船用核動(dòng)力工況劃分的一些思考

張丹，冉旭，劉余，張航，蔣孝蔚

(中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610213)

0 引 言

20世紀(jì)60年代，美軍在導(dǎo)彈試驗(yàn)中，運(yùn)用系統(tǒng)工程的原理、方法，對(duì)導(dǎo)彈開(kāi)發(fā)中的風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題進(jìn)行了定性和定量分析。隨著研究的深入，還能對(duì)事故進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，導(dǎo)彈設(shè)備事故大幅度下降。隨后，美國(guó)軍方提出對(duì)國(guó)防裝備系統(tǒng)和工程系統(tǒng)的各個(gè)階段進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，從而消除或控制風(fēng)險(xiǎn)，并逐漸形成了系統(tǒng)安全學(xué)科，其采用危害可能性和后果的風(fēng)險(xiǎn)矩形標(biāo)識(shí)產(chǎn)品的安全性能廣泛在各行業(yè)采用，而危害的可能性或危害工況按頻率的劃分是其中的重要一環(huán)。調(diào)研可知，各工況頻率區(qū)間的取值和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)工況截?cái)囝l率的考慮具有很大程度上的主觀性，與同一型號(hào)產(chǎn)品預(yù)期生產(chǎn)的數(shù)量、運(yùn)行情況及壽期周期等相關(guān)，對(duì)于不同的對(duì)象兩者的取值也應(yīng)有所區(qū)別。

對(duì)于核動(dòng)力系統(tǒng)，由于產(chǎn)品十分復(fù)雜，在研發(fā)早期難以采用系統(tǒng)工程學(xué)安全設(shè)計(jì)的方法，只能針對(duì)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)工況采用“處方式”的確定論分析，對(duì)始發(fā)事件采用按效應(yīng)的分析；隨著概率安全評(píng)價(jià)技術(shù)的發(fā)展，逐漸也采用了按始發(fā)事件頻率的劃分方式。在確定論安全分析中，按頻率的工況劃分和安全準(zhǔn)則直接對(duì)應(yīng)，是安全設(shè)計(jì)、安全分析及安全運(yùn)行的基礎(chǔ)。對(duì)于船用核動(dòng)力，目前按頻率的工況劃分主要參考核電，以堆年為單位，沒(méi)有明確的截?cái)囝l率（核電以10-6/堆年為截?cái)囝l率），參考核電選取大破口、彈棒等為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故，而由于船用系統(tǒng)資源的限制此類事故難以對(duì)應(yīng)，因此對(duì)安全設(shè)計(jì)造成一定的影響。對(duì)于船用核動(dòng)力，由于在功率運(yùn)行時(shí)間、壽期等方面和核電存在較大差異，此種方式存在一定的不合理性，與核動(dòng)力裝置作為主推進(jìn)等功能的本質(zhì)有所偏離。為此，對(duì)國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)、航空、船舶等領(lǐng)域風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)進(jìn)行調(diào)研，在此基礎(chǔ)上初步給出了船用核動(dòng)力設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故建議的截?cái)囝l率，同時(shí)提出了更適合船用特點(diǎn)的工況劃分，為進(jìn)一步研究設(shè)計(jì)工作奠定基礎(chǔ)。

1 現(xiàn)狀

對(duì)于船用核動(dòng)力，目前的工況劃分一般參照核電廠，包括“正常運(yùn)行”“一般事故”“稀有事故”和“極限事故”四類，對(duì)每類工況的頻率區(qū)間和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故的截?cái)囝l率沒(méi)有明確要求。

核電領(lǐng)域使用的工況劃分普遍源于20世紀(jì)60-70年代核電大發(fā)展時(shí)期的美國(guó)[1]，盡管如此，不同機(jī)構(gòu)給出了不同的頻率區(qū)間建議，主要如表1所示。NRC（美國(guó)核監(jiān)管局）從安全設(shè)計(jì)的角度，而ANS（美國(guó)核管會(huì)）主要從電廠運(yùn)行的角度，無(wú)論哪類標(biāo)準(zhǔn)，低于10-3/堆年（ASME略低于該值）都被列入極限事故。

表 1 核電發(fā)展早期不同機(jī)構(gòu)給出的工況劃分Tab. 1The conditions classification for nuclear power plant

目前輕水堆核電廠安全分析報(bào)告編制中主要依據(jù)RG1.7[2]第三版，其規(guī)定的稀有事件的頻率下限取為10-4/堆年，即在有100座以上同類型反應(yīng)堆運(yùn)行的情況下，可能在某座反應(yīng)堆中出行一次或數(shù)次的事故工況。對(duì)于極限事故，也稱為假想事故，其頻率的下限一般低于稀有事故2個(gè)量級(jí)。表2給出了目前工程中考慮的事故頻率區(qū)間和物理意義。

