风险指引方法在M310堆型核电厂设计改进中的应用研究

闫 林,邓 伟,李 亮

(1.中国核电工程有限公司，北京 100840；2.生态环境部核与辐射安全中心，北京 102400)

安全是核电的生命线，是核电厂实现经济价值的基础与前提。自1979年美国三哩岛核事故和1986年乌克兰切尔诺贝利核事故以来，2011年发生的第三起引起世人广泛关注的核电厂严重事故——日本福岛核事故再一次表明：尽管核电厂发生严重事故的概率极低，但事故一旦发生，就可能导致大量放射性释放，危害到人员、社会和环境，其后果十分严重，必须高度重视核电厂安全性的研究。

国家监管当局也在不断提高对核电厂设计的安全监管要求。《核安全与放射性污染防治“十二五”规划及2020年远景目标》中也规定了新建核电机组的概率安全目标：“每堆年发生严重堆芯损坏事件的概率低于十万分之一。”2016年国家核安全局颁布了《核动力厂设计安全规定(HAF102)》，其中要求“必须对核动力厂设计进行安全分析，在分析中必须采用确定论和概率论分析方法”。

目前国内大多数压水堆核电厂都是M310堆型。经过多年的设计和运行实践证明：M310堆型核电厂设计和发电成本低，经济性好，但其设计中存在一些安全上的薄弱环节，例如低压安注泵。在安注系统的设计中，高压安注泵需要低压安注泵增压后才能执行向一回路补水的功能。该设计增加了安注系统(RIS)内的设备相关性，是安注系统可靠性的薄弱环节。M310堆型核电厂每堆年发生严重堆芯损坏事件的概率通常高于十万分之一，而且系统设计是导致核电站风险的主要原因，因此有必要对其设计进行改进，以提高安全性，从而提升M310堆型核电厂在核电市场上的竞争力。

风险指引方法是以概率论为基础的风险量化评价方法，经过多年的发展和完善，已经成为人们认识风险，评价风险，并且帮助管理风险、降低风险的重要工具。风险指引方法通过概率安全分析(PSA)构建核电厂的整体风险模型，并对可能发生的事故情景和后果及其频率进行统一的综合性的定量评价。它提供了对核电厂风险水平以及造成这些风险的因素的深入了解，它注重分析事件(始发事件、系统故障、堆芯损坏等)的来源、原因，从而揭示出核电厂设计、运行中的薄弱环节(包括硬件和软件如规程)，给出一系列有价值的风险见解并指明降低风险、提高安全性的有效途径。

本文以M310堆型核电厂的一个薄弱环节为例，说明风险指引方法在M310堆型核电厂设计改进中的应用过程和作用。

1 风险指引方法

风险指引方法的主要分析流程如图1所示，共分为五个步骤。

图1 风险指引方法主要分析流程图Fig.1 Main process diagram ofRisk-Informed approach

(1)参考典型的三环路M310堆型核电厂建立一个基准PSA模型。

(2)根据定量化结果中堆芯损坏频率(CDF)贡献较高的最小割集和重要度较高的基本事件进行综合分析并归类，识别出对风险重要的系统或设备，即为核电厂的薄弱环节。

(3)针对薄弱环节，结合工程判断、运行经验反馈、先进堆型的系统设计方案以及M310堆型核电厂的现有系统设计等，拟定改进方案。

(4)在基准模型的基础上增加改进方案的模化，得到评价改进方案的PSA模型，经定量化计算后得到改进方案对风险的影响，以验证对提高核电厂安全性的有效性。如果上一步骤拟定了多个改进方案，可以综合确定论有效性评价、工程评价、利益代价分析等多方面因素评价设计方案的优劣。最后根据评价结果，确定改进方案是否实施。

