超強臺風情況下SER水罐安全影響分析

馮丙辰，王晗丁，張曉明

（蘇州熱工研究院有限公司，深圳 518000）

東南沿海地區(qū)是國內(nèi)核電廠的主要分布區(qū)域，同時也是全球受臺風影響最嚴重的區(qū)域之一［1］。近年來，由于氣候變化等因素影響，超強臺風的發(fā)生次數(shù)和強度呈現(xiàn)上升趨勢，全面識別和分析臺風的影響對保障機組安全具有重要意義。概率安全評價（PSA）是以概率論為基礎的風險分析方法，可對包括外部災害在內(nèi)的事故影響開展定量評價，已在核電廠設計、運行中得到廣泛應用［2，3］。

超強臺風情況下，核電廠的構筑物、系統(tǒng)和部件（SSC），尤其是露天布置的水罐和電氣設備易受風壓、風致飛射物的影響［4］。本文針對超強臺風情況，以常規(guī)島除鹽水分配（SER）系統(tǒng)水罐為分析對象，開展PSA分析，評估超強臺風情況下SER水罐對機組安全的影響。

1 飛射物PSA方法

超強臺風對核電廠SSC的影響主要體現(xiàn)在風壓和臺風導致的次生災害，露天罐體在超強臺風情況下易受風致飛射物的破壞。目前，國內(nèi)外針對飛射物風險的分析方法尚未形成統(tǒng)一的標準［5］，文獻［6］給出了一種基于PSA的飛射物定量分析方法。

該方法的核心是計算暴露的SSC在不同情況下由于飛射物導致的失效概率（EEFP）：

其中，飛射物影響參數(shù)MIP表示每個風致飛射物打擊到每個目標物單位面積的概率；N表示破壞性飛射物的數(shù)量；S表示每個目標SSC的暴露面積；F表示飛射物打擊造成SSC失效的概率，通常為1。

MIP與超強臺風的等級相關，臺風強度越大越容易產(chǎn)生飛射物，MIP值越大。MIP同時與目標SSC的高度相關，由于重型風致飛射物飛行高度較低，位置較低的SSC具有更大的MIP值。飛射物數(shù)量同樣與超強臺風的等級相關，相同臺風等級下不同核電廠的飛射物數(shù)量類似。表1給出了風致飛射物PSA中可參考的MIP與飛射物數(shù)量取值［6］。

表1 風致飛射物PSA中MIP和飛射物數(shù)量通用值Table 1 Common values of MIP and N for missile PSA

暴露面積需考慮兩方面的因素：一是目標SSC暴露于風致飛射物，易受飛射物的襲擊；二是如果被擊中，將會影響目標SSC的安全功能。對于抗震I類廠房外的SSC，其暴露面積通常利用包圍該SSC最小立方體的面積進行計算；對于抗震I類廠房內(nèi)的SSC，飛射物可通過門窗等開口進入，暴露面積為開口面積。

露天罐體屬于廠房外的SSC，其暴露面積的計算一般忽略頂部面積，同時需扣除周邊墻體或其他SSC的遮擋、屏蔽部分面積，只考慮最終的有效暴露面積。

2 超強臺風事故影響分析

2.1 超強臺風導致的始發(fā)事件

國內(nèi)外核電廠運行經(jīng)驗表明：喪失電源和喪失冷源是超強臺風對機組安全的主要威脅。圖1給出了近30年來國外核電廠超強臺風影響后果統(tǒng)計，其中，喪失廠外電（LOOP）和全廠斷電（SBO）占比超過30%，喪失最終熱阱（LUHS）占比約5%，安全停堆、降功率運行等非事故工況為其他后果。

圖1 國外核電廠超強臺風影響后果統(tǒng)計Fig.1 Consequences of super typhoon on NPPs abroad

超強臺風對核電廠電源的威脅主要是對輸電線路的威脅，包括強風導致的輸電線路風偏閃絡、斷線，以及風致飛射物造成的短路、臺風引起鹽霧造成的短路等。同時，超強臺風及其次生災害可能影響應急柴油發(fā)電機（EDG），從而導致更嚴重的SBO事故。

機組發(fā)生LOOP時，由于主泵停運、控制棒驅(qū)動機構電源喪失，首先導致緊急停堆。應急交流配電盤的低電壓信號會觸發(fā)EDG啟動，為機組提供應急電源。之后輔助給水（ASG）系統(tǒng)啟動，向蒸汽發(fā)生器供水，帶出堆芯余熱。如果EDG由于臺風影響或其他原因失效，則發(fā)展為更嚴重的SBO事故。SBO情況下，ASG汽動泵向蒸汽發(fā)生器供水是機組余熱導出的唯一手段。

超強臺風對核電廠冷源的影響途徑主要包括風壓、臺風引起水淹導致的泵房失效，以及臺風造成取水口雜物聚集導致的堵塞。這些影響會造成取水口堵塞或冷源相關功能失效，從而導致最終熱阱喪失。

