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新型核动力装置始发事件选取方法及实例介绍

吴园园

国防科工局核技术支持中心,北京,100080

摘要: 核动力装置始发事件是影响安全的重要因素,新型核动力装置的系统和设备往往不同于常规核电厂,始发事件选取缺乏成熟的工程经验,本文对始发事件的PSA选取方法进行了说明,并以美国MHTGR高温气冷堆始发事件选取为例,对选取方法进行介绍。
关键词: 始发事件分级;PSA分级方法;主逻辑法
DOI:10.12721/ccn.2021.157012
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1.概述

始发事件定义为在设计时确定的能导致预计运行事件或事故工况的事件,主要分为内部事件和外部事件,前者主要是指由于设备故障、人员差错等内部原因引起的扰动,后者是指若干个系统造成共同的极端环境条件的事件,包括地震、洪水、大风和飞机坠落。PSA和确定性安全评价(DSA)均可用于始发事件的选取。

新型核动力装置始发事件的选取并没有固定统一的方法,且始发事件的分类也是根据各反应堆自身特点而定,缺乏工程经验,因此对于此类堆型,PSA的方法常被用于始发事件的选取。

2.始发事件选取方法

目前始发事件的确定并没有一种固定的方式, 一般是多种方法的结合,而目前常规的方法主要有:

Ÿ 工程评价法:对以前进行的PSA资料、反映运行历史的文件资料以及本反应堆的设计资料等进行评价,通过工程判断编制出始发事件消单。

Ÿ 逻辑分类法:主要包括主逻辑法(Master Logic Diagram, MLD)、能量平衡法、屏障分析法等。主逻辑图法应用相对广泛,它采用演绎分析的方法,以堆芯损坏(或其他合适的结果)作为一个方框图的顶事件,从顶事件开始逐步分解成不同类别的可能导致堆芯损坏发生的事件,从最底层的各事件选出始发事件。

Ÿ 参考其他反应堆经验:参考同类反应堆或其他反应堆的经验,即最终安全分析报告、PSA 分析报告等其他报告,从中分析筛选出恰当的始发事件。

Ÿ 失效模式与效应分析法( Failure Mode and Effects Analysis, FMEA):分析系统中每一部件所有可能的故障模式及其对系统造成的所有可能影响,并按故障模式的严重程度、检测难易程度及发生频度予以分类的一种归纳分析方法。

常规的 PSA始发事件确定方法有:1)工程评价;2)参考以往电站的清单;3)演绎分析法:主逻辑图(Master Logic Diagram, MLD)分析方法;4)建成电站运行经验分析;5)其他方法,如故障模式和影响分析(Failure Mode and Effect Analysis, FMEA)。

新型堆的早期研究常采用工程评价及演绎分析,并参考成熟的反应堆PSA分析报告、规范和导则确定始发事件的初步清单。MLD以事件起因的性质和常规的核电站(反应堆)事件类别为出发点,利用因果逻辑追溯方法逐层推理和罗列事件,直到获得按类别分组的底层事件作为反应堆的始发事件清单的一种方法。MLD是一个分层的、自上而下的树状图,是对目标事件发生的必要条件的一种分级描述。MLD类似于因果故障树,首先确定目标事件(后果状态),然后应用逻辑门和演绎推理方法逐层确定导致目标事件的所有始发事件。它是一个推导始发事件与目标事件之间定性关系的逻辑工具。

3.美国MHTGR高温气冷堆始发事件

图1显示了MHTGR始发事件选取时所用的主逻辑图(MLD)方法流程。首先确定放射性源项,防止裂变产物释放的屏障,保护每层屏障的安全功能,以及电厂初始运行状态。

在MHTGR中考虑如下放射性释放物质来源:

1)主回路系统HPB内源项

 堆内燃料元件

Ÿ 完整的包覆颗粒

Ÿ 失效或有缺陷的包覆颗粒

Ÿ 包覆微粒外沾污铀

Ÿ 侵入或附着于石墨部件的源项

Ÿ HPB表面源项

Ÿ 冷却剂中源项

2)HBP外源项

Ÿ 贮存系统中燃料元件

Ÿ 氦气净化系统(HPS)气体

Ÿ 固体和液体放废系统

图片2.png 

图 1 MHTGR始发事件选取主逻辑图(MLD)方法流程

表1总结了对上述各种源项的主要屏障。一旦定义好源项、屏障和安全功能,MLD方法按步骤定义每个SSC的失效模式及其对屏障和安全功能的挑战,确定内部和外部灾害的挑战,进而确定始发事件。上述流程分为两个分支:一是针对每层屏障及其挑战,二是针对支持这些屏障提供安全功能的SSCs。前者可视为对屏障完整性的直接挑战,后者为间接挑战。

表 1 MHTGR源项及其屏障

放射性物质来源

放射性核素迁移的屏障

堆内燃料元件

燃料颗粒核心,碳化硅层和热解碳层,燃料基体和石墨,HPB(主回路),反应堆厂房

堆外燃料元件

燃料颗粒核心,碳化硅层和热解碳层,燃料基体和石墨,燃料装卸和贮存系统,反应堆厂房

HPB内部非堆内源项

HPB,反应堆厂房

电厂内其他源项

各种罐,管道系统和容器,反应堆厂房或辅助厂房废物管理设备

对电厂中的所有SSC进行初筛,包括对放射性核素迁移屏障支持安全功能中没有起到直接或间接的作用的SSC,以及其故障不会影响其他SSC的安全功能或导致IE的SSC均被筛除。对所有保留的SSC和放射性核素迁移屏障进行故障模式和影响分析,以识别潜在的内部IE。对电厂内部和外部危害(包括位同厂址其他设施的危害)进行分析,以涵盖对电厂安全功能的其余挑战。这些过程确保了考虑到MHTGR设计相关的事件。从核电厂运行经验的回顾以及以前的安全和风险分析中得出的见解可用于确保事件详细清单的完整性。在MHTGR设施的设计和许可中,对IE的系统选择对于概率论和确定论安全分析方法均是必需的。

经过系统分析和筛选,MHTGR的始发事件为以下7类:

Ÿ HPB故障,从小的泄漏到安全阀竖管破裂

Ÿ 丧失主回路冷却的瞬变

Ÿ 地震事件

Ÿ 丧失厂外电及引发的汽轮机跳闸

Ÿ 未紧急停堆的预期瞬态

Ÿ 控制棒意外抽出

Ÿ 蒸汽发生器泄漏

4. 总结

新型核能系统的始发事件选取一直是核安全关注的重点问题,始发事件清单的选取方法常采用工程评价及主逻辑分析,本文以美国MHTGR高温气冷堆始发事件为例,给出了主逻辑法的应用,为后续实践给出参考。