核電廠防火設計進展分析

蔡雨璽

摘要：核電廠消防安全是核電安全的重要內容之一，隨著世界范圍內核電廠的安全標準日趨嚴格，防火設計技術需要隨之不斷的進步和創新。本文介紹了核電防火設計的內容及防火設計分析的現狀，并結合核電防火設計的發展要求提出今后核電廠火災概率安全分析研究的重點內容，以進一步完善火災概率安全分析水平。

關鍵詞：核電廠;防火;安全

1 引言

積極推進核電建設是我國能源建設的一項重要政策，作為技術成熟、可大規模應用的非化石能源，積極發展核電對于保障我國能源需求、調整能源結構、應對氣候變化和環境保護具有重要意義。核電廠在運行過程中，其反應堆堆芯燃料經裂變后會產生大量放射性物質。這些放射性物質一經泄露，會對周邊環境造成不利影響。因此，在核能的和平利用過程中，安全性是業內及公眾共同關心的話題。根據大量的核電廠概率安全分析（Probability Safety Assessment，PSA）研究表明：傳統壓水堆核電廠由火災導致的堆芯損壞概率（Core Damage Frequency，CDF）占到全部CDF的20%以上[1];根據美國M&M保險咨詢公司統計，核電廠火災損失占到總損失的90%[1]。火災已成為核電廠安全最現實和最直接的威脅之一，如何保障核電廠的消防安全，優化核電消防設計的安全性和經濟性，是核電廠消防設計最為重要的研究課題[2]，因此有必要跟蹤了解世界上先進的核電廠防火設計方法及趨勢，研究并使之服務于我國核電消防。

2 核電廠防火目的及內容

核電廠運行過程中最大的潛在危險是放射性物質的外泄。由于放射性物質中包含有長周期壽命的放射性核素，因此放射性物質外泄，其危害將超出核電廠區域，給周邊較大范圍的環境造成持續性的影響。因此，核電廠防火設計中，最重要的目標是防止火災帶來的危害導致的堆芯損毀乃至放射性物質的外泄。

根據《核電廠防火》（HAD 102/11）中的規定，核電廠防火的目的為：在符合其他核安全要求的情況下，核電廠的構筑物、系統和部件的設計、布置，應盡可能降低由于外部或內部事件而引起火災的可能性，將火災的影響降至最低，以實現如下三個方面：（1）確保工作人員人身安全;（2）保證安全功能的實現;（3）限制那些由火災引起的使設備長期不可用的損壞事故發生。

為保障核電廠消防安全目標，核電設計在工程實踐中形成了縱深防御的設計基本原則，從火災預防、火災探測到滅火三個方面的設計中，均考慮了預防共模失效的方案，即將執行同一安全功能的兩個設備或系統，采用實體或空間隔離的方法，放置在不同的防火區，防止由于火災蔓延導致兩個設備或系統同時損壞，進而影響其安全功能的執行[3-4]。

設置防火分區預防設備或系統共模失效的設計方案是縱深防御原則最重要的體現，實踐證明，這種設計方案大大加強并保障了核電廠的防火安全，但隨之而來的是核電廠建設及維護成本的上升。要實現核電的大規模發展，發揮核電在我國能源結構調整中的重要作用，在保證核電安全的情況下，必須要兼顧到核電的經濟性。因此，在目前核電廠防火安全的基礎上，需要研究進一步優化防火設計，以提高核電廠的經濟性。

3 核電廠防火設計分析

核電廠消防的縱深防御原則，防火分區或隔離方案的設置，來源于《核電廠防火（HAD102/11）》中關于核電廠火災危害性分析的要求。在核電工程項目中，在完成核電防火設計后，需要開展核電廠的火災危害性分析，對其中的防火薄弱環節進行分析，以檢驗核電廠防火設計的完善性。通過對核電廠的火災危害性分析，用于確定所需的防火屏障耐火能力，并且提供必要能力的火災探測系統和滅火系統。火災危害性分析實際上成為判斷核電廠防火設計及防火措施是否合理的依據，因此，火災危害性分析過程中，其使用的分析方法對核電廠防火設計的優化改進至關重要。

長期以來，國內業界在火災危害性分析方面，主要以確定論方法分析為主。隨著人們對概率論方法的深入研究，概率安全評價方法的價值逐步得到認同，火災的風險分析也從采用確定論方法逐步過渡到采用確定論為主、概率論輔助相結合的方法。確定論分析方法與概率論分析方法，其區別在于對問題分析的假設不同。其主要區別包括以下幾個方面，在核電廠起火的可能性上，確定論分析方法是假定預定區域有火災發生，但不考慮起火源項;而概率論分析方法中，通過基于通用或者特定電廠的經驗，評估特定區域的火災概率。在防火系統的分析上，確定論分析方法認為防火系統只要滿足運行和安裝要求即可使用，概率論分析方法考慮了自動和手動火災探測和滅火系統的隨機故障，同時考慮屏障部件發生故障的概率。在設備可用性方面，確定論分析方法假設火災區域的設備均不可用，火災會被防火分區的屏障或滅火系統限制，而不在防火分區的設備則均可使用;概率論分析方法是使用火災模型來確定設備的破壞程度，并且考慮未受火災影響的部件將會發生與火災破壞性相一致的隨機故障。在人員操作方面，確定論分析方法假設操縱員在火災發生后能直接按照程序要求在最小時間內完成相應操作;概率論分析方法考慮了操縱員在壓力情況下出現錯誤的可能性。

