核电站安全分析讲义.docx
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核电站安全分析讲义
核电站概率安全分析讲义
前言
核能的发展和和平利用是20世纪科技史上最杰出的成就之一。
人类今天已拥有大规模利用核能的能力，核电站的发展相当迅速，已被公认为一种经济、安全、可靠、干净的能源。
到上世纪末，在全世界31个国家和地区已有438台核电机组在运行，总装机容量达到约351Gwe，约占发电总量的16%。
研究堆作为强大有效的中子源，其用途更加广泛，可用来进行基础研究，生产军用、医用和工业用等各种放射性同位素，或对生物、种子等多种物质进行辐照，或开展中子活化分析、中子照相及中子治癌等各种应用，已成为科研、工业、农业、医学中重要的设施。
为了应对人口及经济增长，人类对能源和电力需求提出了巨大挑战，与化石能源相比，由于核能在世界能源平衡中具有的独特优势，许多有识之士预测核能将扮演越来越重要的角色，核能对于优化能源结构、促进能源多元化、提高能源安全和能源资源的合理利用以及保护环境具有不可替代的作用。
中国要实施可持续发展战略，到2020年全面实现小康社会，能源安全保障是重要支撑条件之一，而加快发展核电这一重要替代能源是保持我国社会经济与资源环境平衡和谐的战略选择。
为此，确定了能源战略要求是：
降低燃煤发电比重，提高水电和核电的比重；能源发展的基本方针是：
大力开发水电，优化发展煤电，适度发展核电，积极发展天然气发电，加快新能源发电；能源发展规划是：
到2020年发电装机量约9亿千瓦，核电装机容量约3600万千瓦。
虽然从上个世纪八十年代初我国的核电开始起步，目前已经初步形成了一定规模的核电工业基础，取得了很大的成绩，到“十五”末，我国将有11台机组，总装机容量870万千瓦，占全国发电总装机容量约1.6%。
如要实现上述核电规划，就意味着在15年左右的时间内，我国每年平均建设投产约200万千瓦，平均每年投产2台百万千瓦级的核电机组。
我国核电迎来了新的发展机遇，有着令人鼓舞的发展空间。
尽管如此，核反应堆毕竟具有巨大的潜在风险，主要风险来自于事故工况下不可控的放射性物质释放。
如何减少由于这种释放对工作人员、居民和环境所造成的危害，就构成了核反应堆的特殊安全问题，称为核安全。
核反应堆的事故不但会影响其本身，而且会波及周围环境，甚至会越出国界。
核反应堆一旦发生事故，不仅危害严重，而且还会造成重大的社会影响。
因此，人们在致力于提高核能经济竞争力的同时，尤其是美国三浬岛核电站事故（1979年）和前苏联切尔诺贝利核电站事故（1986年）后，更加重视其安全性能，其中非能动安全、人的因素以及概率安全研究是比较注重和活跃的研究领域，并且取得了重大进展。
概率安全分析（ProbabilisticSafetyAnalysis,简称PSA）方法是70年代以后发展起来的一种系统工程方法。
它采用系统可靠性评价技术和概率风险评价技术对复杂系统的各种可能事故的发生及其进程进行全面分析，从它们的发生概率以及造成的后果综合进行考虑。
由于PSA方法具有考察系统所有潜在事故、并对系统硬软件包括人进行量化，便于优化改进设计，最后对事故后果进行量化，给出便于与其他活动进行比较的风险，利于被公众接受等诸多优点，尤为重要的是，作为概率安全分析成果典范的WASH-1400成功地预示了TMI事故的全过程，而且被后来发生的切尔诺贝利核电站事故进一步证实。
因此，80年代后PSA技术及其应用获得迅速发展，成为国际上美国、德国及法国等核工业大国核安全分析领域最热门研究课题之一，也是为下一代更先进、安全、经济的反应堆系统技术取得突破最有贡献的研究成果之一。
