鄒樹梁,劉厚東,徐守龍

(南華大學(xué) 核設(shè)施應(yīng)急安全技術(shù)與裝備湖南省重點實驗室,湖南衡陽 421001)

目前,國內(nèi)外均高度重視乏燃料后處理廠的安保問題[1],但后處理廠區(qū)占地面積大,構(gòu)筑物眾多,情況復(fù)雜,特別是在發(fā)生核安保事件時還需考慮放射性因素。因此,本文在進行大量調(diào)研的基礎(chǔ)上結(jié)合安全系統(tǒng)工程和軟件工程的方法,提出了一套后處理廠核安保事件總體監(jiān)測系統(tǒng),為后續(xù)乏燃料后處理廠設(shè)計核安保輻射監(jiān)測系統(tǒng)提供科學(xué)依據(jù)和數(shù)據(jù)參考。

一 核安保事件監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)旨在乏燃料后處理廠發(fā)生核安保事件后的事故條件下為后續(xù)的核應(yīng)急工作提供支持和指導(dǎo),并具備一般情況下的演練功能。因此,乏燃料后處理廠核安保事件監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計見圖1。進入系統(tǒng)首頁后,可根據(jù)實際需求選擇進入實測子系統(tǒng)(事故情況下)或進入演練子系統(tǒng)(一般情況下)。

圖1 核安保事件監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計

二 實測系統(tǒng)

(一)實測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

實測系統(tǒng)[2]基于后處理廠區(qū)不同源項啟動對應(yīng)設(shè)備監(jiān)測、傳遞數(shù)據(jù)。實測系統(tǒng)通過安裝在后處理廠的各類輻射監(jiān)測儀表,對乏燃料后處理廠區(qū)輻射水平進行連續(xù)自動監(jiān)測并由傳輸層上傳至上位機接收端。結(jié)合具體情況,實測系統(tǒng)設(shè)計流程(以χ、γ監(jiān)測為例)見圖2。

圖2 實測系統(tǒng)設(shè)計流程圖

(二)設(shè)備操作

進入系統(tǒng)主頁后,操作輸入對應(yīng)的源項種類啟動相應(yīng)設(shè)備,設(shè)備類型見表1,設(shè)備啟動的同時啟動脈沖計數(shù)器計時,設(shè)備正常運行到達設(shè)定時間后輸出結(jié)果(輸出頁面見圖3),并傳輸數(shù)據(jù)至劑量率計算子程序,程序處理后若超過報警閾值則自動啟動報警程序并調(diào)用應(yīng)急小組響應(yīng)。

圖3 設(shè)備操作流程圖

表1 傳感器種類與型號

核設(shè)施中常存在放射性γ核素238U、232Th、226Ra、40K、137Cs和一定量的α、β輻射[3]等,故本系統(tǒng)選用的硬件設(shè)備類型包括α、β輻射表面污染監(jiān)測、χ、γ輻射表面污染監(jiān)測、熱釋光劑量計、電子劑量計、個人劑量類等五種,并列出參考型號。輸入源項信息后可進行設(shè)備類型的選擇操作,既可以針對性地選擇某種設(shè)備,也可打開多個設(shè)備同時監(jiān)測。設(shè)備操作對應(yīng)的軟件流程見圖3。

(三)脈沖計時

系統(tǒng)初始化后,監(jiān)控節(jié)點發(fā)送命令請求基站節(jié)點分配時間等級,打開定期喚醒的定時器,系統(tǒng)進入低功耗模式。如果定時器在指定的時間未接收到響應(yīng)信號,請重新發(fā)送相同的數(shù)據(jù)包。當(dāng)傳感器傳輸請求達到設(shè)定的上限時,監(jiān)控節(jié)點將自己的信息發(fā)送給周圍的監(jiān)控節(jié)點,以確定其在網(wǎng)絡(luò)中的位置。當(dāng)廣播數(shù)達到設(shè)定值時,監(jiān)控節(jié)點將自己的級別以及接收到的響應(yīng)信息發(fā)送給基節(jié)點。當(dāng)定時采集命令中斷時,系統(tǒng)從低功率狀態(tài)中喚醒,及時收集當(dāng)前的環(huán)境參數(shù),包括輻射劑量值和節(jié)點電壓值。數(shù)據(jù)分組后發(fā)送到上級監(jiān)控節(jié)點,直到接收到響應(yīng)信號[4],整個過程流程見圖4。

圖4 計時流程圖

(四)結(jié)果顯示

測量結(jié)果的顯示是輻射劑量監(jiān)測節(jié)點很重要的一部分,友好而簡單地顯示界面會給用戶帶來很大的方便[5]。在設(shè)計中為了減少按鍵,采用直觀地顯示方法,用戶可以直接從顯示屏上看到實時劑量數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)、預(yù)警記錄。本平臺使用Qt跨平臺C++圖形軟件用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)框架編程。輸出結(jié)果顯示頁面見圖5。

