液態(tài)金屬反應(yīng)堆濕式燃料貯存桶內(nèi)部事件概率安全分析

楊紅義，顏 寒，姜凈珂

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院 反應(yīng)堆工程技術(shù)研究部，北京 102413)

鈉冷快堆、鉛冷快堆等液態(tài)金屬反應(yīng)堆(LMR)均采用了高熱導(dǎo)率、高沸點(diǎn)的液態(tài)金屬冷卻劑[1]，因而相對(duì)于現(xiàn)有在商業(yè)核動(dòng)力電廠的主流堆型——輕水反應(yīng)堆(LWR)具備更高的冷卻劑沸騰裕度，以及更高的冷卻劑運(yùn)行溫度，并以此獲得了更高的固有安全性以及熱電轉(zhuǎn)換效率[1-2]。

液態(tài)金屬冷卻劑與空氣接觸后會(huì)產(chǎn)生各類不利于反應(yīng)堆運(yùn)行的雜質(zhì)[3-4]，故液態(tài)金屬反應(yīng)堆運(yùn)行中必須保持壓力密封狀態(tài)，并通過(guò)覆蓋氣體隔絕反應(yīng)堆冷卻劑與空氣，這使得液態(tài)金屬反應(yīng)堆換料遠(yuǎn)較輕水反應(yīng)堆復(fù)雜和困難。

小型模塊化的液態(tài)金屬反應(yīng)堆往往設(shè)計(jì)成無(wú)需換料或換料間隔特別長(zhǎng)以回避這一問(wèn)題，對(duì)于大型反應(yīng)堆則必須設(shè)計(jì)一套復(fù)雜的換料系統(tǒng)進(jìn)行定期換料操作。這套復(fù)雜的換料系統(tǒng)中往往包含1個(gè)燃料貯存桶，用于貯存從堆內(nèi)換出的乏燃料以備后續(xù)燃料清洗系統(tǒng)清洗[5]。為防止由于燃料清洗系統(tǒng)故障導(dǎo)致?lián)Q料工作暫停進(jìn)而影響反應(yīng)堆的運(yùn)行效率，大型LMR燃料貯存桶往往被設(shè)計(jì)成能貯存大量乏燃料組件并配以專門(mén)的冷卻系統(tǒng)，這樣就在堆芯和乏燃料水池以外形成一個(gè)特殊的燃料暫存裝置，當(dāng)貯存桶內(nèi)放置大量燃料且發(fā)生冷卻劑裝量或流量損失時(shí)，極有可能發(fā)生乏燃料組件損傷事故進(jìn)而導(dǎo)致放射性危害，因此有必要運(yùn)用概率安全分析(PSA)的方法對(duì)這種臨時(shí)燃料貯存裝置的安全性能進(jìn)行研究，掌握其安全特點(diǎn)，識(shí)別設(shè)計(jì)改進(jìn)項(xiàng)目。

本文將以某典型的大型鈉冷快堆的濕式乏燃料貯存桶為對(duì)象開(kāi)展相關(guān)的概率安全分析。

1 典型液態(tài)金屬反應(yīng)堆換料過(guò)程及乏燃料桶設(shè)計(jì)

對(duì)于需要定期更換燃料的液態(tài)金屬反應(yīng)堆，換料過(guò)程往往需要多個(gè)系統(tǒng)共同參與，包括堆內(nèi)換料系統(tǒng)、堆外換料系統(tǒng)、乏燃料組件工藝運(yùn)輸系統(tǒng)、新組件工藝運(yùn)輸系統(tǒng)等。為保證堆芯幾何形狀完整以及相關(guān)的物理性能，在完成相關(guān)換料準(zhǔn)備活動(dòng)后，反應(yīng)堆和相關(guān)換料系統(tǒng)在封閉的情況下按照“一出一進(jìn)”的原則開(kāi)展換料操作，即1個(gè)新組件被換入堆芯前，1個(gè)乏燃料組件從堆芯中心被換入反應(yīng)堆周?chē)姆θ剂隙褍?nèi)貯存阱，1個(gè)在乏燃料堆內(nèi)貯存阱中放置了數(shù)個(gè)運(yùn)行周期的乏燃料組件被轉(zhuǎn)移進(jìn)入堆外的乏燃料貯存桶。