目前，PSA已经从过去作为少数专家的研发工具向为大多数机构和组织（如生产、运行、管理和人员培训部门及核安全管理机构）的核安全和经济辅助决策工具转变，是核安全评价中一种标准的有效工具。
核发达国家要求新建核反应堆必须提交概率安全分析报告。
由于PSA技术及其研究成果的推广应用，核安全已经逐渐从确定性遵守文化（deterministiccomplianceculture）向风险通报安全文化（risk-informedsafetyculture）转变，开创了核安全文化的新纪元。
国际上系统地介绍PSA技术及其应用的教科书非常少见，多为实施导则、指南或手册，国内更是如此，一直苦于没有一套好的PSA教材，这与我国将要成为世界核电大国极不相称，基于此，作者在多年PSA研究和教学的基础上，参照国际上的参考资料编写本讲义。
全套讲义将分6章：
概述、数学基础、可靠性工程基础、核反应堆安全原理、PSA技术及PSA应用介绍。
由于作者知识浅薄，错误和不足在所难免，敬请批评指正。
第1章概述
本章将阐述风险的概念，简要回顾风险评价及概率安全分析（PSA）的方法及其应用的发展历程。
1.1风险的概念
风险（Risk）是一个具有多种含义的概念。
通俗地说，可以将风险看成人们从事某种活动，在一定的时间内给人类带来的危害，与安全、危险、危害、损失、受伤、死亡、中毒及灾难等相关。
安全就是指人类未受伤亡或财产未受损失的状态。
危险指的是导致风险之源。
风险有易引起混淆的两种定性定义。
第一个定义：
风险就是危害、灾难或将要面临的伤亡，即一种不是真实的而是潜在的伤害。
如果危险真的发生了，就不再是风险，而是受伤、损失和死亡。
第二个定义：
风险就是受伤、损失和死亡的可能性、几率或概率。
对风险的这种定性的理解不便于用来比较各种不同的风险，需要有一种可以作定量分析的定义，因此，我们将风险的第二种定义转化为数学描述，即风险就是事件发生的概率和事件发生后导致的后果大小之乘积。
风险R（后果/单位时间）=事件概率P（事件/单位时间）´造成的后果C（后果/事件）
从上式可知，风险具有双重含义，即既讲可能性又讲后果。
风险可分为个人风险和社会风险两类。
个人风险指的是单位时间内由于发生某一确定事件而给个人造成的伤害后果。
而社会风险指的是对整个社会群体造成的后果。
显然，社会风险即个人风险与该社会群体内人数的乘积。
为了更好地理解风险的概念，现举有关保险和汽车车祸风险的例子。
在十五世纪Genoese提出了通过分担风险以抵御灾难性损失的方法，即现代社会中保险的概念。
假设投保人为N艘轮船投保，每年交保险费R/艘，如果保险公司赔偿损失为C，而且假设受损的轮船为n艘，根据收支平衡原则，以下式子成立：
NR=nC
因此，R=Cn/N，当N越来越大时，n/N将趋于一个值，该值称为概率，并用P表示，这样上式可以表示为：
R=PC
如果经统计某一年龄段人类的死亡率为1%，保险赔偿金为10000美元，那么，投保人应付的保险费至少为100美元/人年。
根据统计，美国每年大约有15×106起车祸。
每发生一起车祸平均损失300美元，每发生300起事故大约有1人死亡。
因此，因汽车事故造成的经济损失为：
15×106次事故/年×300美元/事故=4.5×109美元/年。
因汽车事故造成的死亡数为：
15×106次事故/年×1人死亡/300次事故=50000人死亡/年。
若人口按2亿计算，则平均个人风险为：
2.5×10-4死亡/人·年，0.075次事故/人·年和22.5美元/人·年。
同样，可以将风险定义用于核电站。
假设有大量的核电站，而且这些核电站的水平及特征是一样的，具有同样的地貌特征和安全措施，电站之间互相独立，发生事故时互不影响。
那么，核电站给公众造成的风险R可以表示为：
