劉維理，賈龍飛

基于概率安全評(píng)價(jià)重要度分析的提升核電廠(chǎng)設(shè)計(jì)階段經(jīng)濟(jì)性研究

劉維理，賈龍飛

（山東核電有限公司，山東 煙臺(tái) 265100）

概率安全評(píng)價(jià)（PSA）是以概率論為基礎(chǔ)的風(fēng)險(xiǎn)量化評(píng)價(jià)技術(shù)，在核電廠(chǎng)設(shè)計(jì)階段，當(dāng)前通常用于評(píng)價(jià)核電廠(chǎng)的風(fēng)險(xiǎn)、發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)上的薄弱環(huán)節(jié)、提升電廠(chǎng)安全性。本文從PSA重要度和敏感性分析結(jié)果的角度，探討在核電廠(chǎng)設(shè)計(jì)階段采用PSA提升經(jīng)濟(jì)性的方法。

概率安全評(píng)價(jià)；設(shè)計(jì)階段；經(jīng)濟(jì)性

概率安全評(píng)價(jià)（PSA）是一種以概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)，采用演繹與歸納相結(jié)合的邏輯推理方法來(lái)定量評(píng)估核電廠(chǎng)堆芯損傷和放射性大量釋放等嚴(yán)重事故發(fā)生頻率的技術(shù)。它在發(fā)現(xiàn)核電廠(chǎng)設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)，比較不同設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出有效改進(jìn)方法降低核電廠(chǎng)嚴(yán)重事故風(fēng)險(xiǎn)等方面起著非常積極的作用。

安全性是核電發(fā)展基礎(chǔ)，自WASH-1400以來(lái)，PSA作為一種技術(shù)工具在核電廠(chǎng)設(shè)計(jì)階段論證和提升安全性的應(yīng)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(jīng)濟(jì)性提升也是業(yè)界非常關(guān)注的問(wèn)題。本文通過(guò)對(duì)PSA的重要度和敏感性分析結(jié)果開(kāi)展研究，討論基于PSA在核電設(shè)計(jì)階段提升經(jīng)濟(jì)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(chǎng)中各個(gè)系統(tǒng)、部件、始發(fā)事件及人員失誤事件等在PSA模型中的地位不同，及其發(fā)生概率（或頻率）不同，因此它們對(duì)電廠(chǎng)堆芯損傷頻率的貢獻(xiàn)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(tǒng)不可用度中各貢獻(xiàn)因素的重要性。重要度分析對(duì)PSA重要度分析和敏感性分析是相關(guān)的。用于PSA評(píng)價(jià)的計(jì)算機(jī)程序通常能夠?yàn)槊總€(gè)基本事件自動(dòng)計(jì)算不同類(lèi)別的重要度。典型的有Fussell-Vesely（FV）重要度因子、風(fēng)險(xiǎn)增加因子（RIF）、風(fēng)險(xiǎn)減少因子（RDF）和相對(duì)貢獻(xiàn)（FC）[1]。這四種重要度的定義如下。

基本事件的FV：

風(fēng)險(xiǎn)增加因子RIF：

風(fēng)險(xiǎn)減少因子RDF：

相對(duì)貢獻(xiàn)FC：

1.2　敏感性分析

PSA中敏感性分析的目的是討論對(duì)結(jié)果有潛在重大影響的問(wèn)題，如建模假設(shè)和數(shù)據(jù)等。這些假設(shè)或數(shù)據(jù)通常是在缺乏信息或強(qiáng)烈依賴(lài)于分析者判斷的情況下得出的，可以通過(guò)用另外的假設(shè)或數(shù)據(jù)替換來(lái)進(jìn)行敏感性分析，評(píng)價(jià)它們各自對(duì)結(jié)果的影響。始發(fā)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(shù)敏感性分析等可通過(guò)設(shè)置敏感性因子計(jì)算得到相關(guān)頻率值及敏感度數(shù)據(jù)。

對(duì)于某些建模假設(shè)、數(shù)據(jù)不確定性等情況，可以開(kāi)展相關(guān)敏感性分析專(zhuān)題，通過(guò)將部件失效、人員失誤事件、系統(tǒng)配置進(jìn)行不同設(shè)置，分析對(duì)核電廠(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)的影響。

2　PSA 提升核電廠(chǎng)設(shè)計(jì)階段經(jīng)濟(jì)性的方法

在當(dāng)前PSA分析中，通常會(huì)對(duì)重要度和敏感性分析結(jié)果中風(fēng)險(xiǎn)影響大（如FV、RIF、RDF等靠前）的系統(tǒng)給予更多地關(guān)注，通過(guò)對(duì)它們開(kāi)展詳細(xì)分析來(lái)降低核電廠(chǎng)的風(fēng)險(xiǎn)，或者平衡設(shè)計(jì)，而風(fēng)險(xiǎn)影響很小的系統(tǒng)卻很少被關(guān)注。