乏燃料貯存桶中的組件從主容器中取出后，上面沾有帶放射性的液態(tài)金屬冷卻劑，需經(jīng)過(guò)復(fù)雜的清洗過(guò)程才能放入乏燃料水池，否則一方面存在放射性釋放危險(xiǎn)，另一方面液態(tài)堿金屬與水接觸后還會(huì)有劇烈的化學(xué)反應(yīng)。

乏燃料貯存桶一般有兩種設(shè)計(jì)形式[4]：干式桶和濕式桶。

干式桶，即不為桶內(nèi)乏燃料組件提供冷卻或僅提供少量風(fēng)冷的貯存桶，這種情況下桶內(nèi)無(wú)法貯存大量組件，較為安全，即使最為嚴(yán)重的事故工況下也只可能有數(shù)根乏燃料組件發(fā)生氣密性破損，但一旦桶本身或后續(xù)的清洗系統(tǒng)發(fā)生故障，反應(yīng)堆的換料工作必須短時(shí)間內(nèi)中止，等待故障排除。

濕式桶，即通過(guò)鈉循環(huán)以及空氣熱阱為桶內(nèi)乏燃料組件提供冷卻，這種情況下桶內(nèi)能貯存大量組件，即使后續(xù)清洗系統(tǒng)發(fā)生故障，也可將堆內(nèi)換出的組件暫存入桶中，換料時(shí)無(wú)需考慮清洗效率，換料完成后即可按規(guī)程開(kāi)堆。

因?yàn)樯鲜鎏卣鳎瑢?shí)驗(yàn)堆等沒(méi)有商業(yè)目的的反應(yīng)堆，一般會(huì)選擇安全的干式桶，而商業(yè)反應(yīng)堆出于保證反應(yīng)堆運(yùn)行效率的考慮往往會(huì)選擇運(yùn)行效率高，但安全設(shè)計(jì)更復(fù)雜的濕桶，后續(xù)的研究同樣以濕桶為研究對(duì)象。

對(duì)于有乏燃料組件冷卻能力的乏燃料轉(zhuǎn)換桶，設(shè)有專門(mén)的冷卻系統(tǒng)，通過(guò)冷鈉對(duì)桶中貯存的乏燃料組件進(jìn)行冷卻，冷卻系統(tǒng)中的鈉則通過(guò)由風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)冷系統(tǒng)進(jìn)行冷卻。

2 運(yùn)行工況分析

在輕水反應(yīng)堆上開(kāi)展低功率停堆PSA時(shí)，電廠運(yùn)行狀態(tài)(POS)分析是PSA的第1步，這是因?yàn)椴煌r下反應(yīng)堆、相關(guān)安全系統(tǒng)及安全狀態(tài)并不一致，可能存在不同的風(fēng)險(xiǎn)，必須分開(kāi)分析[6]。

液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆的乏燃料貯存桶在不同工況下的燃料裝量相差很大，因此有必要在始發(fā)事件分析前將乏燃料桶的運(yùn)行工況劃分為若干個(gè)類別。

經(jīng)過(guò)對(duì)乏燃料桶以及相關(guān)換料系統(tǒng)在反應(yīng)堆運(yùn)行和換料過(guò)程中的運(yùn)行方式進(jìn)行研究，認(rèn)為可將其運(yùn)行工況劃分為3個(gè)不同的運(yùn)行狀態(tài)(表1)。

表1中換料工作(狀態(tài)B)發(fā)生的頻率來(lái)源于某設(shè)計(jì)中的液態(tài)金屬冷卻劑反應(yīng)堆型號(hào)的換料間隔與換料時(shí)間，同時(shí)假定每20次換料中清洗系統(tǒng)發(fā)生1次故障，故障使得換料-清洗時(shí)間持續(xù)40 d。

由于運(yùn)行狀態(tài)A時(shí)桶內(nèi)無(wú)燃料，認(rèn)為發(fā)生乏燃料組件損傷事件的風(fēng)險(xiǎn)為0，后續(xù)詳細(xì)對(duì)狀態(tài)B以及狀態(tài)C開(kāi)展分析。