表 2 核電廠工況劃分及意義Tab. 2Conditions classification for NPP and the meaning

在現(xiàn)代核電廠設(shè)計(jì)中，盡管對(duì)單座核電廠而言，稀有事件發(fā)生的概率已經(jīng)極低，但由于假想事故，例如大破口事故后果嚴(yán)重，因此在設(shè)計(jì)中必須考慮，并將其作為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故，而將其估計(jì)的發(fā)生概率10-6/堆年作為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故的截?cái)囝l率；同時(shí)由于國(guó)際核電廠發(fā)生過(guò)了3次嚴(yán)重事故，國(guó)際核工業(yè)界要求核電廠考慮事件的范圍在擴(kuò)大，船用核動(dòng)力難以繼續(xù)參照跟隨。

2 標(biāo)準(zhǔn)要求

2.1 美軍標(biāo)

20世紀(jì)60-70年代，美軍方完成了“系統(tǒng)安全工程技術(shù)要求”（MIL-STD-882[3]）美軍標(biāo)準(zhǔn)，作為美軍武器裝備安全性的頂層要求，該標(biāo)準(zhǔn)于1967年7月首次發(fā)布，幾經(jīng)增訂，一直沿用至今，目前為MIL-STD-882E。在這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)中，首次奠定了系統(tǒng)安全工程的概念和設(shè)計(jì)、分析等基本原則，目前在各行業(yè)中廣泛使用的危險(xiǎn)嚴(yán)重等級(jí)和危險(xiǎn)概率等級(jí)便出自該標(biāo)準(zhǔn)。MIL-STD-882E給出了建議的事故頻率水平見(jiàn)表3。

表 3 美標(biāo)MIL-STD-882E中建議的概率水平Tab. 3The conditions classification in MIL-STD-882E

由于武器裝備涉及范圍很廣，航空、彈藥等風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和艦船等存在差異，因此表3作為建議的頻繁范圍，文中明確指出須首先確定整個(gè)對(duì)象群體的數(shù)量。對(duì)于頻率，未給出單位，可根據(jù)不會(huì)的對(duì)象進(jìn)行區(qū)別考慮，例如航程、任務(wù)周期數(shù)、時(shí)間等。對(duì)于10-6的截?cái)囝l率，其他文獻(xiàn)表明該值來(lái)源于軍火商（彈藥等）。從認(rèn)知而言，可認(rèn)為是難以接近的，近似為0的一個(gè)低值。從西方社會(huì)學(xué)角度，百萬(wàn)（million）也可認(rèn)為一個(gè)認(rèn)知中的一個(gè)極大數(shù)。該值和核電廠大破口事故的估計(jì)概率處以同一水平。

2.2 國(guó)軍標(biāo)

我國(guó)武器裝備領(lǐng)域安全性的頂層標(biāo)準(zhǔn)為GJB 900-90《系統(tǒng)安全性通用大綱》[4]（目前已修訂為GJB900A-2012裝備安全性工作通用要求）和GJB/Z 99-97 《系統(tǒng)安全工程手冊(cè)》，此系列標(biāo)準(zhǔn)主要參照MIL-STD-882編制，表4給出了推薦的危險(xiǎn)可能性等級(jí)劃分。

表 4 GJB中推進(jìn)的危險(xiǎn)可能性等級(jí)劃分Tab. 4The conditions classification suggested by GJB

可以看出GJB和MIL中的劃分是相同的，不過(guò)GJB沒(méi)有嚴(yán)格規(guī)定壽期內(nèi)發(fā)生的次數(shù)，同時(shí)未給出頻率劃分推薦，不利于具體的工程實(shí)踐。

3 航海領(lǐng)域

3.1 核商船

核商船作為船用核動(dòng)力的典型，在由國(guó)際海事組織IMO頒布的核商船安全規(guī)范[5]中，也定性給出了工況的頻率和物理意義，如表5所示。對(duì)比可知，其物理意義和核電類似，存在I～I(xiàn)V類的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即II類壽期內(nèi)可信，III類同類型船可信，IV類極限工況。

表 5 核商船工況劃分及意義Tab. 5The conditions classification for nuclear merchant ship

3.2 常規(guī)船

船舶在設(shè)計(jì)中需要進(jìn)行綜合安全評(píng)價(jià)（FSA），其中最重要的部分是定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)（QRA）。IMO在FSA指南[6]中，按照船年給出了一般船舶在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中（采用風(fēng)險(xiǎn)矩陣）的工況劃分，可以看出截?cái)囝l率為10-5/船年。