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pi为发生某i失效模式的事故发生频率，ci为由于发生某i失效模式事故造成的后果，N为所有失效模式的总数。
可见，风险就是后果的数学期望值，如果采用保险术语来说，它就是人类社会使用某项技术或实施某项活动应付的保险费。
应该说，上述有关风险的数学定义具有诸多缺憾，下面就谈谈有关风险的这方面的特性。
首先，上述定义得到的风险具有不确定性，因为构成风险的两个因子：
概率和后果均是通过统计、推理或专家评定得到的。
为了描述其不确定性，在数学上常采用概率分布或概率密度分布来表示。
PSA技术专家通过重要度、灵敏度等分析对PSA分析结果进行不确定性分析，给出构成风险的各种因素重要性排序，给出结果的置信度，给出风险的不确定性大小。
另外，PSA专家不仅仅应用定量分析结果，而更多地从定性分析结果获益，如根据组成导致风险各种因素的重要度（与数据的不确定性没有关系）排序来安排检查、维修、试验的次序，确定优化设计的方向，为核电站设计、运行和维修的决策提供有益的指导。
当然，PSA结果的不确定性曾经在一定程度上妨碍了人们对PSA技术及其分析结果的认同。
将在第2章中描述有关不确定性的数学处理，在第5、6章描述有关PSA结果及其应用。
其次，上面风险的数学定义中对风险作了线性迭加的假设。
因为，从上面风险定义看，大量的后果轻的小事故和少量的后果严重的事故风险值是相等的。
但是，实际上，人们总觉得在同等风险值下，少量的严重事故的社会影响要大得多。
实际上，风险与社会的承受能力有关。
如对于每年汽车造成50000人死亡是不足为奇的，因为每一次事故涉及的最多只是少数人死亡，但一次事故造成50000人死亡则是很难接受的。
这种性质称为风险的非线性。
为了考虑这种非线性，有人将风险的定义改为：
R=Σciνpi
ν为考虑风险可接受性的修正因子，ν>1，按NUREG-0739的推荐，ν取1.2。
另外，除了给出事故发生频率、事故后果及风险的平均值外，还给出他们的分布，如给出后果与频率分布图。
这正是国际上反核势力盛行的主要原因之一，也是为什么核电站的潜在风险如此引人关注从而导致人们非常重视对核反应堆风险的控制的原因。
最后，谈谈物理上的风险与公众认识和接受的风险的关系，从风险评价结果看美国核电站的风险远低于NRC的安全目标政策和其他因素引发的风险，其他国家的评价结果也是如此，但为什么公众还不接受，国际上还存在不少反核势力？
因为这种比较并未解决下列问题：
风险是自然产生的还是外界强加的？
风险事件仅会影响个别人还是会同时影响许多人？
风险事件是导致立即死亡还是导致晚期效应（如癌症等）？
风险承担者与获益者是否一致？
风险与效益的关系是什么？
这些问题将直接影响到人们对风险的认识和接受程度，而并不仅仅从上面数学计算值来确定是否接受或允许。
因此，PSA分析者除了给出风险及其分布外，还因阐述清楚上述问题，否则，公众是不会认同的。
当然，风险是否接受，还与种族、宗教、性别、年龄、国籍、职业等因素有关，还与社会生活水平和对环境要求有关，随着科学技术的进步，人类对生活水平和生活环境的要求日益提高，衡量的标准也在不断发展和变化。
1.2风险评价
人类在从事创造物质财富的各种活动，或谋求各种利益与方便的同时，将不可避免地受到来自各种风险的威胁。
如电的利用、超音速飞机和各种机动车的使用，极大地改善了人们的生活，提高了生产效率，带来了运输上的方便。
但是，触电、交通及空难事故时有发生。
火力发电在给人类带来电能的同时也由于大量的CO2和SO2的排放而造成温室效应和酸雨。
人们在从事各项活动时并不因为有风险的威胁而一概地放弃这些活动，而是对这些活动所带来的收益和风险进行综合比较，权衡后决定取舍，这种对活动的潜在风险进行分析评价，并在评价过程中提出可能的措施，就是风险分析或风险评价。
