中國實驗快堆一回路冷阱工藝間鈉火概率安全評價

宋 維，胡文軍，錢鴻濤，付陟瑋，左嘉旭,*

(1.環境保護部 核與輻射安全中心，北京 100082；2.中國原子能科學研究院，北京 102413)

中國實驗快堆一回路冷阱工藝間鈉火概率安全評價

宋 維1，胡文軍2，錢鴻濤1，付陟瑋1，左嘉旭1,*

(1.環境保護部 核與輻射安全中心，北京 100082；2.中國原子能科學研究院，北京 102413)

本文運用事件樹方法對中國實驗快堆一回路冷阱工藝間發生鈉火后的事故場景進行演繹分析，運用故障樹方法對鈉火相關系統進行可靠性建模。在此基礎上計算得到各鈉火事故序列的條件發生概率。結果表明：在獲得的25個典型鈉火事故序列中，19個序列的條件發生概率較低；在發生概率相對較高的6個序列中，4個序列的后果輕微，其余兩個序列代表的鈉火場景存在一定不確定性，需要在今后的鈉火危險性評價中進一步具體研究。

中國實驗快堆；一回路冷阱工藝間；鈉火；概率安全評價

鈉火事故是鈉冷快堆的特有事故類型之一，鈉火事故評價是快堆安全分析的重要內容。目前對快堆鈉火事故的分析主要以工程評價及確定論分析方法為主。隨著概率安全評價(PSA)方法研究和在核電廠中的應用逐步廣泛和深入，鈉火概率安全評價方法勢必會成為鈉冷快堆技術發展中的重要安全評價工具和手段。

中國實驗快堆(CEFR)是我國第一座快中子反應堆，其中有多個假設始發事件可能導致鈉火事故，如主容器泄漏、一回路管道泄漏或斷裂、二回路管道泄漏或斷裂等[1]。鈉冷快堆一回路由于放射性鈉的存在，其鈉火事故對于核安全具有極其重要的意義。本文選擇CEFR一回路冷阱工藝間為對象，使用事件樹方法進行鈉火場景演繹和事故序列分析，使用故障樹方法進行各鈉火防護系統的可靠性評價，從而完成該房間的鈉火概率安全評價，獲得各鈉火事故序列的條件失效概率。

1 CEFR一回路冷阱工藝間

CEFR一回路冷阱工藝間是一回路鈉凈化系統冷阱和省熱器所在的房間，是主容器之外的一回路鈉重要設備的所在之地，也是鈉火消防關注的重點位置之一。一回路凈化系統利用雜質在鈉中含量隨著溫度降低而下降的原理，凈化一回路冷卻劑鈉中的氧化物、氫化物等雜質和通過輻照產生的放射性物質，確保冷卻劑的流動和熱量的傳輸，維護反應堆的安全運行[2]。如果一回路冷阱工藝間內發生管道斷裂或設備泄漏，可能造成反應堆主容器內的冷卻劑鈉大量外泄，危及反應堆的安全。另外，由于一回路冷卻劑鈉具有放射性，大量放射性鈉外泄可能造成環境的放射性污染。

CEFR一回路冷阱工藝間的鈉火防火設計采用縱深防御的設計理念。對于已發生的鈉泄漏和鈉火事故，設置了多樣化的探測裝置，時刻監測涉鈉設備的泄漏和鈉火事故的發生；在一回路鈉引出管主管路與堆容器的接口處采用雙道自動快速截止閥串聯設計，并在截止閥到堆池之間管段采用雙層壁；引出管池內部分采用了非能動的破壞虹吸裝置；房間地面設置漏鈉接收盤，抑制鈉火燃燒；設置氮氣淹沒系統，制造惰性氣體環境，減少鈉的氧化反應等。為了減輕鈉火燃燒造成的后果，工藝間混凝土表面采用全部鋼覆面加絕熱層的結構，以防止混凝土結構受到鈉的侵蝕與火災高溫的損害；在設備布置上，采取功能隔離和實體隔離措施，以保證設備的獨立性，從而防止鈉火事故的擴大；為防止放射性的不可控釋放，一回路鈉工藝間設置有正常通風和事故排煙系統，使含有鈉氣溶膠及放射性的空氣經過事故排煙過濾后再排放到大氣中[3]。

2 鈉火場景事件樹演繹分析

本文運用事件樹的方法對CEFR一回路冷阱工藝間發生鈉火事故的場景進行演繹分析，梳理可能發生的事故序列。本次建模中使用的事件樹建模假設如下：1) 事故序列模擬不考慮非能動的虹吸破壞裝置的失效；2) 不考慮非能動的漏鈉接收盤的失效。

