船用堆概率安全分析的始發(fā)事件研究

丁寶石++趙新文++張永發(fā)++郭海寬

摘 要：始發(fā)事件是概率安全分析（PSA）的起始點，也是事件序列的重要基礎。對于船用堆還應考慮始發(fā)事件對船舶適航性、機動性、生命力、隱蔽性的影響。分析始發(fā)事件的目的是為了確定潛在的、會導致堆芯損傷的、會影響船舶核動力運行的那些事件并對這些事件予以定量化。該文給出了一份詳盡的始發(fā)事件清單并對其進行了科學合理的分組，提出了船用堆始發(fā)事件的頻率估計方法，對PSA具有重要意義。

關鍵詞：概率安全分析 始發(fā)事件 頻率估計

中圖分類號：TL364 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（b）-0003-03

對船用堆開展概率安全分析（PSA）工作，有利于對其進行安全性評估，并找到潛在的設計缺陷。始發(fā)事件是PSA中事故序列的起點，是建造事件樹的基礎。造成核動力系統(tǒng)擾動并且有可能導致堆芯損傷的事件為始發(fā)事件，對于船用堆還應考慮始發(fā)事件對船舶適航性、機動性、生命力、隱蔽性的影響[1]。分析始發(fā)事件的目的是為了確定潛在的、會導致堆芯損傷的、會影響船舶核動力運行的那些事件并對這些事件予以定量化。正確確定始發(fā)事件對提高船舶核動力系統(tǒng)PSA的可信度有重要意義[2]。該文結(jié)合船用堆的特殊性，考慮到有別于核電廠的安全要求，通過研究船用堆系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，統(tǒng)計多年來的運行經(jīng)驗數(shù)據(jù)，并結(jié)合核電廠采用科學成熟的方法，總結(jié)實際可行的始發(fā)事件篩選法并簡要給出其頻率估計的方法。

1 船用堆始發(fā)事件的確定方法

船用堆的始發(fā)事件確定方法與核電廠的始發(fā)事件確定方法既有相似處，又有很大不同。船用堆的運行應保證船舶的適航性、機動性、生命力、隱蔽性，所以其始發(fā)事件與核電廠有不同的評價標準。同時，船用堆系統(tǒng)構(gòu)造與核電廠有很大不同，將成熟的核電廠始發(fā)事件確定方法直接應用于船用堆有不妥之處，船用堆有核電廠所沒有的系統(tǒng)和設備，且船用堆的運行控制要求也與核電廠的運行方式不同，所以不可以直接使用現(xiàn)成的核電廠始發(fā)事件。該文在總結(jié)分析眾多方法的基礎之上，提出船用堆始發(fā)事件的確定方法。核電廠目前通用的始發(fā)事件確定方法主要有：（1）工程評估；（2）從本類電廠的運行經(jīng)驗中總結(jié)始發(fā)事件；（3）演繹分析[2]。其中工程評估和從本類電廠運行經(jīng)驗中總結(jié)始發(fā)事件是主要方法，輔助以演繹分析的方法從而得到相對較完整的始發(fā)事件清單。

參考核電廠以及船用堆的始發(fā)事件研究方法，該文采用以下5種方法對始發(fā)事件進行篩選。

1.1 借鑒核電廠始發(fā)事件

在秦山核電廠與大亞灣核電廠的PSA分析中給出了始發(fā)事件清單，利用核電廠現(xiàn)有始發(fā)事件清單，考慮到與船用堆的相似性，可以首先仿照核電廠始發(fā)事件清單，結(jié)合船用堆自身特點列出一份始發(fā)清單。該方法可以確定船用堆主要的始發(fā)事件，結(jié)合船用堆系統(tǒng)可以為繼續(xù)確定船用堆始發(fā)事件打下基礎。所確定的始發(fā)事件主要包括兩類，即破口事故和無流體喪失的瞬態(tài)事件，由本方法確定得到的始發(fā)事件如表1所示。

為使始發(fā)事件應用于船舶核動力裝置PSA中，要將始發(fā)事件仔細分析。選取破口事故為例進行說明。

（1） 按破口位置劃分。

失水事故按破口位置可以分為冷段破口與熱段破口。一般情況下，同樣尺寸的破口發(fā)生在冷段比發(fā)生在熱段后果嚴重[4]，所以選取冷段破口事故即可包絡熱段破口事故。對于船用堆來說，如果破口可以被隔離，在特定情況下，將允許反應堆保持運行狀態(tài)，以避免主動力喪失。但對于不可隔離的破口（如破口發(fā)生在主閘閥以內(nèi)等），要求反應堆必須停堆，以保證反應堆安全，故將不可隔離的破口單獨作為始發(fā)事件研究。

