宋 維，胡文軍，錢鴻濤，付陟瑋，左嘉旭,*

(1.環(huán)境保護(hù)部 核與輻射安全中心，北京 100082；2.中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413)

中國實(shí)驗(yàn)快堆一回路冷阱工藝間鈉火概率安全評價

宋 維1，胡文軍2，錢鴻濤1，付陟瑋1，左嘉旭1,*

(1.環(huán)境保護(hù)部 核與輻射安全中心，北京 100082；2.中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413)

本文運(yùn)用事件樹方法對中國實(shí)驗(yàn)快堆一回路冷阱工藝間發(fā)生鈉火后的事故場景進(jìn)行演繹分析，運(yùn)用故障樹方法對鈉火相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性建模。在此基礎(chǔ)上計(jì)算得到各鈉火事故序列的條件發(fā)生概率。結(jié)果表明：在獲得的25個典型鈉火事故序列中，19個序列的條件發(fā)生概率較低；在發(fā)生概率相對較高的6個序列中，4個序列的后果輕微，其余兩個序列代表的鈉火場景存在一定不確定性，需要在今后的鈉火危險性評價中進(jìn)一步具體研究。

中國實(shí)驗(yàn)快堆；一回路冷阱工藝間；鈉火；概率安全評價

鈉火事故是鈉冷快堆的特有事故類型之一，鈉火事故評價是快堆安全分析的重要內(nèi)容。目前對快堆鈉火事故的分析主要以工程評價及確定論分析方法為主。隨著概率安全評價(PSA)方法研究和在核電廠中的應(yīng)用逐步廣泛和深入，鈉火概率安全評價方法勢必會成為鈉冷快堆技術(shù)發(fā)展中的重要安全評價工具和手段。

中國實(shí)驗(yàn)快堆(CEFR)是我國第一座快中子反應(yīng)堆，其中有多個假設(shè)始發(fā)事件可能導(dǎo)致鈉火事故，如主容器泄漏、一回路管道泄漏或斷裂、二回路管道泄漏或斷裂等[1]。鈉冷快堆一回路由于放射性鈉的存在，其鈉火事故對于核安全具有極其重要的意義。本文選擇CEFR一回路冷阱工藝間為對象，使用事件樹方法進(jìn)行鈉火場景演繹和事故序列分析，使用故障樹方法進(jìn)行各鈉火防護(hù)系統(tǒng)的可靠性評價，從而完成該房間的鈉火概率安全評價，獲得各鈉火事故序列的條件失效概率。

1 CEFR一回路冷阱工藝間

CEFR一回路冷阱工藝間是一回路鈉凈化系統(tǒng)冷阱和省熱器所在的房間，是主容器之外的一回路鈉重要設(shè)備的所在之地，也是鈉火消防關(guān)注的重點(diǎn)位置之一。一回路凈化系統(tǒng)利用雜質(zhì)在鈉中含量隨著溫度降低而下降的原理，凈化一回路冷卻劑鈉中的氧化物、氫化物等雜質(zhì)和通過輻照產(chǎn)生的放射性物質(zhì)，確保冷卻劑的流動和熱量的傳輸，維護(hù)反應(yīng)堆的安全運(yùn)行[2]。如果一回路冷阱工藝間內(nèi)發(fā)生管道斷裂或設(shè)備泄漏，可能造成反應(yīng)堆主容器內(nèi)的冷卻劑鈉大量外泄，危及反應(yīng)堆的安全。另外，由于一回路冷卻劑鈉具有放射性，大量放射性鈉外泄可能造成環(huán)境的放射性污染。

CEFR一回路冷阱工藝間的鈉火防火設(shè)計(jì)采用縱深防御的設(shè)計(jì)理念。對于已發(fā)生的鈉泄漏和鈉火事故，設(shè)置了多樣化的探測裝置，時刻監(jiān)測涉鈉設(shè)備的泄漏和鈉火事故的發(fā)生；在一回路鈉引出管主管路與堆容器的接口處采用雙道自動快速截止閥串聯(lián)設(shè)計(jì)，并在截止閥到堆池之間管段采用雙層壁；引出管池內(nèi)部分采用了非能動的破壞虹吸裝置；房間地面設(shè)置漏鈉接收盤，抑制鈉火燃燒；設(shè)置氮?dú)庋蜎]系統(tǒng)，制造惰性氣體環(huán)境，減少鈉的氧化反應(yīng)等。為了減輕鈉火燃燒造成的后果，工藝間混凝土表面采用全部鋼覆面加絕熱層的結(jié)構(gòu)，以防止混凝土結(jié)構(gòu)受到鈉的侵蝕與火災(zāi)高溫的損害；在設(shè)備布置上，采取功能隔離和實(shí)體隔離措施，以保證設(shè)備的獨(dú)立性，從而防止鈉火事故的擴(kuò)大；為防止放射性的不可控釋放，一回路鈉工藝間設(shè)置有正常通風(fēng)和事故排煙系統(tǒng)，使含有鈉氣溶膠及放射性的空氣經(jīng)過事故排煙過濾后再排放到大氣中[3]。

