基于概率安全評價重要度分析的提升核電廠設計階段經濟性研究

劉維理，賈龍飛

基于概率安全評價重要度分析的提升核電廠設計階段經濟性研究

劉維理，賈龍飛

（山東核電有限公司，山東 煙臺 265100）

概率安全評價（PSA）是以概率論為基礎的風險量化評價技術，在核電廠設計階段，當前通常用于評價核電廠的風險、發現設計上的薄弱環節、提升電廠安全性。本文從PSA重要度和敏感性分析結果的角度，探討在核電廠設計階段采用PSA提升經濟性的方法。

概率安全評價；設計階段；經濟性

概率安全評價（PSA）是一種以概率論與數理統計為基礎，采用演繹與歸納相結合的邏輯推理方法來定量評估核電廠堆芯損傷和放射性大量釋放等嚴重事故發生頻率的技術。它在發現核電廠設計中的薄弱環節，比較不同設計方案，優化設計，提出有效改進方法降低核電廠嚴重事故風險等方面起著非常積極的作用。

安全性是核電發展基礎，自WASH-1400以來，PSA作為一種技術工具在核電廠設計階段論證和提升安全性的應用已得到非常充分的挖掘。而在能源多元化的今天，核電的經濟性提升也是業界非常關注的問題。本文通過對PSA的重要度和敏感性分析結果開展研究，討論基于PSA在核電設計階段提升經濟性的方法。

1　重要度和敏感性分析概述

1.1　重要度分析

由于核電廠中各個系統、部件、始發事件及人員失誤事件等在PSA模型中的地位不同，及其發生概率（或頻率）不同，因此它們對電廠堆芯損傷頻率的貢獻也不同。重要度分析的目的是確定堆芯損傷頻率、事故序列頻率和系統不可用度中各貢獻因素的重要性。重要度分析對PSA重要度分析和敏感性分析是相關的。用于PSA評價的計算機程序通常能夠為每個基本事件自動計算不同類別的重要度。典型的有Fussell-Vesely（FV）重要度因子、風險增加因子（RIF）、風險減少因子（RDF）和相對貢獻（FC）[1]。這四種重要度的定義如下。

基本事件的FV：

風險增加因子RIF：

風險減少因子RDF：

相對貢獻FC：

1.2　敏感性分析

PSA中敏感性分析的目的是討論對結果有潛在重大影響的問題，如建模假設和數據等。這些假設或數據通常是在缺乏信息或強烈依賴于分析者判斷的情況下得出的，可以通過用另外的假設或數據替換來進行敏感性分析，評價它們各自對結果的影響。始發事件敏感性分析、基本事件敏感性分析、人員失誤事件敏感性分析、可靠性參數敏感性分析等可通過設置敏感性因子計算得到相關頻率值及敏感度數據。

對于某些建模假設、數據不確定性等情況，可以開展相關敏感性分析專題，通過將部件失效、人員失誤事件、系統配置進行不同設置，分析對核電廠風險的影響。

2　PSA 提升核電廠設計階段經濟性的方法

在當前PSA分析中，通常會對重要度和敏感性分析結果中風險影響大（如FV、RIF、RDF等靠前）的系統給予更多地關注，通過對它們開展詳細分析來降低核電廠的風險，或者平衡設計，而風險影響很小的系統卻很少被關注。

從核電廠風險的角度來說，風險影響很小的系統并非主要矛盾，確實沒有必要花過多的資源進行分析。但這些系統卻可以是設計階段提升核電廠經濟性的重點研究對象，因為對它們的取消或者改進（通常是簡化）不會帶來對核電廠風險的明顯提升，卻可以提升電廠的經濟性，這將擴大PSA在設計階段的應用范圍。采用PSA提升核電廠設計階段經濟性的基本步驟考慮如下：

（1） 建立PSA模型。根據需求建立合適范圍的PSA模型。

（2） 形成初步的系統改進建議清單。基于PSA的重要度分析結果，篩選出RIF很小的系統，即，在不考慮該系統對事故緩解作用的情況下，導致的CDF增量很小。從而形成經濟性提升的初步系統改進建議清單。

（3） 形成最終的系統改進建議清單。在步驟2篩選出的初步清單的基礎上，評估該系統對核電廠正常發電不會產生影響。從而形成經濟性提升的最終系統改進建議清單。

（4） 多專業綜合評價。將步驟3得到的清單請總體設計、系統設計、設備設計等專業進行綜合評價。評價的內容至少包括：確認滿足法規、導則、規范、標準的相關要求；確認符合系統/設備設計的相關要求；評估類似核電廠相關系統/設備的經驗反饋情況；確定該清單中的系統存在改進空間，制定具體改進方案并開展PSA敏感性分析，綜合評估系統改進方案對核電廠安全性和經濟性的影響。形成綜合評價報告。

（5） 審評和實施。對步驟4形成的綜合評價報告開展必要的審評，在審評通過后付諸實施。

總體流程如圖1所示。

圖1　采用PSA提升核電廠設計階段經濟性的總體流程

3　RIF篩選標準探討

針對第2節所述步驟2中RIF很小的具體標準在公開文獻中尚未有明確定義。RG1.174[2]用CDF和LERF作為PSA風險接受準則的衡量基礎，并給出了一般性的風險接受準則，如圖2所示。