將冷管段分成以下幾段研究：從蒸汽發(fā)生器出口至主泵管段（記為A段），主泵至主閘閥管段（記為B段），主閘閥至反應堆管段（記為C段）。其中，主泵與主閘閥的泄漏與故障單獨作為始發(fā)事件分析。

（2）按破口尺寸劃分。

文獻[4]假定反應堆處于65%額定功率運行工況，根據(jù)反應堆安全分析的結(jié)果和操縱員響應的不同，將中、小破口事故劃分為以下3個子類：

Ⅰ類破口事故：15 mm≤≤25 mm

Ⅱ類破口事故：5 mm≤≤15 mm

Ⅲ類破口事故：≤5 mm

Ⅰ類破口事故發(fā)生后前沿系統(tǒng)響應順序依次是：高壓安注系統(tǒng)、反應堆保護系統(tǒng)、低壓安注系統(tǒng)。Ⅱ類破口事故發(fā)生后前沿系統(tǒng)響應順序依次是：高壓安注系統(tǒng)、反應堆保護系統(tǒng)、二回路輔機耗氣、低壓安注系統(tǒng)。Ⅲ類破口事故發(fā)生后前沿系統(tǒng)響應順序依次是：高壓安注系統(tǒng)、隔離破口環(huán)路。

綜合以上分析過程，中小破口的LOCA始發(fā)事件如表2所示。

1.2 從船用堆運行經(jīng)驗中總結(jié)事件

從船用堆運行經(jīng)驗中得到的始發(fā)事件反應了船用堆特定的系統(tǒng)特點，應給予該方法得到的始發(fā)事件足夠的重視，因為很有可能這些始發(fā)事件在后續(xù)的PSA分析中會暴露出該船用堆設計的缺陷或運行中容易發(fā)生故障的設備[5]。

該方法得到的始發(fā)事件有一些可以歸并到上一步中的始發(fā)事件中，新補充進始發(fā)事件清單里的事件如表3所示。

“事故處理規(guī)程”和“安全分析報告”中的事件和故障也可以采納進始發(fā)事件中。得到的始發(fā)事件如表4所示。

1.3 以設備故障或管路破損來定義始發(fā)事件

船用堆的主要系統(tǒng)有：反應堆保護系統(tǒng)、補水系統(tǒng)（兼作高壓安注系統(tǒng)）、低壓安注系統(tǒng)、危機冷卻系統(tǒng)、壓力安全系統(tǒng)、設備冷卻水系統(tǒng)、電力系統(tǒng)等。通過分析以上系統(tǒng)運行特點，找出系統(tǒng)中的關鍵設備和易發(fā)生故障的裝置或設備，將由故障引發(fā)的始發(fā)事件通過此方法挑選出來。用該方法得到的始發(fā)事件有一些能夠被前兩種方法用保守分析的方法包絡，逐個設備分析系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)可以有效的彌補始發(fā)事件考慮的疏忽。可以用該方法繼續(xù)對始發(fā)事件清單進行補充和完善。由該方法得到的始發(fā)事件如表5所示。

1.4 從確定論安全分析中挑選始發(fā)事件endprint

確定論安全分析方法就設計基準內(nèi)的事故進行分析，即分析核動力系統(tǒng)的正常運行和控制系統(tǒng)發(fā)生故障后，安全系統(tǒng)能按要求行使功能時主系統(tǒng)的行為。

與用PSA方法對船用堆系統(tǒng)進行分析類似，確定論安全分析所研究的事故與事件也可以分為兩類：（1）沒有流體流失的事故，主要是指一般的瞬變。主要有：反應性引入事故、失流事故、給水管道破裂事故、失水事故等。（2）以損失一回路或二回路流體為特性的管道破裂事故，如蒸汽管道破裂事故、給水管道破裂事故、失水事故等[6]。