3 始發(fā)事件分析

采取失效模型影響分析(FMEA)的方法對(duì)乏燃料桶及其冷卻輔助系統(tǒng)進(jìn)行分析[6]，識(shí)別各類設(shè)備故障導(dǎo)致的始發(fā)事件，并評(píng)價(jià)其始發(fā)事件發(fā)生頻率，結(jié)果列于表2。

表1 乏燃料桶運(yùn)行狀態(tài)Table 1 Operation state of spent fuel container

表2 各運(yùn)行狀態(tài)下始發(fā)事件及其頻率Table 2 Initiating event and its frequency by operation state

始發(fā)事件頻率評(píng)價(jià)采用故障樹(shù)方法[6]，采用NUREG/CR-6928[7]以及愛(ài)達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)[8]，其中涉鈉部件采用愛(ài)達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的液態(tài)金屬反應(yīng)堆部件失效數(shù)據(jù)，其余數(shù)據(jù)采用NUREG/CR-6928中的部件可靠性數(shù)據(jù)。通過(guò)以上數(shù)據(jù)計(jì)算獲得假定365 d乏燃料桶冷卻劑系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行情況下始發(fā)事件的頻率，之后乘以表1中運(yùn)行狀態(tài)B或運(yùn)行狀態(tài)C在總運(yùn)行時(shí)間中的占比，獲得相關(guān)始發(fā)事件的頻率。

4 事故序列分析

針對(duì)前文列出的每個(gè)始發(fā)事件，構(gòu)建其事故序列，所構(gòu)建事故序列主要考慮以下安全功能或系統(tǒng)的響應(yīng)。

1) 乏燃料轉(zhuǎn)換桶冷卻系統(tǒng)冷卻乏燃料組件。乏燃料轉(zhuǎn)換桶以及與其直接連接的冷卻系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)冷卻閉環(huán)系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)分為2列，每列包括2臺(tái)電磁泵和1臺(tái)熱交換器以及若干附屬管道閥門(mén)，2列共用的部分包括若干雙層鈉管道與1個(gè)鈉緩沖罐容器，不存在單層的2列共用鈉管道，2列中的任意1列均可維持足夠的循環(huán)流量為乏燃料桶中的乏燃料組件提供冷卻。

2) 風(fēng)冷系統(tǒng)提供最終熱阱。風(fēng)冷系統(tǒng)也分為2列，每列由2臺(tái)風(fēng)機(jī)和附屬通風(fēng)通道以及風(fēng)量調(diào)節(jié)裝置組成，分別為2列乏燃料桶冷卻系統(tǒng)的熱交換器提供最終熱阱。

3) 相關(guān)閥門(mén)組隔離管道泄漏。由于2列乏燃料冷卻系統(tǒng)之間是連通的，為防止1列系統(tǒng)發(fā)生泄漏后2列系統(tǒng)均無(wú)法維持流量，設(shè)計(jì)了專門(mén)的閥門(mén)組，使得1列系統(tǒng)的任意單層管道泄漏發(fā)生后將其隔離，另外1列系統(tǒng)能繼續(xù)執(zhí)行乏燃料桶冷卻功能。

4) 保護(hù)容器包容乏燃料桶泄漏。乏燃料轉(zhuǎn)桶是一雙層容器，由內(nèi)層的主容器和外層的保護(hù)容器組成，主容器發(fā)生泄漏后，漏出的鈉會(huì)漏入容器外層的保護(hù)氣腔中，由于氣腔體積有限，主容器內(nèi)鈉液面的降低也非常有限。這種情況下只要外層容器不發(fā)生泄漏，則內(nèi)層泄漏不會(huì)對(duì)乏燃料桶冷卻系統(tǒng)的冷卻能力造成顯著影響。

根據(jù)以上安全功能，分析每個(gè)始發(fā)事件發(fā)生后是否需要以上安全功能的響應(yīng)，以及不同的成功-失敗組合下電廠的事故序列及最終后果，形成9顆事件樹(shù)(5個(gè)始發(fā)事件、2個(gè)運(yùn)行狀態(tài)，其中乏燃料桶主容器泄漏不區(qū)分運(yùn)行狀態(tài))，其中典型的事件樹(shù)如圖1、2所示，圖中STCD表示乏燃料組件發(fā)生氣密性破損。