從核電廠(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)的角度來(lái)說(shuō)，風(fēng)險(xiǎn)影響很小的系統(tǒng)并非主要矛盾，確實(shí)沒(méi)有必要花過(guò)多的資源進(jìn)行分析。但這些系統(tǒng)卻可以是設(shè)計(jì)階段提升核電廠(chǎng)經(jīng)濟(jì)性的重點(diǎn)研究對(duì)象，因?yàn)閷?duì)它們的取消或者改進(jìn)（通常是簡(jiǎn)化）不會(huì)帶來(lái)對(duì)核電廠(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)的明顯提升，卻可以提升電廠(chǎng)的經(jīng)濟(jì)性，這將擴(kuò)大PSA在設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用范圍。采用PSA提升核電廠(chǎng)設(shè)計(jì)階段經(jīng)濟(jì)性的基本步驟考慮如下：

（1） 建立PSA模型。根據(jù)需求建立合適范圍的PSA模型。

（2） 形成初步的系統(tǒng)改進(jìn)建議清單?；赑SA的重要度分析結(jié)果，篩選出RIF很小的系統(tǒng)，即，在不考慮該系統(tǒng)對(duì)事故緩解作用的情況下，導(dǎo)致的CDF增量很小。從而形成經(jīng)濟(jì)性提升的初步系統(tǒng)改進(jìn)建議清單。

（3） 形成最終的系統(tǒng)改進(jìn)建議清單。在步驟2篩選出的初步清單的基礎(chǔ)上，評(píng)估該系統(tǒng)對(duì)核電廠(chǎng)正常發(fā)電不會(huì)產(chǎn)生影響。從而形成經(jīng)濟(jì)性提升的最終系統(tǒng)改進(jìn)建議清單。

（4） 多專(zhuān)業(yè)綜合評(píng)價(jià)。將步驟3得到的清單請(qǐng)總體設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)備設(shè)計(jì)等專(zhuān)業(yè)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)的內(nèi)容至少包括：確認(rèn)滿(mǎn)足法規(guī)、導(dǎo)則、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求；確認(rèn)符合系統(tǒng)/設(shè)備設(shè)計(jì)的相關(guān)要求；評(píng)估類(lèi)似核電廠(chǎng)相關(guān)系統(tǒng)/設(shè)備的經(jīng)驗(yàn)反饋情況；確定該清單中的系統(tǒng)存在改進(jìn)空間，制定具體改進(jìn)方案并開(kāi)展PSA敏感性分析，綜合評(píng)估系統(tǒng)改進(jìn)方案對(duì)核電廠(chǎng)安全性和經(jīng)濟(jì)性的影響。形成綜合評(píng)價(jià)報(bào)告。

（5） 審評(píng)和實(shí)施。對(duì)步驟4形成的綜合評(píng)價(jià)報(bào)告開(kāi)展必要的審評(píng)，在審評(píng)通過(guò)后付諸實(shí)施。

總體流程如圖1所示。

圖1　采用PSA提升核電廠(chǎng)設(shè)計(jì)階段經(jīng)濟(jì)性的總體流程

3　RIF篩選標(biāo)準(zhǔn)探討

針對(duì)第2節(jié)所述步驟2中RIF很小的具體標(biāo)準(zhǔn)在公開(kāi)文獻(xiàn)中尚未有明確定義。RG1.174[2]用CDF和LERF作為PSA風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則的衡量基礎(chǔ)，并給出了一般性的風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則，如圖2所示。

圖2　CDF的接受準(zhǔn)則

CDF的風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則的含義為：

（1）如果變更明確表明CDF將降低，則可認(rèn)為該變更滿(mǎn)足有關(guān)CDF的風(fēng)險(xiǎn)指引管理原則。

（2）如果所計(jì)算的CDF增量很小，如小于10-6/堆年（區(qū)域Ⅲ），則無(wú)論總CDF為多大，都可考慮該變更。若分析表明CDF將遠(yuǎn)大于10-4/堆年，這時(shí)應(yīng)把重點(diǎn)放在找出降低CDF措施而不是增加CDF上。這種情形可根據(jù)諸如下面這些信息來(lái)確定：

（a）一定范圍的分析計(jì)算，如逐個(gè)電廠(chǎng)檢查（IPE）或逐個(gè)電廠(chǎng)外部事件檢查（IPEEE）已表明CDF明顯超過(guò)10-4/堆年；

（b）裕度分析表明有潛在的薄弱環(huán)節(jié)存在；

（c）該電廠(chǎng)的歷史經(jīng)驗(yàn)表明有潛在的安全問(wèn)題。

（3）如果計(jì)算的CDF增量在10-6～10-5/堆年之間，只有合理地證明執(zhí)行變更后的總CDF小于10-4/堆年（區(qū)域Ⅱ），才會(huì)考慮該申請(qǐng)。