如何以合理可行的手段尽可能地降低这些活动所带来的风险，就构成各项活动的风险分析目标。
风险评价的目的是对活动及系统的安全性或潜在风险进行分析评价，从而尽可能地降低活动的风险。
降低风险可采取的手段和措施非常多，这可以追溯到远古时代，甚至已经融入国家宗教。
在《圣经·旧约全书》和《民数经》中已经提到了有关饮食法、卫生法、预防传染病的措施以及禁止有血缘关系者结婚等规定。
所有这些条例法令与现代国家所关心的食品保藏、流行病控制和遗传疾病十分类似。
《国际健康法》于十九世纪开始实施，它以法律的形式规定了：
政府应该有义务积极地为工人和市民提供健康、安全和福利。
当然，在远古时代，安全，主要指公众健康防护，而公众健康保护也仅仅是对死亡的控制，但随着工业化生产的到来和人类对危险的事和物的控制，这种保护的含义得到扩展和延伸，已成为一种用于分析和反馈的技术。
现代用于控制风险的各种努力、措施和成果（如控制核电站的风险）就是这种发展的延续。
引入风险评价或安全分析的另一个因素就是工业化，即源于工业化所需的新的越来越多的强大的能源供应。
尽管水能和风能在中世纪就已经得到应用，这些能量都是天然的，也很容易被理解。
然而，蒸汽能源却是新发明的能源。
最原始的压缩机是常压的或低于大气压的，但是瓦特发明和卡诺原理驱使人们使用高压高温蒸汽。
起初的汽轮发电机就是简单的压力容器，很容易导致灾难性的事故。
1866年，在大英帝国就发生过74次蒸汽锅炉爆炸事故，导致77人死亡。
于是，人们采取了许多有效的措施来改善锅炉的设计，如试管引火锅炉，并在锅炉加工制造和运行过程中严格检查和监督，灾难性的锅炉失效率大大得到限制（大约10-5/锅炉年）。
而到了二十世纪，由于实施了曼切斯特蒸汽用户协会所推荐的审查，1900年，蒸汽锅炉爆炸事件降低到17起，死亡人数仅8人。
与此同时，美国机械工程师协会建立起了与之相当的压力容器条例ASME。
蒸汽机及其随后的内燃机的发展和使用使得通过铁路、公路甚至飞机的快速运输成为可能。
而为了确保这些活动的安全性，出台了许多法规、审查规定及设计规范等，并要求所有这些活动的风险被明确表示为死伤概率，使其死伤概率尽可能地小，并规定了相应的指标要求。
核能的发展与和平利用是人类征服自然过程中的重大突破，对人类社会的可持续发展有深远的影响，尽管由于核能的出身不好，最初的应用是作为大规模的杀人武器，曾一度给核能的和平利用留下阴影，并影响至今。
然而，实际上核能应用的主要方面仍是从可控的链式反应获得长期持续的能量，造福于人类。
已经上万堆年的核动力堆的运行业绩表明核能是一种安全、经济、清洁、可持续发展的能源。
但是，对应用核能的巨大的潜在风险也自从它诞生之处被政府、核工业界及公众充分认识到。
要求核能的风险完全在政府的控制之下。
1946年美国国会就成立了原子能委员会（AtomicEnergyCommission,AEC），1947年成立了反应堆防护委员会（ReactorSafeguardsCommission,RSC），1948年颁布了原子能法（AtomicEnergyAct），并于1974年撤消AEC，成立独立其它机构的美国核管会（NuclearRegulatoryCommission,NRC），其主要职责是保护公众健康和安全。
我国相继成立了国家核安全局、国家环保总局，并建立了适用于我国核安全法规、规范和标准，并在酝酿《原子能法》。
人们期望核动力堆（包括研究试验反应堆）通过设计、控制及监督管理，其潜在风险能被更加成功准确地预测，使得事故得以避免。
为此，各国都由国家颁布专门的法律法规（如我国HAF及HAD），建立专门的管理机构（如我国目前的国家环保总局），要求从核反应堆建设到投运直至退役的所有活动要置于国家的监督之下，要经过一系列的审查与许可。