2 鈉火場景事件樹演繹分析

本文運(yùn)用事件樹的方法對CEFR一回路冷阱工藝間發(fā)生鈉火事故的場景進(jìn)行演繹分析，梳理可能發(fā)生的事故序列。本次建模中使用的事件樹建模假設(shè)如下：1) 事故序列模擬不考慮非能動的虹吸破壞裝置的失效；2) 不考慮非能動的漏鈉接收盤的失效。

本文以“CEFR一回路冷阱工藝間發(fā)生鈉泄漏”為始發(fā)事件，建立的事件樹模型如圖1所示。

3 鈉火防護(hù)系統(tǒng)可靠性評價

經(jīng)過事件樹演繹可知：CEFR一回路冷阱工藝間鈉火事故中有鈉火探測系統(tǒng)、鈉凈化管道隔離系統(tǒng)、房間正常通風(fēng)系統(tǒng)、房間事故排煙系統(tǒng)及氮?dú)庋蜎]系統(tǒng)等5個系統(tǒng)需要投入。本文運(yùn)用故障樹的方法對這5個系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評價，為最終事故序列發(fā)生概率的計(jì)算提供輸入。

3.1 鈉火探測系統(tǒng)

鈉火探測系統(tǒng)對一回路鈉凈化系統(tǒng)冷阱工藝間進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，并提供火災(zāi)報警信號。該房間設(shè)置了3個感煙探測器及1個感溫探測器，在其所有鈉管道和設(shè)備上的三通、閥門和焊縫部位均設(shè)計(jì)有接觸式鈉泄漏探測器。除此之外，在一回路鈉工藝間還設(shè)置了兩套鈉氣溶膠放射性監(jiān)測系統(tǒng)，一套直接監(jiān)測排風(fēng)管內(nèi)排風(fēng)氣體的劑量率，一套監(jiān)測取樣回路中過濾器內(nèi)安裝的過濾布上的劑量率。上述探測器僅以三取二的感煙探測器信號作為自動控制的輸入信號，其他探測器的信號只作為火災(zāi)輔助顯示，以判斷感煙探測器報警信號的正確性[4]。

本次建模將感煙探測器作為自動觸發(fā)鈉火消防動作的信號，而在煙霧探測失效時，操縱員可根據(jù)溫度探測器、鈉泄漏探測器及排風(fēng)管道內(nèi)的放射性探測器給出報警信號，手動觸發(fā)消防動作。根據(jù)鈉火場景事件樹演繹結(jié)果，最終確定兩棵鈉火探測系統(tǒng)的故障樹，對應(yīng)為事件樹題頭事件“鈉火探測系統(tǒng)發(fā)出火災(zāi)報警信號”的輸入，其頂事件分別為：1) 消防系統(tǒng)自動觸發(fā)信號失效，操縱員手動觸發(fā)消防動作；2) 鈉火監(jiān)測系統(tǒng)全部失效。對應(yīng)故障樹的主要結(jié)構(gòu)如圖2～5所示。

圖2 探測系統(tǒng)故障樹1Fig.2 No.1 fault tree of detection system

3.2 一回路鈉凈化管道隔離系統(tǒng)

一回路鈉凈化系統(tǒng)進(jìn)出主容器管道上的4個核級閥門構(gòu)成了一回路鈉凈化系統(tǒng)兩條管道的雙重隔離裝置，是鈉冷卻劑流出主容器的唯一出口。一回路冷阱工藝間發(fā)生火災(zāi)時，每個探測區(qū)的報警信號根據(jù)三取二邏輯輸出聯(lián)動控制信號，自動關(guān)閉4個核級閥門。另外，一回路冷阱工藝間的上、下游管道分別設(shè)置了1臺依靠手動操作的隔離閥，如果自動隔離失效，操縱員可手動把冷阱工藝間上、下游的鈉閥關(guān)閉，防止向該房間泄漏更多的鈉，限制鈉火事故規(guī)模[2]。

當(dāng)艏吃水大于艉吃水時，即吃水差為正值時，船舶為艏傾（Trim by bow）；當(dāng)艏吃水小于艉吃水時，即吃水差為負(fù)值，船舶為艉傾（Trim by stern）；當(dāng)艏吃水等于艉吃水時，即吃水差為零，船舶為平?。‥ven keel）。