由于船舶類型的差異其運(yùn)行情況差異巨大，運(yùn)行周期從小時(shí)到月份都有，因此IMO在制定該標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)頻繁出現(xiàn)的工況（對(duì)標(biāo)MIL或GJB可認(rèn)為正常運(yùn)行工況）的界定為單個(gè)月，即可認(rèn)為單個(gè)任務(wù)循環(huán)或任務(wù)剖面內(nèi)可能出現(xiàn)一次的工況；對(duì)于有時(shí)發(fā)生的（可認(rèn)為為II類），近似按壽期內(nèi)一次到幾次界定。

表 6 IMO綜合安全評(píng)估指南中給出的船舶工況劃分Tab. 6The conditions classification in FSA of IMO

3.3 高速船

高速船具有船體輕、航速高等特點(diǎn)，相對(duì)其他大型船舶，其航程或單次航行的周期較短。IMO對(duì)高速船安全評(píng)價(jià)的工況劃分給出了推薦值[7]，如表7所示。

表 7 高速船工況頻率Tab. 7The hazard probability for high speed ships

可以看出設(shè)計(jì)上考慮的事件也分為四類，同時(shí)10-9/h為截?cái)囝l率。

由于航程短，IMO在推薦工況劃分頻率時(shí)和FAR及JAR進(jìn)行了對(duì)比，兩者均有一定的相通性。

4 船用核動(dòng)力工況劃分推薦

4.1 特性

相對(duì)目前船用核動(dòng)力參照核電選取工況頻率的做法，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)及其他行業(yè)情況的調(diào)研，可以看出主要在時(shí)間和規(guī)模上存在差異（見(jiàn)表8），這2個(gè)因素與工況劃分頻率密切相關(guān)。

因此，綜合考慮單個(gè)對(duì)象，船用核動(dòng)力在壽期內(nèi)發(fā)生單次事件的概率低于核電，考慮同類型反應(yīng)堆，由于船用堆基數(shù)小，它在壽期內(nèi)出現(xiàn)事故的概率也低于核電，因此有必要回歸工況劃分的本意，重新定義船用核動(dòng)力的工況。

表 8 核動(dòng)力船舶和核電對(duì)比Tab. 8The contrast between the nuclear power plant and the nuclear powered ships

4.2 工況劃分建議

基于以上分析，針對(duì)船用堆初步提出結(jié)合船自身和堆的工況劃分截?cái)囝l率，如表9所示。

表 9 每類工況截?cái)囝l率推薦Tab. 9The cutoff frequency of conditions classification for nuclear powered ships

以上分析中，假設(shè)了船用堆的壽期和同類型船用堆的數(shù)量。對(duì)以上分析中的值進(jìn)行取整，以小時(shí)為單位，初步提出以上工況劃分的頻率區(qū)間。

根據(jù)以上分析，得到船用堆設(shè)計(jì)中的可信事故（稀有事故）的截?cái)囝l率為10-7/h，參考其他行業(yè)，極限事故截?cái)嗟?個(gè)量級(jí)，則獲得設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故（極限事故）的截?cái)囝l率為10-9/h（近似10-5/年），對(duì)與壓水堆核電廠考慮的大破口失水事故頻率（約為5E-6）相比，已超出了設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的范圍。

表 10 推薦給出的工況劃分Tab. 10The recommended conditions classification

5 結(jié) 語(yǔ)

本文在分析核電工況劃分及設(shè)計(jì)基準(zhǔn)截?cái)囝l率的基礎(chǔ)上，提出了船舶領(lǐng)域的工況劃分，在此基礎(chǔ)上對(duì)比研究了船用核動(dòng)力特性，建議如下：

1）船用核動(dòng)力設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故的選取，截?cái)囝l率至多為 10-5/堆.年或 10-9/堆·小時(shí)；

2）船用核動(dòng)力工況劃分可考慮按單個(gè)任務(wù)剖面內(nèi)可能、壽期內(nèi)可能、國(guó)家可能的船隊(duì)規(guī)模下可能為頻率界限，進(jìn)行工況劃分；

3）對(duì)于武器裝備的核動(dòng)力，未來(lái)可進(jìn)行按任務(wù)剖面數(shù)量為單位的工況劃分探索，以更好指導(dǎo)裝備的運(yùn)行；

4）工況劃分的目的是結(jié)合不同工況的后果，確定裝備的風(fēng)險(xiǎn)，因此應(yīng)進(jìn)一步研究不同工況對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)則值。