小型液態金屬反應堆事故余熱排出系統可靠性分析

摘" 要：小型液態金屬反應堆應用場景廣，可為偏遠地區提供能源供應。該文考慮了3種可用于小型液態金屬堆的事故余熱排出方案，三者均采用強迫循環，以形成空氣/水的循環導出堆芯余熱。通過利用RS軟件分別對3種方案進行建模，進行3種方案的可靠性分析，結果顯示方案一、二可靠性相近，而方案三失效概率約為方案二的1/3。3種方案的可靠性均主要受動力設備（水泵/風機）的影響，因此優化動力設備設計對提高事故余熱排出系統可靠性是有益的。

關鍵詞：小型液態金屬反應堆；可靠性分析；余熱排出；強迫循環；RS軟件

中圖分類號：TL425" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）11-0013-05

Abstract： Small liquid metal cooled reactors have a wide range of applications and can provide energy supply for remote areas. In this paper， three residual heat removal schemes suitable for liquid metal reactors are considered， all of which adopt forced circulation to generate air/water circulation to remove core residual heat. By using RS software to model the three schemes respectively， reliability analysis of the three schemes is carried out. Results show that the reliability of scheme 1 and 2 are similar， while the failing probability of scheme 3 is about 1/3 of that of scheme 2. The reliability of the three schemes are all mainly affected by the power equipment （water pump/fan）， so optimizing the power equipment design is beneficial to improving the reliability of the residual heat removal system.

Keywords： small liquid metal reactor; Reliability analysis; Residual heat removal; forced circulation; RS software

隨著能源行業的發展，核能在構建現代能源體系、保護生態環境和應對氣候變化等方面發揮著愈來愈重要的作用。當前，全世界400余座反應堆正為全球提供著超過10%的電力。值得注意的是，核電在總能源消耗中的占比在不同國家間有著極大的分布差異。平均來說，發達國家的核電占比要遠高于發展中國家。考慮到全球經濟發展趨勢，發展中國家顯然是未來能源需求增長的主要地區，這自然會為核能在發展中國家的部署創造重要機遇。

同時應看到，當前較為成熟的大型壓水堆核電站一來對海洋、河流等水體有較大依賴性，二來在建設、維護和運營等方面對基礎設施的要求較高，比如要求電網容量能夠承載核電站的發電量。因此，除了利用成熟的大型商用核電站為人口密集、能源需求密集的地區進行供電外，還應建設適合于人口分散分布、電網容量有限、水資源有限和工業基礎設施不發達的地區的能源供應系統。對于這一需求，小型液態金屬冷卻快堆因其控制簡單、安全性優越、維護要求低和壽命較長等特性而提供了良好的解決方案。

作為支撐小型液態金屬堆發展的重要一環，需要開展安全設計工作，使得小型液態金屬堆能夠可靠地執行其安全功能。事故余熱排出系統承擔了事故下排出堆芯余熱的重要安全功能，因此有必要對不同的余熱排出系統設計方案進行比較，從可靠性角度給出設計改進建議。

1" 小型液態金屬堆事故余熱排出方案

相關文獻指出，液態金屬反應堆主要存在3類余熱排出方式：基于反應堆容器（RV）、基于蒸汽發生器（SG）和基于獨立熱交換器（IHX）的余熱排出方式。由于基于SG和基于IHX的余熱排出方式原理類似，可靠性差異不大，因此本文主要對基于RV的余熱排出方式（方案一）、基于SG的余熱排出方式（方案二）進行分析。

此外，為了研究設備數量對可靠性的影響，本文在方案二的基礎上考慮了增加泵的數量，形成方案三以供對比分析。3種方案的概述見表1。

1.1" 余熱排出方案一

美國SSTAR反應堆、PRISM反應堆和日本PBWFR反應堆等諸多小型液態金屬快堆都采用了基于RV的余熱排出方案。本文基于此類方案的常見特點，總結出通用的方案一以供分析。對于方案一，事故余熱排出系統具體包括空冷容器、進出口風門、管道和風機等設備，如圖1所示。空冷容器位于堆容器外，與堆容器構建環形空氣流道；入口風門、出口風門分別控制入、出口風道的開閉；風機為空氣循環提供動力。由于空冷容器、管道的失效概率極低，因此下文中對其失效不作考慮。

