第三章核电厂事故分析基本知识Word格式文档下载.docx
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总体上分析核电厂在失水事故及各种瞬变过程中系统的响应，是事故分析中最主要的程序，如RETRAN，RELAP5，TRAC等。
（2）堆芯分析程序
或可称之为子通道分析程序，它以系统程序计算的结果作为边界条件，考虑堆芯内各处燃料元件产生热量的不同，及流道之间的质量、动量和能量的交换，因而能计算得出具有开式栅格的堆芯的流场和焓场，得出各处燃料元件，特别是热点的燃料芯块及包壳的温度和包壳表面的偏离泡核沸腾比（DNBR），如COBRA4程序。
（3）燃料元件分析程序
用于分析在事故工况下面临破坏的燃料元件性状，在程序中提供了包括热辐射在内的各种阶段的传热模型，可以模拟包壳与芯块间隙的变化，元件的肿胀，破裂以及流道的阻塞。
这种程序也以系统程序分析结果为输入数据，如FRAP—T6，TOODEE2/MOD3等。
（4）堆物理分析程序
用于作弹棒事故及反应性事故的分析计算。
精确的分析需要用三维中子动力学程序与三维热工水力程序耦合进行计算，这种计算耗费计算机机时较多。
在进行大量计算时。
一般采用经三维程序校核的一维程序，如PDK-Ⅱ程序。
（5）安全壳热工水力响应分析程序
分析核电厂一、二回路破裂，大量质量和能量喷放至安全壳内时，安全壳内的压力和温度的变化，这种程序应当能处理安全壳底层的液相及含有空气及蒸汽混合的气相，具有能模拟安全壳结构材料的热结构模型。
并应具有模拟蒸汽在结构材料表面的凝结，以及喷淋和排放等功能。
这种程序以系统程序计算所得的破口喷放流量及焓值为输人数据，如CONTEMPT—LT/028。
（6）放射性后果分析程序
这类程序描述放射性物质在系统内的转移、沉积、衰变、向环境的释放及在大气中的弥散，并计算人员遭受的放射性剂量。
一般由几种程序构成一个程序包．供分析各种事故下的放射性后果之用，这类程序的特点是不确定性很大，粗略模型与精细模型在计算方法上差别也很大，需按不同的要求选用，典型的有CADITAL，SGTR程序。
3．2．2概率论安全分析
把整个系统的失效概率通过结构的逻辑性推理与它的各个层次的子系统、部件及外界条件等的失效概率联系起来，从而找出各种事故发生的频率。
也称概率安全分析。
概率论方法是以对“事件树”和“故障树”的分析为基础的。
事件树分析建立事件树即进行功能模化，继始发事件之后，把各项与安全相关的功能按失效与否逐级展开，就能得到一系列后果不同的事件序列。
作为一个例子，图3-1给出了压水堆核电厂失水事故的事件树，用以说明事件树的构造和用途。
始发事件是一回路系统的主管道破裂，其发生频率为F1，此事故进程中可能涉及的系统或设备的电源、应急堆芯冷却系统、放射性裂变产物的去除系统和安全壳等。
假定每个系统或设备有有效与失效两个状态，对事件树的展开取双树杈状，上、下树权分别代表有效及失效（失效概率分别为P2，P3，P4及P5）。
按此例可产生16种潜在的事故序列，但根据事件树所涉及的各种功能的工程性质及各个功能间的依赖关系，可简化成为图3-1形状。
有些功能也可再细分，如对应急堆芯冷却系统．也可再分为初期的注入阶段及后期的再循环阶段两种功能。
考虑到各项失效概率值很小，在计算事故频率时可省去（1-P2）、（1-P3）等因子。
故障树分析在此方法中，把系统的失效作为分析的目标，由此反推，寻找直接导致这
一失效的全部因素，直至毋需再深究其发生的因素为止。