機組發(fā)生LUHS時，操縱員首先執(zhí)行反冷操作，用反應堆和乏燃料水池冷卻與處理（PTR）系統(tǒng)水箱的水通過噴淋熱交換器代替重要廠用水（SEC）系統(tǒng)反向冷卻設備冷卻水（RRI）系統(tǒng)。如果反冷操作失敗，則截斷下泄流，并使化學和容積控制（RCV）系統(tǒng)入口轉向PTR，以保護RCV。即使上述安全功能成功實現(xiàn)，仍需ASG執(zhí)行二次側冷卻功能，否則可能面臨堆芯損壞（CD）的風險。

可見，LOOP、SBO和LUHS是超強臺風可能導致的主要核電廠事故工況。在這些事故工況下，ASG執(zhí)行二次側冷卻均是需重點保障的安全功能之一。

2.2 SER水罐對緩解功能的影響

超強臺風情況下，電源或冷源的恢復也會受影響。因此，長期冷卻階段ASG的功能也需得到保障。由于ASG水箱容量有限，長期冷卻階段需補水以維持其安全功能。正常情況下，ASG可由本機組或相鄰機組的凝結水抽取（CEX）系統(tǒng)補水，也可由SER系統(tǒng)補水。超強臺風導致的LOOP、SBO和LUHS事故工況下，CEX不可用，而且相鄰機組也面臨同樣的事故工況，僅剩SER作為ASG的補水手段。

SER水罐是核電廠廠區(qū)最大的露天水罐，極易遭受風致飛射物的襲擊。因此，超強臺風導致的事故工況下，長期冷卻階段ASG的補水可能受影響，從而導致堆芯余熱無法導出，造成CD。

執(zhí)行其他事故緩解功能的SSC，基本位于核島廠房以內(nèi)，受超強臺風影響的可能性較小。

3 SER水罐對機組安全影響的定量評價

3.1 條件堆芯損壞概率

為評估超強臺風情況下SER水罐對事故緩解功能的影響，需計算不同臺風影響情況下LOOP、SBO和LUHS事故的條件堆芯損壞概率（CCDP），并與基準值進行比較。

CPR1000機組SER水罐典型的設計參數(shù)見表2。由此可計算SER水罐的暴露面積，結合表1和式（1）可得SER水罐的EEFP。

表2 CPR1000機組SER水罐典型設計參數(shù)Table 2 Typical design parameters of SER tank for CPR1000 unit

LOOP、SBO和LUHS事故緩解所需的安全功能、事故進程和后果分析通常已包含在內(nèi)部事件一級PSA中。以內(nèi)部事件一級PSA模型為基礎，考慮飛射物導致SER水罐失效對ASG功能的影響，建立風致飛射物PSA模型，開展定量計算，結果見表3。其中，基準CCDP為未考慮臺風影響時事故的CCDP。

表3 超強臺風情況下SER水罐對機組安全影響的CCDP分析結果Table 3 CCDP result of impact on safety for SER tank under super typhoon

3.2 堆芯損壞頻率

為評估超強臺風情況下SER水罐對機組總體風險的影響，需計算LOOP、SBO和LUHS事故導致的堆芯損壞頻率（CDF），并與基準值進行比較。

由于17級以上超強臺風發(fā)生頻率很低，所以本次分析中考慮的臺風范圍為15～17級，對應表1中46～60 m/s的風速。參考國內(nèi)某核電廠址超強臺風設計信息，保守考慮該區(qū)間臺風發(fā)生頻率為百年一遇。由此，根據(jù)建立的風致飛射物PSA模型，考慮飛射物導致SER水罐失效對ASG功能的影響，開展定量計算，結果見表4。其中，基準CDF為未考慮風致飛射物影響時事故的CDF，ΔCDF為考慮飛射物影響時CDF相比基準值的變化。

表4 超強臺風情況下SER水罐對機組安全影響的CDF分析結果Table 4 CDF result of impact on safety for SER tank under super typhoon

3.3 結果討論

由定量評價結果可知，超強臺風情況下SER水罐對事故緩解具有顯著的作用。隨著臺風風速的增加，事故的緩解能力逐漸降低。這是因為風速越高，飛射物產(chǎn)生的可能性和數(shù)量也越高，SER水罐失效的可能性越大。

對于核電廠可能遭受的15級以上超強臺風，考慮風致飛射物影響時事故導致的CDF顯著增加，LOOP、SBO和LUHS事故導致的CDF增量均為1×10-7/（堆·年）左右。考慮到臺風發(fā)生頻率的不確定性，以及可能導致的LOOP和LUHS疊加的事故工況，SER水罐的風險貢獻值得關注。

4 結束語

SER水罐是核電廠廠區(qū)最大的露天水罐，易受風致飛射物的襲擊，其失效會影響ASG補水功能，威脅事故工況下機組的長期冷卻。本文采用PSA方法，對超強臺風情況下SER水罐的安全影響開展定量分析，結果表明：SER水罐是引起事故的薄弱環(huán)節(jié)之一，對機組總體風險具有一定貢獻。對于運行核電廠，建議通過加裝防護網(wǎng)、清理周邊松散物等方式降低飛射物對SER水罐的影響。對于新建核電廠，建議通過增加罐體壁厚度等方式從設計上提高SER水罐防抗飛射物的能力。