從以上兩種方法的分析基礎來看，確定論分析方法主要是定性的分析了火災可能對核電廠安全造成哪些潛在的危害，但沒有闡述這些可能性的大小。這樣，以確定論為基礎的核電廠火災危害分析最后給出的結果不是風險值，而是定性地做出防火安全措施是否恰當的評價，同時也滿足對核電消防的審查要求。概率論分析方法在分析中增加了各個環節及事項不同的可能性，考慮了實際中可能存在的各種情況，從概念設計上比確定論更接近實際情況。同時，在概率論分析中，使用了大量的信息源并提供了風險關系來討論各區域的重要性和不確定性，在確定火災在核電廠不同區域發生的相對重要性方面是非常有用的，可用于指導核電廠防火設計及防火措施的重點。因此，在概率論逐步發展起來后，更受到核電消防者的關注，也成為核電消防的前沿熱點和重點。

概率論分析方法中考慮了核電消防中各個環節及事項的不同可能性，由此帶來在實際操作中的困難主要有兩個方面，一是分析計算的內容多且計算量大;二是各種不同事項發生可能性的大小難于確定。為妥善解決這些困難，核電消防工作者開展了大量的研究，目前，走在核電火災概率安全分析研究前列的是美國，美國從上世紀70年代開始開展核電火災概率安全分析研究，經過多年的研究積累，逐步形成了一套火災概率安全分析研究的方法，并在總結研究經驗基礎上，于2005年頒布了《核電廠的火災概率風險評價方法》（NUREG/CR-6850）。在NUREG/CR-6850方法中，為核電廠火災概率安全分析的提供了一個合理的框架來直接考慮火災事故下復雜的現象，并在其參考文獻中提供了大量可借鑒的概率分析數據，用于分析討論區域的重要性和不確定性。鑒于NUREG/CR-6850方法具有技術先進及可操作性強的優點，因此，國內業界工作者均選擇了該方法進行研究，并已逐步應用于核電廠的風險控制、先進反應堆的設計開發、識別常見的防火問題并確定優先級等。

4 核電廠概率安全分析研究及進展分析

在NUREG/CR-6850方法的一般分析過程中，其主要步驟包括：確定分析邊界和分區，需考慮的部件（設備）選擇，起火頻率分析，火災建模及迭代分析，電纜失效分析，人因可靠性分析，到最后火災風險定量化。火災概率安全分析是一項循序漸進的工作，開始時需要考慮大量的場景，但是在考慮并發的任務后需要對特定的任務進行精簡，因此它的分析過程是反復進行的，并且需要采用廣泛應用的篩選技術將分析資源集中在最重要的場景中，所以在研究應用NUREG/CR-6850方法中仍需要對分析范圍和場景進行優化，以確保適當的整體分析范圍及與研究目標的一致性。

在起火頻率、電纜失效分析、人因可靠性分析方面，目前尚缺乏足夠數據，NUREG/CR-6850方法是通過借鑒其他相近行業的概率分析數據進行應用，但畢竟不是核電廠本身的運行經驗數據，相關源項及部件（設備）的概率分析數據仍然要在核電廠運行經驗的基礎上進一步積累或對相關行業分析數據進行驗證。

在概率安全分析中，火災情景的詳細分析是最核心的一環，但目前尚未對起火源項的火災分析模型形成統一的標準，在《輕水反應堆發電廠防火裝置性能化消防標準》（NFPA 805）中對火災模型的一般要求是“火災模型經過檢驗和確認”以及“只有經過相關權威部門認可的火災模型才可用于火災模擬計算中”。經研究及實踐表明，在特定情況下，模型假設的變化會使評估火災導致的核電廠發生嚴重事故的概率發生變化，由于數據的缺乏，目前很多研究中沒有考慮不確定性，普遍使用保守的模型，但是保守的程度并不清楚，這些缺陷需要在進一步的研究和發展中加以改進。隨著計算機仿真技術的發展，目前火災模擬仿真計算發展迅速，并可將最新的分析工具應用到仿真計算中，提高分析計算精度，為火災災害分析提供更詳細的信息。

5 結語

核電廠消防安全是核電廠安全的重要內容之一，核電消防經過多年的研究及實踐，形成了縱深防御的設計原則，并且通過防火分區設置的手段防止用于控制核安全相關冗余系統的共模失效，很好地保障了核電廠的消防安全。隨著世界范圍內核電廠的安全標準日趨嚴格，防火設計技術仍然需要不斷的進步和創新，在保障安全的基礎上，進一步優化消防設計以提高核電廠的經濟性是當前核電防火設計研究的重點。火災危害性分析作為判斷核電廠防火設計及防火措施是否合理的依據，其分析方法對核電廠防火設計的優化改進至關重要。火災概率安全分析因可用于尋找核電廠特定的薄弱環節并識別相關潛在改進措施而成為核電廠防火設計的主要發展方向，進一步優化核電防火概率安全分析過程及規范完善火災模型將成為核電防火設計工作者今后一段時間內的主要研究內容。

參考文獻：

[1] 宮宇，依巖，柴國旱.核電廠火災PSA方法淺析[J].核安全，2012，3：75-77.

[2] 胡小民.核電廠火災概率安全評價方法研究[D].上海：上海交通大學，2009.

[3] 王樂，陳閩烽，陳琳.核電廠火災共模點處理方法與成果[J].科技創新與應用，2013，18：50.

[4] 胡亞蕾.核電防火[J].科技創新導報，2010，11：216.