要求所有有关人员应始终关注核安全，不放过任何机会，在核反应堆的设计、制造、建造、运行和监督管理的全过程每一个环节，均要建立并维持一套有效的防护措施，将风险降低到可能实现的最低水平。
所有这些措施和手段，对于降低活动的风险确保安全起了非常有益的作用，在现代核设施建设的过程中，就是贯彻了这样的设计原则和安全理念，并得到了进一步发展。
这将在第4章中详细阐述。
但是在这些措施和手段中，绝大部分是对风险的定性要求，缺乏定量标准。
真正作为一种分析手段和技术并有定量标准的风险评价技术，应该是确定论安全分析和概率论安全分析（包括可靠性分析）。
为评价并限制核反应堆的风险，发展并形成了两种成熟的分析评价核反应堆安全性的方法，一种是基于主观的依据设计基准事故的确定论评价法（称为DBA），另一种就是概率风险评价法（PSA）。
在核反应堆发展的早期，人们主要采用前一种方法。
该方法基于确定性准则（deterministiccriteria）和规定的要求。
确定论方法的基本思想是根据反应堆纵深防御的原则，除了反应堆设计得尽可能安全可靠外，还设置了多重的专设安全设施，以便在一旦发生最大假想事故时，依靠专设安全设施，能将事故后果减至最轻程度。
在确定安全设施的种类、容量和响应速度时需要一个参考的假想事故作为设计基础，并将这一事故看作最大可信事故，认为所设置的安全设施若能防范这一事故，就必定能防范其他各种事故。
为确保安全，这些准则和要求使用了许多保守的裕量和模型，如设计基准事故、纵深防御、单一事故准则以及安全裕值等。
该方法一直是核反应堆安全设计与评价最主要的方法，但由于缺乏实践经验，因此在设定这些要求时采用了保守的准则，使得核能的经济性甚至核能真正的安全性不能得到很好的保证，尤其是美国三浬岛核电站事故（1979年）和前苏联切尔诺贝利核电站事故（1986年）经验教训告知人们：
设计基准事故并不是最大可信事故，核电站事故风险的主要贡献者并不是系统和装置本身，而是人的行为、规程的遵守和核安全文化。
直至上个世纪六、七十年代才开始使用PSA，恰恰PSA技术正好能很好地弥补上述DBA的不足。
我们将在下一节对概率风险评价技术的发展历程作简要回顾，而在第5章对其展开并作详细阐述。
当然，除DBA和PSA外，还有很多其它风险评价方法，如失效模式与效应分析（FMEA）方法、失效模式、效应和临界分析（FMECA）、故障树方法（FTA）、事件树方法（ETA）等，这些方法均在特定环境和条件下发展和完善起来的，有一定的使用范围和条件，本课程将在后面有关章节作简单介绍。
另外，在此还应区分可靠性工程和PSA技术的概念。
一般来说，严格区分系统可靠性工程和概率风险分析的界线是很难的。
概率风险分析的基础是系统可靠性工程，系统可靠性一般仅给出系统发生故障的概率或不发生故障的概率，而概率安全分析要在系统可靠性的基础上还对系统或活动的风险作出定量评价。
在此不作深入讨论，将在第三章对可靠性工程的基本概念及可靠性特征量作简要介绍，总之，可靠性工程和概率风险分析是现代用来进行风险评价最基本的分析手段，已经形成各自具有完整体系的应用学科。
但是，必须认识到降低风险是需要代价的，并不是风险越小越好，因为风险总是存在的，要根据社会的接受能力、公众风险的标准和降低风险所需花费的代价的大小来确定降低风险应采取的措施。
对一般的技术或活动，常采用风险—效益比进行决策，而对于类似核电站事故风险，就象上一节所述的那样，各个国家安全当局都制定了核安全目标，该目标常常远比其它风险水平低（达到3个数量级）。
还根据人体耐放射性的域值，确定剂量防护标准，其它定性的安全目标，以确保核安全。
1.3概率风险评价（PSA）技术的发展历程
本课程叫概率安全分析（或概率风险评价），目的是对活动及系统的安全性或潜在风险进行分析评价，分析评价的方法是采用概率论和可靠性工程方法。