本次建模確定一回路鈉凈化管道隔離系統(tǒng)的故障樹頂事件為：一回路鈉凈化系統(tǒng)隔離閥未能關(guān)閉，一回路鈉持續(xù)泄漏。其主要故障樹的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖3 探測系統(tǒng)故障樹2Fig.3 No.2 fault tree of detection system

3.3 正常通風(fēng)系統(tǒng)

一回路鈉工藝間是放射性嚴(yán)格控制區(qū)，設(shè)計(jì)中為這些工藝間裝備了獨(dú)立換氣的進(jìn)、排風(fēng)系統(tǒng)。反應(yīng)堆正常運(yùn)行時，一回路冷阱工藝間的放射性水平在限值以內(nèi)，反應(yīng)堆廠房正常通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行。送風(fēng)系統(tǒng)與房間通過串聯(lián)兩個防火閥和1個余壓閥連接，在負(fù)壓的作用下為房間送氣。房間內(nèi)空氣通過排風(fēng)系統(tǒng)從房間內(nèi)直接排出，在排風(fēng)管穿過房間隔斷結(jié)構(gòu)之處裝有串聯(lián)的兩個防火閥[5]。防火閥自身元件故障、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其傳動部分的故障、控制電路故障、電機(jī)啟動失效均將導(dǎo)致防火閥的關(guān)動作失敗。

本次建模確定該系統(tǒng)故障樹的頂事件為：正常通風(fēng)系統(tǒng)任意閥門未能關(guān)閉。其故障樹的主要結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖4 煙霧探測系統(tǒng)故障樹Fig.4 Fault tree of smoke detection system

圖5 放射性探測系統(tǒng)故障樹Fig.5 Fault tree of radiation detection system

3.4 事故排煙系統(tǒng)

核島廠房的事故排煙系統(tǒng)可避免由鈉火事故造成的房間正壓導(dǎo)致的放射性氣溶膠外逸，并能減緩由于火災(zāi)產(chǎn)生的瞬間氣體壓力對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的沖擊，同時對鈉火產(chǎn)生的放射性煙霧進(jìn)行兩級凈化處理，將排放到大氣的放射性劑量水平控制在規(guī)定的限值以內(nèi)。鈉火事故排煙系統(tǒng)啟動運(yùn)行可通過兩條渠道：一條為主動式，由鈉工藝房間內(nèi)設(shè)置的4類鈉火災(zāi)探測系統(tǒng)發(fā)出報警信號，自動打開排煙系統(tǒng)防火閥，聯(lián)動啟動事故排煙系統(tǒng)運(yùn)行；另一條為被動式，通過鈉火房間送排風(fēng)道上70 ℃防火閥熔斷關(guān)閉，聯(lián)鎖打開該房間排煙防火閥，聯(lián)動啟動事故排煙系統(tǒng)運(yùn)行[5]。

圖6 鈉泄漏隔離系統(tǒng)故障樹Fig.6 Fault tree of sodium leakage isolation system

圖7 正常通風(fēng)系統(tǒng)故障樹Fig.7 Fault tree of normal ventilation system

本次建模為事故排煙系統(tǒng)建立兩棵故障樹，對應(yīng)為事件樹題頭事件“事故排煙系統(tǒng)打開”的兩個輸入，頂事件分別為：1) 事故排煙系統(tǒng)未能完成排煙動作；2) 事故排煙鈉氣溶膠過濾失效。其對應(yīng)故障樹的主要結(jié)構(gòu)如圖8、9所示。

3.5 氮?dú)庋蜎]系統(tǒng)

房間內(nèi)發(fā)生大量鈉泄漏時，氮?dú)庋蜎]系統(tǒng)的兩臺電動隔離閥打開并向房間注入氮?dú)?，用氮?dú)鈱⑷紵c淹沒覆蓋，使其與空氣隔絕，從而使鈉火因窒息而熄滅。該系統(tǒng)兩臺隔離閥任一臺打開即可滿足設(shè)計(jì)要求，因此確定本系統(tǒng)故障樹頂事件為：氮?dú)庋蜎]系統(tǒng)投入失效。其主要故障樹模型的結(jié)構(gòu)如圖10所示。