(5)整理过程文件和结果，编制报告。

2 改进方案

目前已识别出的M310堆型核电厂的风险重要设备中，低压安注系统排在前列。表1列出了排在前5位的风险重要系统/设备及功能分析。选取这些系统或设备作为薄弱环节进行设计改进，可以有效降低核电厂的风险。表1中列出的前三项主要代表了M310核电厂在主泵轴封设计和电源依赖性方面的薄弱项，目前国内先进反应堆已采用设备改进、增加冗余的非能动系统等改进方案，降低了这些系统/设备对核电站风险的贡献。本文选取低压安注系统开展改进分析工作，说明风险指引方法在设计改进中的应用过程和作用。

表1 风险重要的系统或设备及功能分析

在现有M310堆型核电厂的设计中，H4管线可以连接安喷系统和安注系统，以实现在LOCA事故发生约两周后以及更长时间里两个系统的互为备用。如果H4管线可以在事故早期投入使用的话，可以为低压安注系统所执行的一回路补水功能提供一个冗余手段，从而降低低压安注系统对核电站风险的贡献。因此，可以考虑在H4管线原设计方案基础上进行改进，使H4管线能够在事故早期投入使用。

2.1 原方案

H4管线是安注系统和安喷系统(EAS)的连接管线，(以A列为例，详见图2)。原设计中H4管线上设置的为手动阀，在规程实施中，考虑到可能存在的受照射风险，要求至少两周后才允许人员到现场进行阀门的操作。由于接入时间过长，H4管线无法在事故早期起到缓解作用。因此，在对现有M310堆型设计的风险评价时无法考虑H4管线的作用。

图2 原H4管线连接方案Fig.2 Original scheme of H4 pipeline

2.2 方案改进

2.2.1 硬件改进

基于上述分析结论，为了使H4管线在事故早期投入使用，针对每个系列，具体的改进方案如下(以A列为例，详见图3)：

图3 改进后的H4连接方案Fig.3 Improved scheme of H4 pipeline

(1)取消原H4管线和EAS泵的旁路管线；

(2)新增两条H4管线，一条连接LHSI泵出口与EAS泵出口(EAS换热器上游，H4.1)；另一条连接EAS换热器下游与LHSI注入管线(位于HHSI连接点的上游，H4.2)；

(3)每条新增H4连接管线上设置两台能在主控室控制的电动隔离阀，和一个限流孔板。

(4)新增一条EAS泵和换热器的旁路管线，其上设置一台电动隔离阀，一台止回阀和一个限流孔板。

(5)将原LHSI泵出口母管上的手动隔离阀(RIS059VP、060VP)改为电动阀，可在主控室操作。

2.2.2 软件改进

根据基准PSA模型的事件序列分析及定量化分析结果，可以识别出需要使用H4管线的风险重要的事故序列情景，经整理后可得H4管线不同运行模式，并由此修改相应规程和提出设备性能需求。H4管线改进方案的运行模式(功率运行工况部分)如表2所示。

表2 H4管线改进方案的运行模式(功率运行工况)

3 方案分析结果

根据H4管线改进方案，在基准PSA模型上修改事件树和故障树模型，考虑安喷系统和安注系统通过H4管线实现互为备用的运行模式，计算CDF指标的变化情况，得到结果为33.54%，即：采用该方案后M310堆型核电厂的CDF降低33.54%。H4管线各运行模式对CDF的影响如表3所示。

表3 H4管线改进后各运行模式对CDF的影响

另外，该方案对原设计改动较小，新增成本较低，因此，综合确定论有效性评价、工程评价、利益代价分析等多方面因素，该方案具有可实施性。目前该设计方案已经在工程项目上实施。

4 结论

从风险指引方法在M310堆型核电厂设计改进中的应用过程可以看到，该方法可以识别设计中的薄弱环节，为提出改进方案指导方向；可以识别风险重要的情景，为软硬件的改进提供设计输入；可以对改进方案进行评价，判定方案是否可实施。

综上，为了提高安全性、提升在核电市场的竞争力，M310堆型核电厂可以采用风险指引方法为设计改进、优化提供支持。