總的失效數(shù)據(jù)做算術(shù)平均,采集的數(shù)據(jù)如表 5所示(1號(hào)機(jī)組2004年初至2007年底)。

表5 冷卻水系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)設(shè)備(泵含驅(qū)動(dòng)設(shè)備)Table5 Monitoring equipments of CWSsystem(Pumpswith driving equipment)

3 結(jié)論與探討

根據(jù)輔助給水系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)整理計(jì)算得到了這兩個(gè)系統(tǒng)的可靠性數(shù)據(jù),依據(jù)MSPI的計(jì)算方法,獲得了這兩個(gè)系統(tǒng)的MSPI指標(biāo)圖,如圖1所示。

圖1 秦山二期2004—2006年輔助給水和冷卻水系統(tǒng)M SPI指標(biāo)Fig.1 MSPI indicators of the AFW and CWS systems of QinshanⅡduring 2004 to 2006

計(jì)算結(jié)果表明輔助給水系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)的性能指標(biāo)均處于綠區(qū),即性能良好,維持當(dāng)前監(jiān)管即可。冷卻水系統(tǒng)的MSPI為正值,表明該系統(tǒng)與美國(guó)基準(zhǔn)性能相比,略有下降,且有繼續(xù)下降的趨勢(shì);輔助給水系統(tǒng)的MSPI優(yōu)于基準(zhǔn)性能。建議對(duì)這兩個(gè)系統(tǒng)尤其冷卻水系統(tǒng)加強(qiáng)管理。

本文計(jì)算MSPI值時(shí),限于數(shù)據(jù)采集的不完整,如采集的設(shè)備僅含泵,而不含其他的敏感設(shè)備,如電動(dòng)閥、氣動(dòng)閥、熱交換器等,計(jì)算的結(jié)果偏小,但已經(jīng)能基本反映該系統(tǒng)的性能指標(biāo)。建議擴(kuò)大設(shè)備可靠性的采集范圍,并與PSA模型有機(jī)結(jié)合,編制重要安全緩解系統(tǒng)性能指標(biāo)(MSPI)分析的程序,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤這些系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

此外,由于該電廠PSA模型未含內(nèi)部水淹和內(nèi)部火災(zāi)等內(nèi)部事件,該模型計(jì)算的結(jié)果也會(huì)偏小,本文暫未分析計(jì)算結(jié)果進(jìn)行不確定性分析和敏感性,以及影響系統(tǒng)性能指標(biāo)的敏感因素。

[1] NRC.Independen t Verification of the Mitigating Systems Performance Index(MSPI)Results of the Pilot Plants,Final Report[R].2005.

[2] NEI.Regulatory Assessment Performance Indicator Guideline[M].NEI-99-02,Revision 4,2006.

[3] 中國(guó)核電工程有限公司.海南昌江核電工程功率運(yùn)行工況一級(jí)概率安全分析報(bào)告[R].2009.

[4] 大亞灣、嶺澳核電廠長(zhǎng)期余熱移出系統(tǒng)緩解系統(tǒng)性能指標(biāo)分析[C]//2008年核能概率安全分析研究研討會(huì)會(huì)議論文集,2008.

[5] NRC.Industry-Average Performance for Componen ts and Initiating Events at U.S.Commercial Nuclear Power Plan ts[R].2007.