1.5 演繹分析

采用如主邏輯圖之類的演繹方法，以堆芯損傷為頂事件，按照邏輯逐級展開，直至以始發(fā)事件作為最底層的基本事件。該方法適合用于檢查以上方法是否將主要始發(fā)事件涵蓋，是否有缺漏事件。同時，可以給予始發(fā)事件清單補充。可以將堆芯損傷分為以下幾種主要原因作為頂事件考慮：二回路系統(tǒng)導出熱量增加、二回路系統(tǒng)導出熱量減少、反應堆冷卻劑流量減少、反應性和功率分布異常、反應堆冷卻劑裝量增加、反應堆冷卻劑裝量減少、系統(tǒng)或設備的放射性釋放、未能緊急停堆的預期瞬變等[9]。

2 船用堆始發(fā)事件頻率估計

始發(fā)事件的頻率不僅用來確定哪些事件需要進行事件樹分析，而且也是PSA定量化的重要內(nèi)容。根據(jù)文獻[9]，如果按“日歷年”來計算始發(fā)事件頻率，那么各狀態(tài)下計算出的堆芯損壞頻率具有可加性，堆芯損壞的總頻率為各相關使用狀態(tài)下堆芯損壞頻率之和。對于船用堆而言，始發(fā)事件頻率的確定不僅要考慮各使用狀態(tài)下始發(fā)事件的發(fā)生頻率，也要考慮各使用狀態(tài)的持續(xù)時間。

該文從船用堆的實際情況出發(fā)，建立了以下兩個模型來評估始發(fā)事件頻率：

模型一

該模型適用于在某一使用狀態(tài)內(nèi)的任一時刻均可隨機發(fā)生的始發(fā)事件，也即始發(fā)事件頻率正比于始發(fā)事件的持續(xù)時間。令：

（1）

式（1）中，為始發(fā)事件的年均發(fā)生頻率，1/a；為某使用狀態(tài)下始發(fā)事件的時均發(fā)生頻率，1/h；為某使用狀態(tài)的年均持續(xù)時間，h/a。

模型二

該模型適用于始發(fā)事件頻率與使用狀態(tài)的持續(xù)時間無關的情形，此時始發(fā)事件的頻率僅取決于某項活動的發(fā)生次數(shù)。令：

（2）

式（2）中，為平均每年進入某使用狀態(tài)的次數(shù)，1/a；為某使用狀態(tài)下進行某項活動的次數(shù)；為進行某項活動時，始發(fā)事件的發(fā)生概率。

3 結(jié)語

船用堆PSA中始發(fā)事件的確定方法與核電廠采用的方法是不同的。船用堆要滿足適航性、機動性、生命力、隱蔽性要求，所以確定船用堆始發(fā)事件需要考慮的因素更多。同時由于船用堆系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與核電廠有差異，始發(fā)事件的選取也有很大不同。該文主要采用借鑒核電廠始發(fā)事件、總結(jié)船用堆運行經(jīng)驗以及從船用堆主要系統(tǒng)與設備故障中提取始發(fā)事件的方法，輔助以其他兩種方法（從確定論安全分析中總結(jié)事發(fā)時間、演繹分析方法）找出船用堆的始發(fā)事件一共有44個。

該文在初步篩選出船用堆始發(fā)事件之后，綜合船用堆系統(tǒng)的實際情況，將始發(fā)事件進行詳細劃分。根據(jù)船用堆冷卻劑系統(tǒng)的實際情況，把LOCA事件初步細分成7件子事件。整理出事件所屬分類，為后續(xù)的始發(fā)事件分組工作作鋪墊。

參考文獻

[1] 彭敏俊，王兆祥.船舶核動力裝置[M].北京：原子能出版社，2011：18-26，126-138.

[2] 馬明澤.核電廠概率安全分析及其應用[M].北京：原子能出版社，2010：13-16.

[3] 趙新文，蔡琦，蔡章生.船用核動力反應堆概率安全評價的初始事件分析[J].核動力工程，2004，25（6）：126-129.

[4] 張永發(fā).xxx典型事故的概率安全研究[D].武漢：海軍工程大學，2007.

[5] 朱繼洲.核反應堆安全分析[M].西安：西安交通大學出版社，2004：187-188.

[6] 俞冀陽，俞爾俊.核電廠事故分析[M].北京：清華大學出版社，2012：15-145.

[7] 趙新文，陳力生，蔡琦.艦艇核動力一回路裝置[M].北京：海潮出版社，2001：1-284.

[8] 大亞灣核電站PSA主報告[R].廣東核電集團，2001.

[9] 趙新文.xxxPSA事故序列分析技術研究[D].武漢：海軍工程大學，2005.

[10] Dana Kelly，Curtis Smith.貝葉斯概率風險評估[M].北京：國防工業(yè)出版社，2014：1-40.endprint