4 鈉火場景定量化評價

在完成了鈉火相關(guān)系統(tǒng)的故障樹建模后，使用事件樹-故障樹連接方法建立事件樹模型和故障樹模型間的聯(lián)系。其中題頭事件“鈉火探測系統(tǒng)發(fā)出報警信號”設(shè)置兩個輸入，分支1的輸入為故障樹“消防系統(tǒng)自動觸發(fā)信號失效，操縱員手動觸發(fā)消防動作”，分支2的輸入為故障樹“鈉火監(jiān)測系統(tǒng)全部失效”；題頭事件“事故排煙系統(tǒng)打開”設(shè)置兩個輸入，分支1的輸入為故障樹“事故排煙系統(tǒng)未能完成排煙功能”，分支2的輸入為故障樹“事故排煙系統(tǒng)氣溶膠過濾功能失效”；其余題頭事件為單一輸入，分別對應(yīng)各自系統(tǒng)的故障樹。

圖8 事故排煙系統(tǒng)故障樹1Fig.8 No.1 fault tree of exhaust system

經(jīng)過對CEFR一回路冷阱工藝間鈉火場景的事件樹演繹分析，共獲得25個事故序列，并對各事故序列進(jìn)行定量化計(jì)算。

圖9 事故排煙系統(tǒng)故障樹2Fig.9 No.2 fault tree of exhaust system

圖10 氮?dú)庋蜎]系統(tǒng)故障樹Fig.10 Fault tree of nitrogen injection system

4.1 鈉火場景定量化評價結(jié)果

本次計(jì)算主要針對在房間發(fā)生鈉火事故后，由于消防系統(tǒng)的不同狀態(tài)而導(dǎo)致的不同鈉火場景的條件發(fā)生概率。將建立的事件樹和故障樹模型連接后，進(jìn)行事故序列的定量計(jì)算，除去事故序列1為設(shè)計(jì)工況外，其余序列的條件發(fā)生概率列于表1。

表1 事故序列的條件發(fā)生概率Table 1 Conditional occurrence probabilities of accident sequences

4.2 關(guān)鍵鈉火場景事故序列描述及分析

上述25個鈉火事故序列中，事故序列1為設(shè)計(jì)工況，其余事故序列中，序列2、3、4、7和13的條件發(fā)生概率大于10-6。在此對CEFR一回路冷阱工藝間鈉火消防設(shè)計(jì)工況事故序列進(jìn)行描述，并對發(fā)生概率相對較大的事故序列的后果進(jìn)行初步分析。

如果各系統(tǒng)能夠按照設(shè)計(jì)功能正常動作，則鈉火事故將按照序列1的描述發(fā)展：CEFR一回路冷阱工藝間鈉管道發(fā)生泄漏，由于鈉火燃燒產(chǎn)生大量煙霧從而觸發(fā)至少兩個感煙探測器，發(fā)出鈉火事故報警信號，并由控制系統(tǒng)自動關(guān)閉一回路鈉凈化系統(tǒng)堆本體進(jìn)出口管段上的4個核級閥門。同時，關(guān)閉正常通風(fēng)系統(tǒng)與該房間連接的送風(fēng)管道和排風(fēng)管道上的隔離閥門，并聯(lián)動打開事故排煙系統(tǒng)，使含有放射性鈉氣溶膠的室內(nèi)空氣經(jīng)過過濾凈化后排放至大氣。此后，操縱員根據(jù)事故進(jìn)展和報警提示，手動投入氮?dú)庋蜎]系統(tǒng)進(jìn)一步緩解事故。

對于事故序列2～4這類一回路鈉凈化管道隔離閥能正常關(guān)閉的事故序列，泄漏發(fā)生后5 s內(nèi)即可產(chǎn)生泄漏信號并傳送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，再用11 s截止閥關(guān)閉。在此過程中共排鈉42.4 kg。由于泄漏出的鈉總量較小，泄漏時間較短，假設(shè)所有泄漏出的鈉全部燃燒盡，氣溶膠釋放至廠外。這種情況下，對廠區(qū)周圍放射性的后果進(jìn)行計(jì)算，得到最大個人劑量為0.29 mSv，低于0.5 mSv的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故限值，因此對核安全不會構(gòu)成重大威脅[6]。

事故序列7描述的鈉火事故中，CEFR一回路冷阱工藝間鈉管道發(fā)生泄漏，由于鈉火燃燒產(chǎn)生大量煙霧從而觸發(fā)至少兩個感煙探測器，發(fā)出鈉火事故報警信號，但控制系統(tǒng)無法關(guān)閉一回路鈉凈化系統(tǒng)管道上的閥門，造成一回路鈉的持續(xù)泄漏和燃燒。此時，正常通風(fēng)系統(tǒng)與房間連接的送風(fēng)管道和排風(fēng)管道上的隔離閥門關(guān)閉，并聯(lián)動打開事故排煙系統(tǒng)，使含有放射性鈉氣溶膠的室內(nèi)空氣經(jīng)過過濾凈化后排放至大氣。此后，操縱員根據(jù)事故進(jìn)展和報警提示，手動投入氮?dú)庋蜎]系統(tǒng)進(jìn)一步緩解事故。該事故序列鈉火燃燒時間由鈉泄漏停止時間和氮?dú)馄鹱饔脮r間決定。事故序列7由于其未能對泄漏點(diǎn)進(jìn)行有效隔離，液態(tài)鈉將持續(xù)泄漏，并由于氮?dú)庋蜎]系統(tǒng)的投入使得鈉火的燃燒時間存在很大的不確定性。