把系统失效称之为“顶事件”，毋需
再深究的事件称之为“底事件”，介于这两者之间的一切事件称为“中间事件”。
在分析中，这些事件由相应的符号表示，并用适当的逻辑门把它们连结成倒置的树形图，从而得到描述系统失效的一系列部件失效模式的逻辑图，即故障树。
作为一个例子，图3-2给出了压水堆安全壳内，将冷却喷淋流量不足作为顶事件的故障树的头几级。
该堆设置了两个冗余系统A
及B，其中每一系统都可以单独提供全部喷淋用水。
因此，发生上述顶事件的前提为两个系
统必须同时失效．这一情况用逻辑符号“与门”（带圆顶的框）表示，用它将第二级事件与顶事件相连接。
在第三级中找到4种事件，每种都足以导致上述第二级事件，因此用“或门”（带尖顶的框）与第二级事件相连接。
用圆圈或菱形框表示的事件不需要进一步追溯原因，圆圈内的事件属于可以取得失效概率的事件，而菱形框内的事件则属于一般性故障，由于其不太重要或缺乏资料停止追溯原因。
在长方框内的事件则属于必须向下追溯的事件。
此图没有画出第三级以后的故障树。
以故障树为工具可以进行定性及定量两方面的分析。
在定性分方面，往往可以找出某一关键性的子系统或部件，或找出控制全局的某一条事件链。
在这类情况下，就可以考虑是否有必要添加冗余部件。
在定量分析方面，可以通过运算得出系统的失效概率。
这种方法的特点是：
除了能分析组成系统的各个部件对系统失效概率的影响外，还可以考虑维修、环境和人为因素的影响，从而不仅可以分析单一部件失效的影响·
还可以分析两个以上部件共因失效的影响。
核电厂的概率安全分析通常是在三个级别上进行的。
一级概率安全分析确定可导致堆芯损坏的事件序列及这些序列的估算频率，可对设计上的弱点及防止堆芯损坏的方法提供重要见解。
二级概率安全分析确定核电厂可发生放射性释放的途径，并估计其数量和频率，能从放射性释放的严重性方面对造成堆芯损坏的各事故序列的相对重要性提供见解，并对改善事故处置的方法提供见解。
三级概率安全分析估计公众健康风险和其他社会风险，并用诸如公众健康影响或土壤、空气、水或食物的污染所表示的有害后果对事故预防和缓解措施的相对重要性提供见解。
自1983年起美国用概率安全分析方法对严重事故源项进行了重新估算，制定了相应的对策，并提出了安全目标。
现时概率安全分析技术已比较成熟，成为广泛应用的安全分析工具。
概率安全分析是一种系统的、安全的数量分析方法，可以把安全有关信息（如事件发生频率、事故后果、设备可靠性、分析的不确定性等）数量化，总合进一个连贯的框架，从而可以提供一个核电厂安全的全面图景，揭露其中的薄弱环节，有利于实现总体平衡，优化资源配置，提高安全性和经济性。
为确保核电厂安全，凡申请核电厂建造许可证和运行执照的申请者，在每次申请时都必须递交安全分析报告。
在此报告内要求有一章包含对各种可能出现的反应堆事故工况进行广泛地分析。
其目的在于表明该设计足以承受这些事故或减轻事故后果，使公众健康与安全不受过度的危害。
所分析的范围包括频繁发生的而危害较小的次要瞬态直到极罕见但后果极严重的事故。
此外，通过事故分析，使操纵员对核电厂各种事故现象有较深^的了解，这对操纵员进行事故处理和保证电厂安全也是非常重要的。
3．3核电厂工况分类及设计基准事故
核电厂工况分类也称为状态分类。
目前，压水堆核电厂反应堆可能出现的各种运行及事故工况总体上可以分为两大类：
一类是设计基准事件工况，另一类是超设计基准事件工况。
有关超设计基准事件工况在第5章中作介绍，第3章和第4章介绍设计基准事故。