5 定量化以及重要割集

基于以上始發(fā)事件、事故序列模型，構(gòu)建相關(guān)系統(tǒng)故障樹(shù)模型，完成結(jié)果的定量化。共構(gòu)建了乏燃料桶冷卻系統(tǒng)故障樹(shù)2棵、最終熱阱通風(fēng)系統(tǒng)1棵以及應(yīng)急供電系統(tǒng)故障樹(shù)2棵，其中應(yīng)急供電系統(tǒng)故障樹(shù)參考該反應(yīng)堆PSA報(bào)告中的模型，這些故障樹(shù)主要給乏燃料桶冷卻系統(tǒng)以及最終熱阱通風(fēng)等題頭事件提供輸入。這些故障樹(shù)中考慮了如下共因失效組：1) 備用的2臺(tái)電磁泵啟動(dòng)共因失效；2) 4臺(tái)電磁泵的運(yùn)行共因失效；3) 4臺(tái)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行共因失效；4) 2臺(tái)應(yīng)急柴油機(jī)組的啟動(dòng)共因失效；5) 2臺(tái)應(yīng)急柴油機(jī)組的運(yùn)行共因失效。

對(duì)于破損管道閥門(mén)組等其他題頭事件，則根據(jù)相關(guān)反應(yīng)堆PSA經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行保守的假定。最終的定量化分析結(jié)果如下：總的乏燃料組件氣密性損傷的頻率為4.8×10-7/(堆·年)。其中支配性的割集列于表3。

以Fussell-Vesely(F-V)重要度評(píng)價(jià)，支配性的5個(gè)基本事件分別為：始發(fā)事件-55組件時(shí)1臺(tái)電磁泵停運(yùn)、正常供電母線開(kāi)關(guān)站故障、電磁泵啟動(dòng)共因失效、風(fēng)機(jī)運(yùn)行共因失效、柴油機(jī)處于測(cè)試中。

圖1 乏燃料組件轉(zhuǎn)換桶冷卻系統(tǒng)管道泄漏事件樹(shù)Fig.1 Event tree of spent fuel container cooling system sodium pipe leakage

圖2 乏燃料組件轉(zhuǎn)換桶冷卻系統(tǒng)電磁泵停運(yùn)事件樹(shù)Fig.2 Event tree of electromagnetic pump of spent fuel container cooling system out of service

表3 支配性的割集(前10)Table 3 Major MCS (TOP 10)

6 關(guān)鍵因素討論

由完成的PSA結(jié)果可得出以下結(jié)論：

1) 從數(shù)值上看，4.8×10-7/(堆·年)的乏燃料組件損傷概率雖較低，但已是一不可忽略的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于后續(xù)液態(tài)金屬反應(yīng)堆設(shè)計(jì)，如果采用了這種濕式燃料中轉(zhuǎn)暫存裝置的設(shè)計(jì)，應(yīng)在PSA中關(guān)注此項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)。

2) 分析中的一些保守處理可能導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)的估計(jì)值明顯偏大，目前采用的1項(xiàng)基本假設(shè)是：任務(wù)時(shí)間為24 h，同時(shí)不考慮所有設(shè)備的維修恢復(fù)，根據(jù)目前的熱工計(jì)算，即使喪失冷卻劑60 h以上，之后只要恢復(fù)冷卻劑循環(huán)與最終熱阱，乏燃料組件以及乏燃料桶的完整性也有可能得到保證，考慮到電磁泵多數(shù)故障模式的故障維修較為簡(jiǎn)易，而目前識(shí)別的多數(shù)關(guān)鍵的故障發(fā)生在電氣系統(tǒng)中，因此有理由相信，在恰當(dāng)考慮設(shè)備的維修與恢復(fù)后，乏燃料組件損傷頻率數(shù)值會(huì)出現(xiàn)明顯下降。

