基于風險指引和性能目標的抗震設計方法在研究堆的應用

劉 銳，張珊琦，袁 芳，候秦脈，張慧一，*

（1. 生態環境部核與輻射安全中心，北京 100082；2. 中核能源科技有限公司，北京 100193；3. 上海核工程研究設計院股份有限公司，上海 200233）

近年來，我國持續關注新建研究堆及其配套實驗和生產設施，而研究堆的堆型、用途、功率水平、設計原理、安全特性等不盡相同，運行模式和管理也有很大的差別。我國核安全法規HAF 201-1995《研究堆設計安全規定》要求將地震作為典型的假設始發事件考慮。我國為核電廠的抗震設計編制了一系列標準規范，已經形成了完整的分析和評價方法，而對研究堆的抗震設計卻缺少專門的規范。針對除核動力廠外的核設施的抗震設計問題，在國際上曾有兩種處理辦法，一是采用常規建筑和工業規范，二是采用核電廠的抗震設計方法。前一種方法對核設施具有放射性材料這一特點欠考慮，后一種方法過于保守。美國NUREG-1537《非動力反應堆許可證申請和審查指南》規定，非動力反應堆抗震設計至少應符合當地建筑規范，確保設施和相關安全功能不受到重大損壞。應分析地震事件造成的所有潛在后果，確保地震事件不會對公眾的健康和安全構成重大風險。NUREG-1537 規定了非動力反應堆的最低抗震設計要求，但對于如何確定研究堆的抗震設計基準地震卻沒有給出明確的標準。因此研究合理安全的抗震設計方法對新建研究堆抗震性能的保證很有必要。

美國土木工程師學會（American Society of Civil Engineers，ASCE）和結構工程學會（Structural Engineering Institute，SEI）標準ASCE/SEI 43-19《核設施構筑物、系統和設備的抗震設計標準》（以下簡稱ASCE 43-19）提出了一種根據一定的性能要求選取地震輸入和設計準則的新方法，該方法適用于新建加工、儲存或處理放射性物質的核設施的設計，其形式和數量可能會對工作人員、公眾或環境造成潛在危害。本文主要介紹了ASCE 43-19 的抗震設計分類方法，研究不同版本的ASCE 43-19 和ASCE 43-05 標準對抗震設計分類和確定設計基準地震的區別和影響，通過實例解釋了基于風險指引和性能目標的抗震設計方法在研究堆上的應用。

1 ASCE 43-19 方法

NUREG-0800《核電廠安全分析報告標準審查大綱》使用確定性方法保障構筑物、系統和設備（Structure，System，And Component，SSC）的設計充分性，對所有SSC 使用唯一的設計基準地震，而不論風險重要性如何。ASCE 43-19采用基于風險指引和性能目標一致的方法定義核設施中安全相關SSC 的抗震設計。性能目標由設計基準地震（Design Basis Earthquake，DBE）的年發生頻率和SSC 結構的可接受性能水平定義。其中設計基準地震年發生頻率由抗震設計類別（Seismic Design Category，SDC）確定；SSC 結構的可接受性能水平安全由極限狀態（Limit state，LS）確定。相關SSC 的設計可采用不同的抗震設計類別。NUREG-0800推薦的抗震設計方法與ASCE 43-19 的比較見表1。

表1 目前的抗震設計方法與ASCE 43-19 的比較Table 1 Comparison of current seismic design methods with ASCE 43-19

2 確定抗震設計分類

2.1 標準接口

ANCE 43-19 規定了抗震設計標準和分析方法，與ANCE 43-19 最重要的接口標準包括美國國家標準協會（American National Standards Institute，ANSI）和美國核學會（American Nuclear Society，ANS）的標準如下：

（1） ANSI/ANS-2.26《用于抗震設計的核設施結構、系統和部件的分類》。該標準提供了選擇設施抗震設計分類（SDC）和極限狀態（LS）的標準：為核設施結構、系統和部件（SSC）選擇抗震設計分類別（SDC），實現地震安全；為SSC 選擇極限狀態以管理其抗震設計，確保在地震中達到預期的安全性能。

（2） ANSI/ANS-2.27《用于地震危險評估的核材料設施場地調查標準》。該標準提供概率地震危險性分析（Probabilistic Seismic Hazard Assessment，PSHA）所需的地震源特征輸入、地表斷層破裂危險性評估、場地反應分析和地震引起的地面破壞危險。

（3） ANSI/ANS-2.29《概率地震危險性分析》。該標準為核設施的設計和建造提供概率地震危險性分析（PSHA）的方法和指導。

以上標準聯合使用的目標是實現風險指引的抗震設計，保護公眾、環境和工作人員免受地震的潛在危害。這組標準共同確定了：（a）設計基準地震反應譜；（b）在地震期間和地震后實現足夠安全性能所必需的極限狀態；（c）達到極限狀態所需完成的SSC 設計要求。標準之間的接口關系如圖1 所示。

圖1 地震標準關系的示意圖Fig.1 Schematic diagram of seismic standard relationship

2.2 抗震設計分類（SDC）

ANSI/ANS-2.26 根據SSC 自身的重要性和固有的潛在危害性劃分抗震性能設計分類（SDC），抗震性能設計分類（SDC）可劃分為5類（SDC-1 至SDC-5），SDC-1 適用于常規建筑標準，其失效可能不會導致任何放射性后果，SDC-5 是最嚴格的級別，適用于核電廠或具有大量放射性物質儲存的核材料加工設施。基于SSC 失效后果的嚴重性的抗震性能分類見表2。