设计基准事件范围内的全部运行及事故工况可按其发生的频率和潜在的放射性后果进行分类。
分类的原则是；
发生频率高的工况要求其后果轻微，而后果严重的工况要求其发生频率极低。
按照该原则，美国标准学会把设计基准事件范围内的核电厂运行及事故工况分为下列四类。
工况I：
正常运行和运行瞬态，包括：
（1）核电厂反应堆的正常启动、停堆和稳态运行。
包括核电厂的正常启动、停堆、正常
稳态功率运行、热停堆、冷停堆、正常换料等工况。
这些工况构成了核电厂的运行模式-作为实例，表3-1给出秦山拔电厂的运行模式。
（2）带有允许偏差的运行，如发生少量燃料元件包壳泄漏t一回路冷却剂放射性水平略
有偏高、蒸汽发生器管子微小泄漏等，但未超过技术规格书所规定的最大允许值。
（3）运行瞬态．如核电厂的升温升压或冷却卸压，以及在允许范围内的负荷变化等。
这类工况出现频繁，所以要求整个过程中所引起的物理参数变化不会到达触发反应堆保护动作的整定值，无需停堆，仅需依靠控制系统在反应堆设计裕量范围内进行调节，即可把反应堆调节到所要求的状态，重新稳定运行。
这类工况一般用来作为其他事故工况分析的初始工况。
工况Ⅱ：
中等频率事故也称预期运行瞬态（AnticipatedOperationalOccurrences，A00s）。
这是指在核电厂运行寿期内预计会出现一次或数次偏离正常运行的所有运行过程，其发生频率大于10-2／堆·
年。
由于核电厂设计时已采取适当的措施，它只可能迫使反应堆停堆，而不导致任何裂变产物屏障破坏，即不超过燃料安全限值。
这类工况要求作事故分析，以证明在最坏的情况下，不会造成燃料元件损坏；
也不会导致不可接受的堆功率或一回路、二回路超温超压的出现。
此外，还要求这类工况在导致最坏的停堆情况下仍能返回功率运行中，并不得引起更严重的事故工况（工况Ⅲ或工况Ⅳ）。
这类工况包括有：
（1）堆启动时，控制棒组件失控抽出；
（2）功率运行时，控制棒组件失控抽出；
（3）控制棒组件落棒；
（4）失控硼稀释；
（5）反应堆流量部分丧失；
（6）失去正常给水；
（7）给水温度降低；
（8）负荷过分增加；
（9）失去厂外电源。
工况Ⅲ：
稀有事故
在核电厂寿期内，这类事故一般极少发生。
其发生频率约在10-4／堆年到10-2／堆年之间，即对于单个核电厂来说，不大可能发生，但从整体核电厂运行经验积累来说，则有可能出现。
处理这类事故时，为了防止或限制对环境的辐射危害，需要专设安全设施投入工作。
这类事故举例为：
（1）燃料组装错装位；
（2）控制棒误动作；
（3）反应堆冷却剂完全失流；
（4）一、二回路管道小破裂。
这类事故可能超过燃料安全限制或超过系统的压力、温度或功率限制，但要求引起反应堆中受损伤的燃料元件数不超过规定的限制，不影响堆芯的几何形状和可玲却性，不得进一步损伤反应堆冷却剂系统和反应堆安全屏障。
放射性释放不得超过厂外剂量限值，不得引起更严重的事故工况（工况Ⅳ）。
工况Ⅳ：
极限事故
这类事故的发生频率小于10-4／堆·
年，预期不会发生，因而也称为假想事故。
然而这类事故一旦发生，则可能释放大量放射性物质，后果非常严重，因而在核电厂设计中也必须加以考虑。
这类事故包括大破口失水事故、弹棒事故等。
这些事故用来对核电厂的安全设施提出要求。
它们可能导致燃料元件重大损伤，但要求堆芯几何形状不受影响，堆芯冷却可以保持．并不得引起限制其后果的系统丧失功能，反应堆冷却剂系统和反应堆安全壳厂房不受附加损伤，放射性释放在许可限度内。
按照目前的习惯：
工况Ⅱ、工况Ⅲ和工况Ⅳ事件总称为设计基准事故。