事故停堆之后，在主熱傳輸系統無法排余熱的情況下，控制系統將啟動風機，開啟入口、出口風門，形成空氣強迫循環，直接冷卻堆容器外壁，進而導出堆芯余熱。在事故余熱排出系統正常的情況下，所有入口、出口風門均正常打開，2臺風機均正常啟動且正常運行，可以以較大的冗余穩健地排出余熱。由于事故余熱排出系統的冗余配置，系統內部部分設備故障可能不會使系統失效。具體來說，熱工分析得出余熱排出成功準則為：至少1臺風機正常啟動、運行，外加此臺風機對應的入口風門正常開啟、至少1個出口風門正常開啟。

1.2" 余熱排出方案二

基于SG的余熱排出方式也得到了廣泛應用，歐洲ALFRED反應堆、EFIT反應堆等都采用基于SG的余熱排出方案。本文對該類方案進行總結，形成通用的方案二，其事故余熱排出系統的示意圖如圖2所示（出于簡潔考慮，圖中僅示出1列設備）。4臺SG布置在小型液態金屬堆的冷卻劑池中，正常情況下充當一、二回路的熱交換設備，事故工況下則充當一回路與輔助給水系統之間的熱交換設備。輔助給水系統包括2列閉式環路，每一列除了2臺SG外，還包括1臺輔助給水泵、1個冷凝器、1個冷凝水箱、多個電動閥和氣/液動閥等設備及相應管道，在冷凝器外部設置有1個容納大量水的冷卻水箱。

事故停堆之后，如果主熱傳輸系統已不能排熱，則主蒸汽管線和主給水管線上的電動閥和氣/液動閥將關閉以隔離這些管線，而后輔助蒸汽管線和輔助給水管線上的電動閥和氣動閥將被打開，以接通輔助給水回路，同時將啟動輔助給水泵。從SG產生的蒸汽經由冷凝器冷卻而液化，進入冷凝水箱中，而后被水泵泵送回SG，形成水的循環，在此過程中冷卻水箱中的大量水不斷蒸發吸熱，確保任務時間內反應堆系統的安全。通過熱工水力計算得出，方案二下的事故余熱排出系統的成功準則為：至少1列正確執行其功能，即至少1列正確隔離二回路并接入輔助給水回路、輔助給水泵正常啟動和運行，并且該列各設備無堵塞、泄漏等失效。

1.3" 余熱排出方案三

由于泵對余熱排出系統可靠性影響較大，本文設置方案三以進行對比分析，方案三在方案二的基礎上將每列的1臺輔助給水泵拆分為2臺并聯水泵，并保證總流量不變，而其他設備配置及系統工作原理不變，在此不再敘述。方案三的1列設備的示意圖如圖3所示。

通過熱工水力計算得出，方案三下的事故余熱排出系統的成功準則為：至少1列正確執行其功能，或者2列各有1臺輔助給水泵失效，而其余設備無故障。

2" 可靠性建模

在分析事故余熱排出系統可靠性時，按照分析慣例取任務時間為24 h。

本文中的可靠性建模及后續分析采用Risk Spectrum（簡稱RS）程序。該軟件是當今國際上PSA及可靠性分析同行公認的分析工具，得到了廣泛的使用。

2.1" 方案一可靠性建模

采用方案一時，根據1.1節中的成功準則，得到方案一的主故障樹模型如圖4所示。

在建立可靠性模型時，應當考慮共因失效事件。例如，由于各個風門、各個風機之間的結構和功能上的相似性，以及其動作的時間較為統一，存在由于某些耦合機理而導致多個設備同時失效的可能性。應該建立共因故障樹，以對其共因失效情況進行量化。模型中考慮的共因事件包括風機共因運行失效、風機共因啟動失效、出口風門共因無法打開、出口風門共因誤關閉、入口風門共因無法打開和入口風門共因誤關閉。

2.2" 方案二可靠性建模

采用方案二時，根據1.2節中的成功準則，得到方案二的主故障樹模型如圖5所示。

類似于方案一，在建立方案二的可靠性模型時也存在共因失效的問題，建模時考慮的共因失效包括氣/液動閥共因無法打開、電動閥共因無法打開、冷凝器共因堵塞、冷凝器共因泄漏、輔助給水泵共因無法啟動、輔助給水泵共因運行失效、輔助給水泵共因運行泄漏、冷卻水箱共因泄漏和冷凝水箱共因泄漏。