（4）如果計(jì)算結(jié)果表明CDF增量大于10-5/堆年（區(qū)域Ⅰ），則該變更申請(qǐng)通常不予考慮。

從圖1可以看出，對(duì)于基準(zhǔn)CDF為10-5/堆年的情況，區(qū)域Ⅲ對(duì)應(yīng)的最大DCDF為10-6/堆年，即增幅為基準(zhǔn)CDF的10%；RG1.174針對(duì)“風(fēng)險(xiǎn)增量很小”制定的接受準(zhǔn)則為CDF和LERF的絕對(duì)變化值而不是相對(duì)變化值。

參考RG1.174對(duì)“風(fēng)險(xiǎn)增量很小”的定義，擬將RIF的截?cái)嘀刀?.01，即RIF≤1.01的系統(tǒng)納入初步系統(tǒng)改進(jìn)建議清單。

4　實(shí)例分析

本節(jié)以國(guó)內(nèi)某核電廠(chǎng)為例，分析在PSA模型具備的情況下，如何用PSA提升核電廠(chǎng)設(shè)計(jì)階段經(jīng)濟(jì)性。

由于PSA分析軟件通常無(wú)法直接從重要度和敏感性分析結(jié)果中得到系統(tǒng)重要度，需手動(dòng)將某個(gè)系統(tǒng)涉及的各故障樹(shù)頂事件均設(shè)置為T(mén)RUE，分別得到對(duì)應(yīng)的新的堆芯損傷頻率，記為CDF1，再除以基準(zhǔn)情況下的CDF0，得到系統(tǒng)級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)增加因子。根據(jù)某核電廠(chǎng)的系統(tǒng)重要度計(jì)算結(jié)果，得到初步的改進(jìn)建議清單中2個(gè)代表性系統(tǒng)及其RIF如表1所示。

表1　某核電廠(chǎng)設(shè)計(jì)階段經(jīng)濟(jì)性提升的初步系統(tǒng)改進(jìn)建議清單（示例）

根據(jù)第2節(jié)步驟3對(duì)表1中的2個(gè)系統(tǒng)開(kāi)展進(jìn)一步分析。主給水和啟動(dòng)給水系統(tǒng)會(huì)直接影響核電廠(chǎng)的正常發(fā)電，因此不能取消或者簡(jiǎn)化。廠(chǎng)內(nèi)備用電源系統(tǒng)（ZOS）的運(yùn)行對(duì)于保證核安全不是必需的，該系統(tǒng)也不需要執(zhí)行和支持任何安全有關(guān)功能。在失去廠(chǎng)外電源（LOOP）事件時(shí)，ZOS通過(guò)經(jīng)選定的電廠(chǎng)永久非安全有關(guān)負(fù)荷向縱深防御所需的非安全有關(guān)負(fù)荷提供電源。ZOS平時(shí)處于備用狀態(tài)，不會(huì)直接影響核電廠(chǎng)的正常發(fā)電，可以作為PSA篩選進(jìn)入經(jīng)濟(jì)性提升的最終系統(tǒng)改進(jìn)建議清單。

在多專(zhuān)業(yè)綜合評(píng)價(jià)中，根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)要求，直接取消廠(chǎng)內(nèi)備用電源系統(tǒng)是不合適的。根據(jù)國(guó)內(nèi)外部分壓水堆的經(jīng)驗(yàn)，可以考慮對(duì)ZOS中的柴油發(fā)電機(jī)容量作進(jìn)一步優(yōu)化分析，減少部分負(fù)荷。當(dāng)前設(shè)計(jì)在LOOP后有43組非安全相關(guān)系統(tǒng)/設(shè)備會(huì)接入柴油發(fā)電機(jī)，通過(guò)總體設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)、流體系統(tǒng)設(shè)計(jì)等專(zhuān)業(yè)制定了具體改進(jìn)方案，經(jīng)PSA敏感性分析，ZOS中的柴油發(fā)電機(jī)減容后對(duì)電廠(chǎng)CDF的影響小于1%，即在降低柴油發(fā)電機(jī)造價(jià)的同時(shí)對(duì)核電廠(chǎng)安全性產(chǎn)生的影響也很小，最后并提交審評(píng)，通過(guò)后在電廠(chǎng)設(shè)計(jì)中體現(xiàn)。

5　結(jié)論

本文基于對(duì)PSA重要度和敏感性分析結(jié)果的理解和分析，系統(tǒng)性地提出采用PSA提升核電廠(chǎng)設(shè)計(jì)階段經(jīng)濟(jì)性的方法，并形成了較為完整的步驟，擴(kuò)展了PSA的應(yīng)用范圍，為后續(xù)開(kāi)展類(lèi)似的工作奠定基礎(chǔ)。

［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(xiàn)從事核電廠(chǎng)概率安全評(píng)價(jià)、電力市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)方面研究。