为了确保核电厂安全，规定在安全分析报告中要对主要设计基准事故进行详细的分析计算，给出定量的结果并评定其是否满足目前的规范和标准。
设计基准事故的选择以事故分析、工程判断、设计经验及运行经验为基础，经不断改进而逐步完善。
目前应用得比较普遍是美国核管理委员会（NRC）颁布的导则1.70中列出的清单。
设计基础从物理现象上来看，可分为8组。
具体如下。
（1）二回路系统排热增加，包括：
·
给水系统故障导致给水温度降低
给水系统故障导致给水流量增加
·
蒸汽压力调节器故障或损坏导致蒸汽流量增加
误打开蒸汽发生器泄压阀或安全闽
安全壳内、外各种蒸汽管道破裂
（2）二回路系统排热减少，包括：
蒸汽压力调节器故障或损坏导致蒸汽流量减少
失去外部电负荷
汽轮机跳闸（截止阀关闭）
误关主蒸汽管线隔离阀
冷凝器真空破坏
同时失去厂内及厂外交流电源
失去正常给水流量
给水管道破裂
（3）反应堆冷却剂系统流量减少，包括：
一个或多个反应堆主泵停止运行
反应堆主泵泵轴卡死
反应堆主泵泵轴断裂
（4）反应性和功率分布异常，包括：
次临界或低功率启动时，控制棒组件失控抽出，包括换料时误提出控制棒或暂时取
出控制棒驱动机构
功率运行时，控制棒组件失控抽出
由于系统故障或操纵员误操作所致的控制棒误操作，包括部分长度控制棒谋操作
启动一条未投入新的反应堆冷却剂环路或在不适当的温度下启动一条再循环环路
化学与容积控制系统故障导致冷却剂硼浓度降低
在不适当的位置误装或操作一组燃料组件
各种控制棒弹出事故
（5）反应堆冷却剂装量增加，包括：
功率运行时误操作应急堆芯冷却系统
化学与容积控制系统故障（或运行人员误操作）导致反应堆冷却剂装量增加
（6）反应堆冷却剂装量减少，包括：
稳压器安全阀或释放阔意外开启
一回路压力边界安全壳外仪表或其他系统管线破裂
蒸汽发生器传热管破裂
反应堆冷却剂压力边界内假想的各种管道破裂所导致的失水事故
（7）系统或设备的放射性释放，包括：
放射性气体废物系统泄漏或破损
放射性液体废物系统泄漏或破损
假想的液体贮箱破损而产生的放射性释放
设计基准燃料操作事故
废燃料贮罐掉落事故
（8）未能紧急停堆的预期瞬态．包括
误提出控制棒未能停堆
失去主给水未能停堆
失去交流电源未能停堆
失去电负荷束能停堆
冷凝器真空破坏未能停堆
汽轮机跳闸来能停堆
主蒸汽管道隔离阀关闭未能停堆
3．4验收准则
1．通用的验收准则
工况I引起的物理参数变化不会达到触发保护动作的整定值。
工况Ⅱ当达到规定的限值时，保护系统能够关闭反应堆。
但是进行了必要的校正动作后，反应堆可重新投人运行。
工况Ⅱ事件不得诱发后果严重的事件（工况Ⅲ及工况Ⅳ事故）。
工况Ⅲ引起反应堆中受损伤的燃料元件数不得大于某一小定值，不影响堆芯的几何形状．并认为堆芯冷却是正常的。
工况Ⅲ事故不会引起工况Ⅳ事故，不得进一步损伤反应堆冷却剂系统和反应堆安全壳屏障。
放射性释放不得停止或限制居民使用厂外附近地区。
工况Ⅳ可以导致燃料元件重大损伤，但堆芯几何形状不受影响，堆芯冷却可以保持。
工况Ⅳ事故不得引起限制其后果的系统丧失功能。
反应堆冷却剂系统和反应堆安全壳厂房不会受到附加的损伤。
放射性释放在许可限度内。
2．具体的验收准则
对于工况Ⅱ事件：
（1）燃料元件不烧毁，对于这一条易于执行和稍严的准则为不发生DNB，或是最小DNBR在95／95限值以上。
（2）一回路压力小于110％设计值。
（3）放射性后果按正常排放允许值控制。
对于工况Ⅲ及工况Ⅳ事件：
（1）燃料元件保持可冷却状态，通用的判断标准为长时间高温PCT<