圖2　CDF的接受準則

CDF的風險接受準則的含義為：

（1）如果變更明確表明CDF將降低，則可認為該變更滿足有關CDF的風險指引管理原則。

（2）如果所計算的CDF增量很小，如小于10-6/堆年（區域Ⅲ），則無論總CDF為多大，都可考慮該變更。若分析表明CDF將遠大于10-4/堆年，這時應把重點放在找出降低CDF措施而不是增加CDF上。這種情形可根據諸如下面這些信息來確定：

（a）一定范圍的分析計算，如逐個電廠檢查（IPE）或逐個電廠外部事件檢查（IPEEE）已表明CDF明顯超過10-4/堆年；

（b）裕度分析表明有潛在的薄弱環節存在；

（c）該電廠的歷史經驗表明有潛在的安全問題。

（3）如果計算的CDF增量在10-6～10-5/堆年之間，只有合理地證明執行變更后的總CDF小于10-4/堆年（區域Ⅱ），才會考慮該申請。

（4）如果計算結果表明CDF增量大于10-5/堆年（區域Ⅰ），則該變更申請通常不予考慮。

從圖1可以看出，對于基準CDF為10-5/堆年的情況，區域Ⅲ對應的最大DCDF為10-6/堆年，即增幅為基準CDF的10%；RG1.174針對“風險增量很小”制定的接受準則為CDF和LERF的絕對變化值而不是相對變化值。

參考RG1.174對“風險增量很小”的定義，擬將RIF的截斷值定為1.01，即RIF≤1.01的系統納入初步系統改進建議清單。

4　實例分析

本節以國內某核電廠為例，分析在PSA模型具備的情況下，如何用PSA提升核電廠設計階段經濟性。

由于PSA分析軟件通常無法直接從重要度和敏感性分析結果中得到系統重要度，需手動將某個系統涉及的各故障樹頂事件均設置為TRUE，分別得到對應的新的堆芯損傷頻率，記為CDF1，再除以基準情況下的CDF0，得到系統級的風險增加因子。根據某核電廠的系統重要度計算結果，得到初步的改進建議清單中2個代表性系統及其RIF如表1所示。

表1　某核電廠設計階段經濟性提升的初步系統改進建議清單（示例）

根據第2節步驟3對表1中的2個系統開展進一步分析。主給水和啟動給水系統會直接影響核電廠的正常發電，因此不能取消或者簡化。廠內備用電源系統（ZOS）的運行對于保證核安全不是必需的，該系統也不需要執行和支持任何安全有關功能。在失去廠外電源（LOOP）事件時，ZOS通過經選定的電廠永久非安全有關負荷向縱深防御所需的非安全有關負荷提供電源。ZOS平時處于備用狀態，不會直接影響核電廠的正常發電，可以作為PSA篩選進入經濟性提升的最終系統改進建議清單。

在多專業綜合評價中，根據相關設計要求，直接取消廠內備用電源系統是不合適的。根據國內外部分壓水堆的經驗，可以考慮對ZOS中的柴油發電機容量作進一步優化分析，減少部分負荷。當前設計在LOOP后有43組非安全相關系統/設備會接入柴油發電機，通過總體設計、電氣設計、流體系統設計等專業制定了具體改進方案，經PSA敏感性分析，ZOS中的柴油發電機減容后對電廠CDF的影響小于1%，即在降低柴油發電機造價的同時對核電廠安全性產生的影響也很小，最后并提交審評，通過后在電廠設計中體現。

5　結論

本文基于對PSA重要度和敏感性分析結果的理解和分析，系統性地提出采用PSA提升核電廠設計階段經濟性的方法，并形成了較為完整的步驟，擴展了PSA的應用范圍，為后續開展類似的工作奠定基礎。

［1］ Review of Probabilistic Safety Assessments by Regulatory Bodies，Safety Series No.25［R］．IAEA，2002.

［2］ An Approach for Using Probabilistic Risk Assessment in Risk-Informed Decisions on Plant Specific Changes to the Licensing Basis，RG 1.174，Rev.2［R］．USNRC，2011.

Study of Nuclear Power Plant Economy Improvement during Design Phase Based on Importance Analysis of Probabilistic Safety Assessment

LIU Weili，JIA Longfei

（Shandong Nuclear Power Company LTD.，Yantai of Shandong Prov. 265100，China）

Probabilistic Safety Assessment（PSA）is a technique of risk quantification based on probability theory，and it is applied for assessing risk of plant，detecting weakness of design，and improving safety during the design phase of nuclear power plant. The methodology of improving economy during design phase of nuclear power plant（NPP）is discussed from the view of the results for PSA importance and sensitivity analysis in this paper.

Probabilistic safety assessment；Design phase；Economical efficiency

TL364+.5

A

0258-0918（2021）05-1004-04

2021-3-24

劉維理（1989—），男，北京人，工程師，現從事核電廠概率安全評價、電力市場營銷方面研究。