概率安全分析（ProbabilisticSafetyAnalysis,简称PSA）方法是70年代以后发展起来的一种系统工程方法。
它基于可靠性工程基础和概率风险理论，对复杂的可能发生事故的系统或装置或某项活动进行分析，估计系统或装置不可用度和事故后果（潜在风险），得到有关安全的评价观点，并形成分析特定问题和普遍问题的信息库，作为各种决策的技术依据。
从学科分类上看，它是一门应用科学。
概率安全分析有多个名称，最早叫概率风险评价（ProbabilisticRiskAssessment，简称PRA）,后来国际原子能机构（IAEA）建议改称为概率安全评价（ProbabilisticSafetyAssessment，也称PSA）。
本讲义称为概率安全分析（ProbabilisticSafetyAnalysis,简称PSA），但在许多文献及本讲义中这些名称可能是互用的。
概率安全评价法（PSA）认为核电站事故是个随机事件，引起核电站事故的潜在因素很多，核电站的安全性应由全部潜在事故的数学期望值来表示。
回顾PSA技术的发展历程，最重要的著作要算75年美国NRC正式出版“反应堆安全研究”，代号为WASH－1400。
这是PSA技术在核电站安全评价中首次大规模成功使用，并奠定了PSA技术的基础。
70年代初期，麻省理工学院的诺曼·C·拉斯姆森教授领导的研究小组对美国的压水堆（Surry）和沸水堆（PeachBottom-2）首次进行大规模全标度的概率风险评价，以“拉斯姆森研究”闻名于世，该研究历时3年，共耗时70人年。
该研究是为回答美国国内反核力量，基于美国60年代后期的工艺水平，对美国在役的100多座核电站对公众可能的风险影响所作的全面评价。
研究结果表明：
美国每年因所有各类事故而死亡的人数为115000人，个人风险为6×10-4/人年；而如果有100座核电站在运行，发生堆芯熔化的频率为5×10-5/堆年，并指出堆芯熔化事故并不必然造成严重的后果，仅当存在其它不利因素共同作用的情况下才会导致严重后果，每百年因反应堆事故而死亡的只有4人。
给出的个人风险约为2×10-10/人年，这个风险值是很低的，这要比其它社会事故风险低好几个数量级，与陨石冲击造成的死亡的风险同处一个数量级，是地震造成的死亡风险的1/30000。
具体结果见表一。
表一各种事故引起人身早期死亡风险（来自WASH-1400）
事故
1969年死亡人数
个人风险死亡/人年
汽车
55791
3×10-4
坠落
17827
9×10-5
火灾
7451
4×10-5
溺水
6181
3×10-5
中毒
4516
2×10-5
枪击
2309
10-5
机械
2054
10-5
小船
1743
9×10-6
飞机
1778
9×10-6
落物
1271
6×10-6
触电
1148
6×10-6
火车
884
4×10-6
雷击
160
5×10-7
飓风
118
4×10-7
龙卷风
90
4×10-7
其它
8695
4×10-5
所有事故
115000
6×10-4
在研究中采用事件树和故障树方法（这是本讲义的重点，将在后面第五章详细阐述），对各种可能发生的事故（10万多个），包括设计基准事故和非设计基准事故，估计了事故发生的概率，同时估计了事故的后果。
研究中所用的事件树和故障树方法成为后来直至今日概率风险评价的基本方法。
但总的来说，当时WASH-1400的发表，并未引起政府和技术界的足够重视，直到1979年路易斯对WASH-1400报告的肯定的评价，特别是美国三浬岛（TMI）核电站2#机组发生了严重事故之后，才获得了应有的
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