本文以“CEFR一回路冷阱工藝間發生鈉泄漏”為始發事件，建立的事件樹模型如圖1所示。

3 鈉火防護系統可靠性評價

經過事件樹演繹可知：CEFR一回路冷阱工藝間鈉火事故中有鈉火探測系統、鈉凈化管道隔離系統、房間正常通風系統、房間事故排煙系統及氮氣淹沒系統等5個系統需要投入。本文運用故障樹的方法對這5個系統進行可靠性評價，為最終事故序列發生概率的計算提供輸入。

3.1 鈉火探測系統

鈉火探測系統對一回路鈉凈化系統冷阱工藝間進行連續監測，并提供火災報警信號。該房間設置了3個感煙探測器及1個感溫探測器，在其所有鈉管道和設備上的三通、閥門和焊縫部位均設計有接觸式鈉泄漏探測器。除此之外，在一回路鈉工藝間還設置了兩套鈉氣溶膠放射性監測系統，一套直接監測排風管內排風氣體的劑量率，一套監測取樣回路中過濾器內安裝的過濾布上的劑量率。上述探測器僅以三取二的感煙探測器信號作為自動控制的輸入信號，其他探測器的信號只作為火災輔助顯示，以判斷感煙探測器報警信號的正確性[4]。

本次建模將感煙探測器作為自動觸發鈉火消防動作的信號，而在煙霧探測失效時，操縱員可根據溫度探測器、鈉泄漏探測器及排風管道內的放射性探測器給出報警信號，手動觸發消防動作。根據鈉火場景事件樹演繹結果，最終確定兩棵鈉火探測系統的故障樹，對應為事件樹題頭事件“鈉火探測系統發出火災報警信號”的輸入，其頂事件分別為：1) 消防系統自動觸發信號失效，操縱員手動觸發消防動作；2) 鈉火監測系統全部失效。對應故障樹的主要結構如圖2～5所示。

圖2 探測系統故障樹1Fig.2 No.1 fault tree of detection system

3.2 一回路鈉凈化管道隔離系統

一回路鈉凈化系統進出主容器管道上的4個核級閥門構成了一回路鈉凈化系統兩條管道的雙重隔離裝置，是鈉冷卻劑流出主容器的唯一出口。一回路冷阱工藝間發生火災時，每個探測區的報警信號根據三取二邏輯輸出聯動控制信號，自動關閉4個核級閥門。另外，一回路冷阱工藝間的上、下游管道分別設置了1臺依靠手動操作的隔離閥，如果自動隔離失效，操縱員可手動把冷阱工藝間上、下游的鈉閥關閉，防止向該房間泄漏更多的鈉，限制鈉火事故規模[2]。

當艏吃水大于艉吃水時，即吃水差為正值時，船舶為艏傾（Trim by bow）；當艏吃水小于艉吃水時，即吃水差為負值，船舶為艉傾（Trim by stern）；當艏吃水等于艉吃水時，即吃水差為零，船舶為平?。‥ven keel）。

本次建模確定一回路鈉凈化管道隔離系統的故障樹頂事件為：一回路鈉凈化系統隔離閥未能關閉，一回路鈉持續泄漏。其主要故障樹的結構如圖6所示。

圖3 探測系統故障樹2Fig.3 No.2 fault tree of detection system

3.3 正常通風系統

一回路鈉工藝間是放射性嚴格控制區，設計中為這些工藝間裝備了獨立換氣的進、排風系統。反應堆正常運行時，一回路冷阱工藝間的放射性水平在限值以內，反應堆廠房正常通風系統運行。送風系統與房間通過串聯兩個防火閥和1個余壓閥連接，在負壓的作用下為房間送氣。房間內空氣通過排風系統從房間內直接排出，在排風管穿過房間隔斷結構之處裝有串聯的兩個防火閥[5]。防火閥自身元件故障、執行機構及其傳動部分的故障、控制電路故障、電機啟動失效均將導致防火閥的關動作失敗。

本次建模確定該系統故障樹的頂事件為：正常通風系統任意閥門未能關閉。其故障樹的主要結構如圖7所示。

圖4 煙霧探測系統故障樹Fig.4 Fault tree of smoke detection system

圖5 放射性探測系統故障樹Fig.5 Fault tree of radiation detection system

3.4 事故排煙系統

核島廠房的事故排煙系統可避免由鈉火事故造成的房間正壓導致的放射性氣溶膠外逸，并能減緩由于火災產生的瞬間氣體壓力對圍護結構的沖擊，同時對鈉火產生的放射性煙霧進行兩級凈化處理，將排放到大氣的放射性劑量水平控制在規定的限值以內。鈉火事故排煙系統啟動運行可通過兩條渠道：一條為主動式，由鈉工藝房間內設置的4類鈉火災探測系統發出報警信號，自動打開排煙系統防火閥，聯動啟動事故排煙系統運行；另一條為被動式，通過鈉火房間送排風道上70 ℃防火閥熔斷關閉，聯鎖打開該房間排煙防火閥，聯動啟動事故排煙系統運行[5]。

