单一初始事件中核安全元理论的初步研究

曲莎 张磊

中国中原对外工程有限公司 北京 100044

1 介绍

一些结合概率和确定性方法的混合方法已经应用于NPP的可靠性、安全设计领域，但模型的不确定和伴随的过度保守主义使核设施的成本相应提高。因此需要通过概率设计和优化方法重新评估其安全水平从而优化设计。本文概述了核安全元理论框架，引出了一种分析NPP安全性的系统方法。在单一的初始事件中，事故序列可以通过经典的PSA分析和DSA范围内的设计评估来确定。由初始事件引起的故障模式时，各种系统或子系统响应，从而根据相关操作（正常操作）描述产生的所有四种类型的“容量”和“负载”，包括概率容量确定性负载、确定性容量确定性负载、概率容量概率负载和确定性容量概率负载。

2 核安全理论的混合类型

通过深度防御和单一失效标准的确定性安全原则确保核安全。对于任何特定的安全子系统，有必要确定与容量和负载相对应的适当数量。这项工作的主要目的是观察容量和负载可以是独立的确定性或概率变量。选择一组有可能启动事故情景的启动事件开始，例如，“失去冷却剂事故（LOCA）”的内部启动事件通常是指涉及各种尺寸的冷却剂通道断裂的事件。这导致来自冷却剂通道的初级热传输水的损失，这随后导致反应器跳闸。

3 经典的大LOCA

大LOCA是核安全领域非常重要的事故，其事故序列和时间过长也得到了广泛的研究，因此选择它作为单一初始事件，从而逐一分析出各种响应引起的各种“容量”和“负载”。当发生大破口LOCA事件时，首先要关闭反应器，以便控制堆内反应性。然后，作为事故序列的后续工作，主要安全系统，安全子系统和ESF投入运行，包括高压喷射系统，安全壳喷淋系统，低水头安全注入系统，核心喷雾再循环系统等。在识别事故情景的过程中，通过使用故障树来模拟NPP对发起事件发生的可能响应[1]。

4 过程分析

4.1 概率容量确定性负载情况

第一个和主要参数是堆内反应性值，其上限是一定值（可视为确定性负载），但其反应性的变化是随机过程（视为概率容量），取决于冷却剂的总损失量，则反应性控制过程总是“概率容量确定性负载”的情况。负载取决于设计者的要求，容量（即波动率）取决于关闭操作程序之后改变的功率。通过采用以下方法从已知的统计分布获得一些不确定性。不确定性量化以估计这些计算量的不确定性。

4.2 确定性容量确定性负载情况

当高压注射系统开始工作时，安全注射罐容积直接由堆内冷却剂的冷却能力决定。然而，冷却状态取决于堆内核心的热量产生，因此在这种情况下它被视为确定性能力，这可以在系统所需的功能下反映出来。同时，罐体积的设计值是固定的，可以看作是“确定性载荷”。因此，该阶段是“确定性容量确定性负载”过程。

在LOCA事件的这个阶段，感兴趣的安全子系统是高压安全注射系统。目的是为传统PSA建模，重点关注这个特定的启动事件和安全子系统。在这种情况下，容量是指用于冷却堆内冷却剂的注入水量。这几乎是一个确定性变量，它被确定为具有假定值的流量和压力的一些可计算函数。

4.3 概率容量概率负载情况

然后，当事故序列开始进入遏制喷雾期时，考虑到堆内热量水平，遏制容器中的水量和供水管道的任何其他用途都是不确定的。此时，安全注射水箱的容积处于随机过程的一定状态。它属于在当前情况下从该罐的概率储水量开始并且在另一个概率体积相应的冷却水再注入体积结束的区域。我们将此阶段视为“概率容量概率负载”阶段。

4.4 确定性容量概率负载情况

最后，如果所有冷却能力仍不足以建立回收过程，核心将会融化。在这种情况下，压力容器中的温度上升是燃料棒在堆内熔化的唯一原因。可以通过仿真和建模来计算升温速率和最终温度。一旦达到燃料棒的熔化温度，将确定核心损坏情况。第一熔体棒的原始熔化温度和棒的最大熔点可以通过物理量值和其计算来确定。然而，熔化程度取决于不同的凉爽阶段；我们在这里将其视为一种概率。因此，这种情况揭示了“确定性容量概率负载”的过程；分析程序转为严重事故阶段[2]。

5 安全措施

分析了单一初始事件大破口LOCA事故不同“容量-负载”的所有四种类型变化，从而可以描述整个事故序列的容量-负载的变化过程，借助确定性和概率分析方法或多或少可以精确描述每一个容量和负载，从而为理论的物理建模提供依据。根据元理论假设，在进行容量和负荷分析时，需要混合四种“确定性与概率性”“容量-负荷”进行核安全理论分析。此外，当给定的启动事件已知容量或负载的分布时，其失效概率可通过特殊的双积分计算。特别地，当容量或负载中的任一个或两者具有可合理地推测已知的分布的概率时，可以将容量的预期值超过负载的相对量作为安全系数。即使在这种情况下，通常认为安全系数超过实现成功标准所需的零值是合乎需要的，从而考虑安全子系统的安全性。

然而，重要的是要注意，在一个单一的启动事件中，它具有识别这四种类型的逻辑谜题。由于计算不确定性，难以确定能够反映特定容量或负载的物理量。在当前框架中，安全裕度的概念仅限于将“负载”表征为已知数量，其余量由该负载到定义的安全限制给出。

6 结语

传统上一般通过将安全系数或边界应用于计算的最大载荷来引入核安全方法。本文以单一初始事件为例，引入了核安全元理论，初步介绍了一种更加统一的安全分析视图，并以大LOCA事故为例分析了核安全员理论在单一初始事件下的可行性。同时，由于在单一初始事件中开发这四种类型仍然存在逻辑难题，，难以确定能够反映特定容量或负载的物理量，因此建议在目前阶段可在罕见事件和有限数据时，将专家意见综合进来，可以使用模糊概率标识专家意见，从而时核安全元理论在实际工程事件中更具有适用性。