圖5 輸出結(jié)果顯示頁面

from PyQt5 import QtCore, QtGui, QtWidgets

self.retranslateUi(mainwindow)

QtCore.QMetaObject.connectSlotsByName(mainwindow)

def retranslateUi(self, mainwindow):

_translate = QtCore.QCoreApplication.translate

mainwindow.setWindowTitle(_translate("mainwindow", "乏燃料后處理廠核安保監(jiān)測系統(tǒng)"))

self.pushButton.setText(_translate("mainwindow", "歷史數(shù)據(jù)"))

self.pushButton_3.setText(_translate("mainwindow", "數(shù)據(jù)分析"))

self.label_5.setText(_translate("mainwindow", "Nodel3:"))

self.label_6.setText(_translate("mainwindow", "mGy/h"))

self.label_3.setText(_translate("mainwindow", "Nodel2:"))

self.label_4.setText(_translate("mainwindow", "mGy/h"))

self.label.setText(_translate("mainwindow", "Nodel1:"))

self.label_2.setText(_translate("mainwindow", "mGy/h"))

self.pushButton_2.setText(_translate("mainwindow", "預(yù)警記錄"))

self.pushButton_4.setText(_translate("mainwindow", "退出"))

self.label_7.setText(_translate("mainwindow", "調(diào)用API顯示實時測量數(shù)據(jù)變化"))

從顯示頁面不僅可以看到監(jiān)測的結(jié)果,將實時數(shù)據(jù)繪制成折線圖還可以監(jiān)測環(huán)境中的大體輻射量狀況,此外還能執(zhí)行查看歷史曲線、查詢實時數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)分析以及報警記錄等功能。

三 演練系統(tǒng)

(一)演練系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

演練系統(tǒng)基于事件重要度指揮對應(yīng)的應(yīng)急小組響應(yīng)。在重要度評價體系中既有定量因素又有定性因素[6],結(jié)合具體情況,演練系統(tǒng)總體設(shè)計流程見圖6。

圖6 演練系統(tǒng)設(shè)計流程圖

打開開始頁面后,系統(tǒng)分為兩個子程序,子程序一是用FTA方法對安保事件進行分析,得到各事件的結(jié)構(gòu)重要度。子程序二是使用專家打分法得到后處理廠的評價單元權(quán)重值,之后用公式計算得出核安保事件重要度。

(二)確定建筑物權(quán)重

本文聘請五位專家在背對背的條件下對建筑物權(quán)重進行打分[7]。若評價小組由n位專家組成,每位專家的權(quán)重為mj,則專家權(quán)重計算式為:

式中Cj為第j位專家所得的分。

專家組對每個評價單元發(fā)生安保事故的可能性進行評價,將結(jié)果采用取小-取大算子進行計算。公式為:

M(∧,∨)

其中,∧表示取小,∨表示取大。

(三)分析事件重要度

核安保事件在不同體系中有不同的分類標(biāo)準(zhǔn),國際上認可度較高的是IAEA的分類方法,國際原子能機構(gòu)將核安保事件分為放射性散布裝置、計算機核安保、破壞核設(shè)施、運輸核安保、內(nèi)部威脅、潛在威脅、非法轉(zhuǎn)移、盜竊等八種,見表2。參考IAEA《核安保叢書》第16號文件,陳鶴等首次使用事故樹(FTA)方法探討了核設(shè)施嚴(yán)重事件的原因分析與后果評價[8],Mohammed Ashraf A將事故樹分析法運用到了重大危險源行業(yè)過程安全風(fēng)險控制中[9],這些學(xué)者的研究證明了事故樹分析(FTA)方法在分析事件重要度方面的可行性。因此,本文首次提出使用FTA法分析后處理廠核安保事件的重要度。

表2 乏燃料后處理廠基本事件清單

(四)重要度分級計算

重要度分級的基本思想是基于風(fēng)險理論的數(shù)學(xué)關(guān)系[11]:重要程度=建筑物權(quán)重×危險嚴(yán)重度。

如果能夠定量計算重要程度,則可根據(jù)重要程度水平來進行重要度分級。核安保事件重要度最終的計算結(jié)果既要體現(xiàn)建筑物權(quán)重又要考慮單個事件的重要度,因此選用向量矩陣計算,公式為:

Bi=wi×ST

Bi表示準(zhǔn)則層第i個因素的評價向量;wi表示準(zhǔn)則層第i個因素的權(quán)重集;S為因素集向量,T表示轉(zhuǎn)置符號。

(五)案例分析

本文選擇放射性散布裝置、計算機核安保、破壞核設(shè)施、運輸核安保、內(nèi)部威脅、潛在威脅、非法轉(zhuǎn)移、盜竊等八類事件作為評價指標(biāo)。分別用X1—X8表示。該核設(shè)施存在兩個能夠引發(fā)高放射后果(用HRC表示)的觸發(fā)事件M1和M2。M1有兩種觸發(fā)機制,只要其中一個事件發(fā)生,M1就可以發(fā)生。M2有三種觸發(fā)機制:X2、X5和M4。X1—X8表示各基本事件,X1表示放射性散布裝置,X2表示計算機核安保,X3表示破壞核設(shè)施,X4表示運輸核安保,X5表示內(nèi)部威脅,X6表示潛在威脅,X7表示非法轉(zhuǎn)移,X8表示盜竊。M1—M10表示各中間事件,M1表示放射性泄漏事件,M2表示應(yīng)急失敗,M3表示高放射性廢液泄漏,M4表示監(jiān)管設(shè)備失效,M5表示容器泄漏,M6表示轉(zhuǎn)運系統(tǒng)泄漏,M7表示過量進料,M8表示檢測儀表失效,M9表示支撐設(shè)備失效,M10表示輔助設(shè)備故障。核設(shè)施核安保事件事故樹見圖7。

由所繪事故樹得,

HRC=X1+X3×X4+X4+X3×X6+X4+X3×X6+

X2+X5+X7×X8+X7×X8

最小割集為:{X1},{X2},{X3,X6},{X4},{X5},{X7,X8}。

基本事件的結(jié)構(gòu)重要度為:I(X5)=I(X4)=I(X2)=I(X1)>I(X8)=I(X7)=I(X6)=I(X3)

即內(nèi)部威脅=運輸核安保=計算機核安保=放射性散布裝置>盜竊=非法轉(zhuǎn)移=破壞核設(shè)施=潛在威脅

令頂上事件狀態(tài)為1,則基本事件概率為:X1=0.747,X2=0.747,X3=0.743,X4=0.654,X5=0.083,X6=0.083,X7=0.080,X8=0.080

在本文分析過程中,邀請了5位相關(guān)領(lǐng)域的專家進行分析,其中教授兩名,安全工程師兩名,安保專家一名。根據(jù)表1的評分標(biāo)準(zhǔn)計算各位專家的權(quán)重[12](見表3)。

表3 專家權(quán)重分配

取大-取小計算[13]結(jié)果見表4。

表4 取小-取大算子結(jié)果

使用MATLAB計算以下矩陣:

wi=[0.22 0.14 0.19 0.21 0.24]

ST=[0.125 0.12 0.125 0.125 0 0.125

0.12 0.12]

Bi=wi×ST

結(jié)果輸出為:

本文中所研究的風(fēng)險可接受水平的確定本質(zhì)上就是特種設(shè)施事故風(fēng)險預(yù)警分級標(biāo)準(zhǔn)[3]的確定。風(fēng)險可接受水平的確定通常是依據(jù)最低合理可行性原則(ALAPP)來確定可容許風(fēng)險的上限值和下限值。ALAPP原則將風(fēng)險分為廣泛接受區(qū)、合理可行的最低限度區(qū)和不可接受區(qū)3個區(qū)域。

將結(jié)果按照低、中、高三個標(biāo)準(zhǔn)分級,得到的乏燃料后處理廠核安保事件重要度分級結(jié)果見表5,表中A—E表示建筑物,A表示儲存水池,B表示剪切室,C表示溶解水池,D表示管道,E表示離心室。X1—X8表示核安保事件。例如A—X1表示儲存水池—放射性散布事件,B—X2表示剪切室—計算機核安保事件,以此類推。

表5 乏燃料后處理廠核安保事件重要度分級結(jié)果

如果所獲得的重要性評估位于有限的不可接受區(qū)域(高重要區(qū)域),管理者必須采取強制性的安全措施以降低重要性。如果獲得的重要性評價值在廣泛接受的區(qū)域(低重要區(qū)域),則表明重要性非常低,是完全可接受的重要性水平,不必采取安全措施。如果重要評估的價值是在一個合理可行的區(qū)域(中重要區(qū)域),必要時采取控制措施,盡可能降低重要性,包括安全成本效益分析和最大化,以確定是否應(yīng)該采取各種重要措施[14]。在實際應(yīng)用中,我們可以根據(jù)這兩種重要度的實際情況進行研究,并根據(jù)其實際情況提出不同的重要度容忍標(biāo)準(zhǔn)。

四 結(jié)論與展望

本文提出了一套乏燃料后處理廠核安保事件的監(jiān)測方案,既有應(yīng)對事故情況的實測系統(tǒng),也包含可供后處理廠核安保應(yīng)急人員情景演練時使用的演練系統(tǒng),因此可以滿足后處理廠核安保應(yīng)急人員的多種需求,并且本系統(tǒng)的邏輯框架可以推廣到其他核設(shè)施安保領(lǐng)域,適用性強。

本系統(tǒng)得到的結(jié)果可以為應(yīng)急人員的行動提供標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù),應(yīng)急人員可根據(jù)演練系統(tǒng)得到的分級結(jié)果考慮核安保事件應(yīng)急小組人員的設(shè)備配備和行動方案,使得在核安保事件發(fā)生時人員應(yīng)急響應(yīng)快速準(zhǔn)確。