圖6 鈉泄漏隔離系統故障樹Fig.6 Fault tree of sodium leakage isolation system

圖7 正常通風系統故障樹Fig.7 Fault tree of normal ventilation system

本次建模為事故排煙系統建立兩棵故障樹，對應為事件樹題頭事件“事故排煙系統打開”的兩個輸入，頂事件分別為：1) 事故排煙系統未能完成排煙動作；2) 事故排煙鈉氣溶膠過濾失效。其對應故障樹的主要結構如圖8、9所示。

3.5 氮氣淹沒系統

房間內發生大量鈉泄漏時，氮氣淹沒系統的兩臺電動隔離閥打開并向房間注入氮氣，用氮氣將燃燒鈉淹沒覆蓋，使其與空氣隔絕，從而使鈉火因窒息而熄滅。該系統兩臺隔離閥任一臺打開即可滿足設計要求，因此確定本系統故障樹頂事件為：氮氣淹沒系統投入失效。其主要故障樹模型的結構如圖10所示。

4 鈉火場景定量化評價

在完成了鈉火相關系統的故障樹建模后，使用事件樹-故障樹連接方法建立事件樹模型和故障樹模型間的聯系。其中題頭事件“鈉火探測系統發出報警信號”設置兩個輸入，分支1的輸入為故障樹“消防系統自動觸發信號失效，操縱員手動觸發消防動作”，分支2的輸入為故障樹“鈉火監測系統全部失效”；題頭事件“事故排煙系統打開”設置兩個輸入，分支1的輸入為故障樹“事故排煙系統未能完成排煙功能”，分支2的輸入為故障樹“事故排煙系統氣溶膠過濾功能失效”；其余題頭事件為單一輸入，分別對應各自系統的故障樹。

圖8 事故排煙系統故障樹1Fig.8 No.1 fault tree of exhaust system

經過對CEFR一回路冷阱工藝間鈉火場景的事件樹演繹分析，共獲得25個事故序列，并對各事故序列進行定量化計算。

圖9 事故排煙系統故障樹2Fig.9 No.2 fault tree of exhaust system

圖10 氮氣淹沒系統故障樹Fig.10 Fault tree of nitrogen injection system

4.1 鈉火場景定量化評價結果

本次計算主要針對在房間發生鈉火事故后，由于消防系統的不同狀態而導致的不同鈉火場景的條件發生概率。將建立的事件樹和故障樹模型連接后，進行事故序列的定量計算，除去事故序列1為設計工況外，其余序列的條件發生概率列于表1。

表1 事故序列的條件發生概率Table 1 Conditional occurrence probabilities of accident sequences

4.2 關鍵鈉火場景事故序列描述及分析

上述25個鈉火事故序列中，事故序列1為設計工況，其余事故序列中，序列2、3、4、7和13的條件發生概率大于10-6。在此對CEFR一回路冷阱工藝間鈉火消防設計工況事故序列進行描述，并對發生概率相對較大的事故序列的后果進行初步分析。

如果各系統能夠按照設計功能正常動作，則鈉火事故將按照序列1的描述發展：CEFR一回路冷阱工藝間鈉管道發生泄漏，由于鈉火燃燒產生大量煙霧從而觸發至少兩個感煙探測器，發出鈉火事故報警信號，并由控制系統自動關閉一回路鈉凈化系統堆本體進出口管段上的4個核級閥門。同時，關閉正常通風系統與該房間連接的送風管道和排風管道上的隔離閥門，并聯動打開事故排煙系統，使含有放射性鈉氣溶膠的室內空氣經過過濾凈化后排放至大氣。此后，操縱員根據事故進展和報警提示，手動投入氮氣淹沒系統進一步緩解事故。

對于事故序列2～4這類一回路鈉凈化管道隔離閥能正常關閉的事故序列，泄漏發生后5 s內即可產生泄漏信號并傳送到執行機構，再用11 s截止閥關閉。在此過程中共排鈉42.4 kg。由于泄漏出的鈉總量較小，泄漏時間較短，假設所有泄漏出的鈉全部燃燒盡，氣溶膠釋放至廠外。這種情況下，對廠區周圍放射性的后果進行計算，得到最大個人劑量為0.29 mSv，低于0.5 mSv的設計基準事故限值，因此對核安全不會構成重大威脅[6]。