1204℃（2200oF），
短时间高温PCT<
1482℃（2700oF）。
（2）一回路压力小于120％设计值。
（3）放射性后果以厂区边界（2h）及低人口区边界（8h）剂量计算。
按美国标准，甲状腺剂量3000mSv，垒身剂量250mSv并接事故预期的频率太小取此标准的100％、25％及10％。
按法国标准，工况Ⅳ事件，甲状腺剂量450mSv，全身剂量150mSv；
工况Ⅲ事件，甲状腺剂量15mSv，全身剂量5mSv。
应该指出，放射性后果分析的不确定性很大，剂量标准应与分析方法结合在一起考虑。
3．5事故分析的基本假设
1初始条件及各项参数
事故分析采用的初始条件及各项参数均取保守值，即取值对后果会产生不利的影响。
但究竟取正不确定性还是取负不确定性，常常需要经过仔细考虑，甚至必须经过敏感性分析才能确定。
为决定如何取保守值，有三个方面是必须虑及的：
①所分析的事故的过程特征；
②事故分析所针对哪一项验收准则；
③在事故分析中，采用的是哪一种停堆信号。
在以后各章中，将针对各种事故讨论保守值的选取。
下面列举一些需考虑取保守值的项目及通用的不确定性值。
（1）运行参数需考虑不确定性（控制系统死区．仪表误差及波动）例如，初始功率+2％，初始温度士22℃（4OF），稳压器压力±
2.1bar（30Psi），稳压器水位取士±
2%，SG二次侧水位取±
5％等。
主冷却剂流量一般取设计值，这实际上已加上了保守性，因实际流量往往会大干设计流量，而且如取较小的保守值，会影响到冷却剂温度的决定。
SG二次侧的压力往往由热平衡决定，不必预先规定正负不确定性。
（2）堆物理参数：
慢化剂温度（密度）反应性系数取后果最大的寿期的数值，甚至取为零值，如对于确定寿期的分析，则取士10％不确定性，燃料Doppler反应性系数取±
l5％，控制棒价值计算取15％不确定性。
（3）停堆信号应取安全级信号。
停堆设定值需带上保守性。
停堆信号至控制棒开始自由下落的延迟时间，应按实验结果加上保守性。
控制棒负反应性引入曲线。
应取趋底型（下凸型）曲线。
（4）金属的结构热容量及传热面积，一般取±
10％不确定性。
（5）稳压器及SG安全阀开启压力，也应取保守值。
2．四项基本假设
（1）假设失去厂外电源
GDCl7规定必须考虑此项假设，应进择有、无或某一时刻失去厂外电源三种情况中哪一种产生最不利的后果。
此项假设适用于分析Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ类工况，规定此项假设的理由为此属于继发故障（核电厂事故引起电网紊乱）。
（2）假设最大价值的一维控制棒卡在全抽出位置（卡棒假设）
GDC26规定必须考虑此项假设，适用于分析Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ类工况。
实际上，在确定停堆反应性引人曲线时，就计人这项假设。
（3）仅考虑安全级设备的缓解事故的作用。
对于非安全级设备仅考虑其对事故的不利的影响。
在法国实践中要求用于Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ类工况的分析，美国实践中仅要求用于Ⅲ，Ⅳ类工况（假想事故），美国安全当局认为Ⅱ类工况为常见的故障，不影响设备的功能，所作分析合乎实际情况较好，但如保守地仅假设安全级设备起缓解作用也是可以接受的，而且大部分安全分析报告也是如此假设的。
（4）需假设极限的单一故障