事故序列13描述的鈉火事故中，CEFR一回路冷阱工藝間鈉管道發(fā)生泄漏，由于兩個以上感煙探測器故障，探測系統(tǒng)未能自動觸發(fā)消防系統(tǒng)動作；其后操縱員根據(jù)房間溫度信號、鈉泄漏探測信號和排風(fēng)管道放射性氣溶膠監(jiān)測信號判斷出發(fā)生鈉火事故，并手動觸發(fā)保護(hù)動作，其后事故動作與事故序列1相似。該事故序列需要操縱員通過信號判斷發(fā)生鈉火及手動采取后續(xù)動作，消防系統(tǒng)的緩解動作投入時間將延長，因此相對于事故序列2～4，事故序列13可能導(dǎo)致鈉的泄漏量和放射性釋放有所增加。

5 結(jié)論

本文針對CEFR一回路冷阱工藝間進(jìn)行了鈉火概率安全評價，使用事件樹方法演繹分析得到25個鈉火事故序列，并分別完成鈉火相關(guān)的鈉火探測系統(tǒng)、鈉凈化管道隔離系統(tǒng)、房間正常通風(fēng)系統(tǒng)、房間事故排煙系統(tǒng)及氮?dú)庋蜎]系統(tǒng)等5個系統(tǒng)的故障樹建模。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算得到了各鈉火事故序列的條件發(fā)生概率，并對典型的鈉火場景進(jìn)行了描述。計(jì)算結(jié)果表明：25個事故序列中19個序列的發(fā)生概率較低，而在發(fā)生概率相對較高的6個序列中，4個序列的后果輕微，其余兩個序列代表的鈉火場景存在一定不確定性，需在今后的鈉火危險性評價中進(jìn)一步具體分析。

[1] 馮預(yù)恒，任麗霞，張志偉，等. 中國實(shí)驗(yàn)快堆最終安全分析報告[R]. 北京：中國原子能科學(xué)研究院中國實(shí)驗(yàn)快堆工程部，2008.

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[5] 葉憲洲，杜海鷗. 中國實(shí)驗(yàn)快堆反應(yīng)堆廠房通風(fēng)系統(tǒng)[R]. 北京：中國原子能科學(xué)研究院中國實(shí)驗(yàn)快堆工程部，2003.

[6] 張東輝. 中國實(shí)驗(yàn)快堆一次鈉泄漏防御的改進(jìn)及其效果分析[C]∥第六屆全國新堆與研究堆學(xué)術(shù)會議. [出版地不詳]：[出版者不詳]，2006.

Sodium Fire Probabilistic Safety Assessment of Primary Cold Trap Room for China Experimental Fast Reactor

SONG Wei1, HU Wen-jun2, QIAN Hong-tao1, FU Zhi-wei1, ZUO Jia-xu1,*

(1.NuclearandRadiationSafetyCenter,MinistryofEnvironmentalProtection,Beijing100082,China;2.ChinaInstituteofAtomicEnergy,Beijing102413,China)

The sodium fire scenarios after the fire was ignited in primary cold trap room of China Experimental Fast Reactor were deduced using event tree method. The systems related to the accident were modeled using fault tree method. Thereby, the conditional occurrence probabilities of all sodium fire sequences were calculated. The results show that 25 typical sodium fire accident sequences are obtained in total, and 19 sequences have lower probabilities of occurrence. Among the 6 sequences with relatively higher probabilities, 4 sequences cause minor consequences, and the remaining 2 sequences require a detailed hazard evaluation in the next work because of the uncertainty.

China Experimental Fast Reactor; primary cold trap room; sodium fire; probabilistic safety assessment

2014-06-10;

2014-11-17

宋 維(1982—)，男，河北井陘人，工程師，碩士，從事核電廠概率安全評價研究

*通信作者：左嘉旭，E-mail: zuojiaxu@chinansc.cn

TL364.5

A

1000-6931(2015)10-1804-07

10.7538/yzk.2015.49.10.1804