3) 為評(píng)估考慮維修的潛在影響，通過(guò)敏感性分析進(jìn)行評(píng)價(jià)。之前的分析中假定了電源的恢復(fù)，假定除此之外，事故后第1 d任何維修活動(dòng)都是不可行的，之后認(rèn)為有2 d的時(shí)間(事故的第2 d與第3 d)可修復(fù)任意1臺(tái)始發(fā)事件中沒(méi)有損傷的電磁泵(始發(fā)事件的原因是多方面的，未必是泵本身的故障)，相關(guān)設(shè)計(jì)人員判斷電磁泵的多數(shù)故障模式的修復(fù)時(shí)間可能低于12 h，但該評(píng)估來(lái)源于正常的計(jì)劃性維修活動(dòng)，事故下的維修活動(dòng)更為復(fù)雜，且第2、3 d固然可修復(fù)第1 d發(fā)生的故障，但期間也有可能發(fā)生新的故障，欲從數(shù)值上求解，必須獲得準(zhǔn)確的平均修復(fù)時(shí)間，利用馬爾科夫等算法進(jìn)行求解，本文簡(jiǎn)單地假定第2、3 d不會(huì)產(chǎn)生新的故障，且設(shè)備的平均修復(fù)時(shí)間保守地假定為24 h，修復(fù)的時(shí)間窗口為2 d。在此假定下，最終的STCD頻率為2.71×10-7a-1，較第5章中的保守結(jié)果明顯降低，如果能獲得準(zhǔn)確的平均維修時(shí)間，并考慮電磁泵以外其他設(shè)備的維修，那么STCD能進(jìn)一步降低，預(yù)計(jì)至多降低1個(gè)量級(jí)。

4) 從目前的分析來(lái)看，失流事故與喪失熱阱事故相關(guān)的始發(fā)事件較喪失廠外電事故以及冷卻劑喪失事故的重要度高，這是因?yàn)橄嚓P(guān)始發(fā)事件的頻率較高，同時(shí)也是因?yàn)殡p層容器-管的設(shè)計(jì)能有效降低冷卻劑喪失的影響，而乏燃料事故緩慢的事故進(jìn)程也使得失去廠外電事故的風(fēng)險(xiǎn)不高——多數(shù)情況下廠外電會(huì)在數(shù)小時(shí)內(nèi)恢復(fù)。

5) 值得一提的是，應(yīng)急柴油機(jī)的定期試驗(yàn)在總的風(fēng)險(xiǎn)中占比較高，這是因?yàn)樽鳛榘踩?jí)能動(dòng)設(shè)備的電源，應(yīng)急供電系統(tǒng)無(wú)法在電廠運(yùn)期間完成定期試驗(yàn)與檢修，而乏燃料桶主要在停堆換料期間裝載乏燃料，發(fā)生事故后應(yīng)急柴油機(jī)處于檢修狀態(tài)的概率不低，對(duì)此建議應(yīng)引入風(fēng)險(xiǎn)指引的設(shè)計(jì)與技術(shù)規(guī)格書(shū)優(yōu)化與其他的應(yīng)用[9-14]，允許乏燃料桶冷卻系統(tǒng)的電磁泵和風(fēng)機(jī)使用非安全級(jí)的可靠性柴油機(jī)組并保證可靠性柴油機(jī)組在反應(yīng)堆正常運(yùn)行——換料活動(dòng)開(kāi)始前完成定期試驗(yàn)與檢修，該措施經(jīng)初步分析能使乏燃料損傷的風(fēng)險(xiǎn)降低14%左右。

7 結(jié)論

大型液態(tài)金屬反應(yīng)堆所用的濕式乏燃料貯存桶是其特有的風(fēng)險(xiǎn)源，本文利用PSA方法，對(duì)相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。基于分析與評(píng)價(jià)，計(jì)算得到總的乏燃料組件氣密性損傷的頻率為4.8×10-7/(堆·年)。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，由于事故進(jìn)程較慢且干預(yù)時(shí)間較長(zhǎng)，目前PSA通常采用的24 h不考慮恢復(fù)的假定可能并不完全適用于乏燃料桶的PSA，造成過(guò)度保守。同時(shí)給出了使用非安全級(jí)柴油機(jī)并優(yōu)化技術(shù)規(guī)格書(shū)提高乏燃料桶安全性的建議。