法国实践中要求用于Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ类工况的分析。
美国实践中仅要求用于Ⅲ，Ⅳ类工况（假想事故），如上一项假设，如在Ⅱ类工况分析中也采用了此项假设，也是可以接受的。
3．6单一故障准则
3.6.1概述
为了在安全上得到高度的可靠性，首先是对各保证安全的设备提出高质量的要求,为此对于完成安全功能的设备，一律定为安全级设备，在质量予以高的要求，另外一个重要的方面是对于安全级设备采用多重性设计，具有“冗余”度。
作为设置冗余度的一种要求（最低要求）是采取N+l准则，即为完成某一安全功能设计时设置N+1个部件，而其中任何N个部件就能达到要求，使系统具有容忍发生一个随机故障的能力，这就是满足单一故障准则。
单一故障准则，在20世纪40年代时，已开始用于航空工业，在20世纪60年代初已成功地运用于核电厂设计，并成为为法规确定的一项核电安全的设计要求。
不能认为对核电厂实施单一故障准则是完全科学合理的，但是此准则有较好的可行性。
现在，概率安全分析的应用可以弥补这方面的不足。
为了满足单一故障准则，在核电厂的设计上就有许多必然的要求，如：
（1）设计必要的泵，需要多一台；
（2）需要保证打开的阀门，必须并联两台，需要保证关闭的阀门必须串联两台t既要保证开又要保证关的阀门，必须串并联共4台；
（3）保证在长期阶段可用的管道，必须并联丽条；
（4）必要的信号，要求多重性。
3.6.2单一故障准则的使用范围
（1）核电厂必须满足单一故障准则——核电厂系统必须有适当的安全裕度，当发生假设的单一故障时，仍能完成其安全功能。
在这项要求中提到的“假设的单一故障”是指按规章明确定义的单一故障．在下面“单一故障准则的使用方法”中，将详细描述。
这里所说的“能完成其安全功能”是指对于全部设计基准事件都能满足验收准则。
（2）安全组合必须满足单一故障准则——安全组合必须在发生单一故障时，仍能完成其安全功能。
安全组合是指在特定的假设始发事件发生后，为使该事故后果不超过规定的限值而要求其完成应有的动作的那种设备组合。
如：
大破口失水事故必须要有低压安注系统发挥功能，低压安注系统就是一个安注组合，必须满足单一故障准则；
小破口失水事故必须要有高压安注系统发挥功能。
高压安注系统就是一个安全组合，必须满足单一故障准则。
从安全组合的定义可知，“安全组合必须满足单一故障准则”是“核电厂必须满足单一故障准则”的必然的推论。
因此这一要求可表达为“安全组合必然应满足单一故障准则”。
按照这一条分析核电厂的安全冗余度，有时有一定的方便之处。
（3）有关规章注明一些安全系统需满足单一故障准则。
这是为了特别强调某些安全系统的重要性。
例：
在核安全法规HAF0102核动力厂设计安全规定中：
“停堆手段必须包括两种不同的系统，每种系统在假定一个单一故障发生时必须能执行其功能。
两种系统中至少必须有一种系统能单独使反应堆从运行工况快速地进人次临界，并得到足够的停堆深度”。
3.6.3单一故障准则的使用方法
（1）由单一事件引起的多重故障，仍归为单一故障。
一个应急柴油发电机不能启动，由它带动的全部安全级设备全部失效；
一个泵房中放了两台泵，如果泵房水淹，此两台泵失效；
一块配电板着火，板上全部线路不通，都只考虑为单一故障。
（2）整个核电厂系统（包括流体系统及电气系统）只考虑一个故障。
（3）整个事故期间只考虑一个故障，规定：
可在
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