2.3" 方案三可靠性建模

采用方案三時，根據1.3節中的成功準則，得到方案三的主故障樹模型如圖6所示。

方案三的共因事件類別與方案二相同，區別在于輔助給水泵相關共因組由二階變為了四階共因組。

3" 定量分析

在進行定量分析時，本文采用的設備失效數據來自于NUREG/CR-6928數據庫，共因失效數據來自于NUREG/CR-5497數據庫。

3.1" 方案一定量分析

通過RS軟件進行邏輯分析及定量計算，得到方案一下的事故余熱排出系統失效概率點估計值為7.79×10-5，5%分位數為5.22×10-5，95%分位數為1.07×10-4。分析還得出了事故余熱排出系統失效的前5個最小割集，見表2。

通過割集的分析結果及基本事件重要度分析，可以得出方案一下的事故余熱排出系統的可靠性主要與風機失效有關。

3.2" 方案二定量分析

經計算得到方案二下的事故余熱排出系統失效概率點估計值為8.70×10-5，5%分位數為3.29×10-5，95%分位數為1.59×10-4。分析還得出了導致方案二下的事故余熱排出系統失效的前5個最小割集，見表3。

通過割集的分析結果及基本事件重要度分析，可以得出方案二下的事故余熱排出系統的可靠性主要與循環水泵失效有關。

3.3" 方案三定量分析

經計算得到方案三下的事故余熱排出系統失效概率點估計值為2.88×10-5，5%分位數為1.34×10-5，95%分位數為5.02×10-5。分析還得出了導致方案二下的事故余熱排出系統失效的前5個最小割集，見表4。

通過割集的分析結果及基本事件重要度分析，可以得出方案三下的事故余熱排出系統的可靠性同樣主要受循環水泵失效的影響。

3.4" 對比分析

總體來看，方案一、二、三的失效概率均在10-5量級，且其失效主要貢獻項均為動力設備（水泵、風機）的失效，因此改進動力設備設計以提高其可靠性，或設置備用設備對提高當前3種方案的可靠性是有益的。

對比方案一與方案二，兩者均采用2列的配置，且每列均配置1臺動力設備，故其可靠性較為相近。在配置上，方案一需要在堆容器外額外布置一層空冷容器，以形成環形風道，而方案二需要額外增加輔助給水環路，其上除了輔助給水泵與閥門外，還需有冷凝器和多個水箱，因而整體上方案二相比于方案一在設備類別上更為復雜，這在可靠性分析結果上體現為其最小割集數量比方案一高2個數量級。此外，方案二為了實現排余熱的功能，必須要對二回路主冷卻系統管道進行隔離。為此，方案二在主給水管線和主蒸汽管線上分別配置了2個串聯的常開閥（電動閥+氣/液動閥），在反應堆正常運行時，每一列設備上的這4個閥在失效上呈現邏輯“或”的關系，即只要1個閥門誤關閉或泄漏，將會導致二回路1列熱傳輸回路失效，從而導致反應堆停堆。相比之下，在反應堆正常運行時，方案一風門失效上整體呈現邏輯“與”的關系，即必須有入口風門和出口風門同時開啟，才會因空氣對流散熱而對反應堆運行造成較大影響，僅1個風門誤開對反應堆造成的影響十分微小。因此，方案二相比于方案一對反應堆正常運行可靠性影響更大。

對比方案二和方案三，兩者均通過與SG相連的輔助給水系統來排出余熱，方案二的2列輔助給水回路各設置1臺水泵，方案三則在方案二的基礎上將每臺水泵拆分為2臺并聯水泵，并保持總給水流量不變。從可靠性結果上看，方案三的失效概率約為方案二的1/3，大幅提高了事故余熱排出系統的可靠性。其原因在于，就水泵這一薄弱環節而言，方案二在2臺水泵失效的情況下即會失效，而方案三則在3臺水泵失效時才失效，從而使得失效概率更低。方案三通過拆分水泵，在總成本相近的情況下，大幅提高了事故余熱排出系統可靠性，相比于方案二是更為優越的。

4" 結論

本文考慮了可用于小型液態金屬堆的3種事故余熱排出系統方案，并對其可靠性進行了分析，得出了以下結論：

1）方案一失效概率為7.79×10-5，方案二失效概率為8.70×10-5，方案三失效概率為2.88×10-5。

2）3種方案的失效主要貢獻項均為動力設備（水泵/風機）失效。

3）方案二與方案一可靠性相近，但對反應堆正常運行可靠性影響更大。

4）方案三相比于方案二在其他條件基本不變的情況下可靠性大幅提升，因而更為優越。

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