事故序列7描述的鈉火事故中，CEFR一回路冷阱工藝間鈉管道發生泄漏，由于鈉火燃燒產生大量煙霧從而觸發至少兩個感煙探測器，發出鈉火事故報警信號，但控制系統無法關閉一回路鈉凈化系統管道上的閥門，造成一回路鈉的持續泄漏和燃燒。此時，正常通風系統與房間連接的送風管道和排風管道上的隔離閥門關閉，并聯動打開事故排煙系統，使含有放射性鈉氣溶膠的室內空氣經過過濾凈化后排放至大氣。此后，操縱員根據事故進展和報警提示，手動投入氮氣淹沒系統進一步緩解事故。該事故序列鈉火燃燒時間由鈉泄漏停止時間和氮氣起作用時間決定。事故序列7由于其未能對泄漏點進行有效隔離，液態鈉將持續泄漏，并由于氮氣淹沒系統的投入使得鈉火的燃燒時間存在很大的不確定性。

事故序列13描述的鈉火事故中，CEFR一回路冷阱工藝間鈉管道發生泄漏，由于兩個以上感煙探測器故障，探測系統未能自動觸發消防系統動作；其后操縱員根據房間溫度信號、鈉泄漏探測信號和排風管道放射性氣溶膠監測信號判斷出發生鈉火事故，并手動觸發保護動作，其后事故動作與事故序列1相似。該事故序列需要操縱員通過信號判斷發生鈉火及手動采取后續動作，消防系統的緩解動作投入時間將延長，因此相對于事故序列2～4，事故序列13可能導致鈉的泄漏量和放射性釋放有所增加。

5 結論

本文針對CEFR一回路冷阱工藝間進行了鈉火概率安全評價，使用事件樹方法演繹分析得到25個鈉火事故序列，并分別完成鈉火相關的鈉火探測系統、鈉凈化管道隔離系統、房間正常通風系統、房間事故排煙系統及氮氣淹沒系統等5個系統的故障樹建模。在此基礎上，計算得到了各鈉火事故序列的條件發生概率，并對典型的鈉火場景進行了描述。計算結果表明：25個事故序列中19個序列的發生概率較低，而在發生概率相對較高的6個序列中，4個序列的后果輕微，其余兩個序列代表的鈉火場景存在一定不確定性，需在今后的鈉火危險性評價中進一步具體分析。

[1] 馮預恒，任麗霞，張志偉，等. 中國實驗快堆最終安全分析報告[R]. 北京：中國原子能科學研究院中國實驗快堆工程部，2008.

[2] 杜海鷗，俞曉琛. 中國實驗快堆一回路鈉凈化系統手冊[R]. 北京：中國原子能科學研究院中國實驗快堆工程部，2003.

[3] 張東輝，任麗霞. 快堆安全分析[M]. 北京：中國原子能出版傳媒有限公司，2011.

[4] 申鳳陽，徐斌，杜海鷗，等. 中國實驗快堆火災危害性分析報告[R]. 北京：中國原子能科學研究院中國實驗快堆工程部，2009.

[5] 葉憲洲，杜海鷗. 中國實驗快堆反應堆廠房通風系統[R]. 北京：中國原子能科學研究院中國實驗快堆工程部，2003.

[6] 張東輝. 中國實驗快堆一次鈉泄漏防御的改進及其效果分析[C]∥第六屆全國新堆與研究堆學術會議. [出版地不詳]：[出版者不詳]，2006.

Sodium Fire Probabilistic Safety Assessment of Primary Cold Trap Room for China Experimental Fast Reactor

SONG Wei1, HU Wen-jun2, QIAN Hong-tao1, FU Zhi-wei1, ZUO Jia-xu1,*

(1.NuclearandRadiationSafetyCenter,MinistryofEnvironmentalProtection,Beijing100082,China;2.ChinaInstituteofAtomicEnergy,Beijing102413,China)

The sodium fire scenarios after the fire was ignited in primary cold trap room of China Experimental Fast Reactor were deduced using event tree method. The systems related to the accident were modeled using fault tree method. Thereby, the conditional occurrence probabilities of all sodium fire sequences were calculated. The results show that 25 typical sodium fire accident sequences are obtained in total, and 19 sequences have lower probabilities of occurrence. Among the 6 sequences with relatively higher probabilities, 4 sequences cause minor consequences, and the remaining 2 sequences require a detailed hazard evaluation in the next work because of the uncertainty.

China Experimental Fast Reactor; primary cold trap room; sodium fire; probabilistic safety assessment

2014-06-10;

2014-11-17

宋 維(1982—)，男，河北井陘人，工程師，碩士，從事核電廠概率安全評價研究

*通信作者：左嘉旭，E-mail: zuojiaxu@chinansc.cn

TL364.5

A

1000-6931(2015)10-1804-07

10.7538/yzk.2015.49.10.1804