表2 基于SSC 失效后果的嚴重性的抗震性能分類Table 2 Seismic performance classification based on the severity of SSC failure consequences

2.3 極限狀態（LS）

ANSI/ANS-2.26 對四個極限狀態（LS）（A、B、C 和D）進行了定性描述，描述了SSC 在地震期間或之后可接受的變形、位移或應力。設計為LS-A 的SSC 承受較大的永久變形（即完整性不是必需的）；設計為LS-B 和LS-C 的SSC分別承受中度和有限的永久變形；設計為LS-D的SSC 施加最嚴格的設計限制，需要保持在彈性狀態。對于給定的DBE，極限狀態LS-A 的損傷最大，極限狀態LS-D 的損傷可忽略不計。通過應用非彈性能量吸收系數和/或變形極限，將損傷限制在允許水平。表3 給出了ANSI/ANS-2.26 極限狀態的分類，圖2 給出了典型荷載變形曲線圖。SDC（SDC-1到SDC-5）和 LS（A、B、C 或 D）的組合決定了SSC 設計的設計基準地震，如表4 所示。

圖2 典型荷載變形曲線圖Fig.2 Typical load deformation curve

表3 ANSI/ANS-2.26 極限狀態Table 3 ANSI/ANS-2.26 Limit States

表4 不同抗震設計分類對應基于風險的性能目標和地震危險超越概率表Table 4 Risk based performance objectives and probability of seismic hazard exceedance corresponding to different seismic design classifications

2.4 基于性能抗震設計方法

ASCE 43-19 使用與可接受風險相稱的分類方法，通過滿足不同概率性能目標，保證SSC 能夠承受設計基準地震地面運動。概率性能目標表示為不可接受性能的年頻率（如每年1×10-5次）。當結構損壞水平超過定義的LS水平時，即出現不可接受的性能（即失效狀態）。實施ASCE 43-19 將實現兩個概率性能目標：（1）在發生DBE 時，超過可接受性能的失效概率小于1%；（2）在發生150% DBE 時，超過可接受性能的失效概率小于10%。

早期版本的ASCE 43-05 與ASCE 43-19在概率目標性能指標上是一致的，但是ASCE 43-05 引入了概率比RP（RP=HD/PF），對于SDC-3、SDC-4、SDC-5 分別為4、10、10，這樣對應的地震危險超越概率HD分別為4×10-4、4×10-4、1×10-4，廠址的設計地震反應譜表達也有所不同。表4 給出了不同抗震設計分類對應基于風險的性能目標和地震危險超越概率。

3 確定設計基準地震

3.1 ASCE/SEI 43-19

ASCE/SEI 43-19 基于性能方法的廠址特定地震是基于ANSI/ANS 2.27 和2.29 標準，進行概率地震危險性分析（PSHA），開發地震危險性曲線和一致危險性反應譜（Uniform hazard response spectrum，UHRS）。對于抗震設計類別SDC-2、SDC-3、SDC-4 和SDC-5，規定水平振動的UHRS 的兩個年平均超越頻率為：

定義地震危險曲線的斜率為：

水平方向地面運動DBE 根據下式給出了設計反應譜（DRS）：

式中：UHRSHP是針對年平均超越頻率HP確定的UHRS；

SF是在每個頻譜頻率下的比例因子。

對于UHRS定義的每個頻率，斜率系數AR為：

式中：SAHP是年平均超越頻率HP的譜加速度；

SAHD是年平均超越頻率HD的譜加速。

給定頻譜頻率下的SF由下式給出：

式中：

DRS通常定義在自由場中，與危險曲線和UHRS的控制位置相同。DRS應在整個頻率范圍內按一個因子放大振幅，使SDC-2 的零周期加速度不小于0.04 g，SDC-3 不小于0.06 g，SDC-4 不小于0.08 g，SDC-5 不小于0.10 g。

3.2 ASCE/SEI 43-05

ASCE/SEI 43-05 對于DRS的定義是采用一個大于1 的設計因子DF與UHRS（HD超越概率下的）乘積，而ASCE/SEI 43-19 在基于系列改進研究后采用小于1 的比例因子SF與UHRS（HP超越概率下的）乘積。

ASCE/SEI 43-05 中根據下式計算設計反應譜（DRS）：

式中：UHRS是年平均超越頻率HD下的UHRS；

DF是在每個頻譜頻率下的設計因子。

對于UHRS定義的每個頻率，斜率系數AR為：

式中：SA0.1HD是年平均超越頻率0.1HD的譜加速度；

SAHD是年平均超越頻率HD的譜加速度。

給定頻譜頻率下的DF由下式給出：

式中：

DF2= 0.6AR∝；∝對于SDC-3、SDC-4、SDC-5分別為0.4、0.8、0.8。

DF1對于SDC-3、SDC-4、SDC-5 分別為0.8、1.0、1.0。

4 應用實例

（1）鈉冷快堆VTR（Versatile Test Reactor）

VTR 項目是美國核能公司GE-Hitachi 設計的300 MWt 的鈉冷快堆，主要功能是進行先進反應堆燃料和與材料相關的試驗，目前完成了基于風險指引和性能目標的抗震設計的概念設計，可滿足工作人員和公眾可接受風險與和SSC 失效后果嚴重程度相稱的設計要求。

根據ANSI/ANS-2.26，VTR 項目的SSC 分為五類抗震設計類別。分類為SDC-3、SDC-4和SDC-5 的SSC 的DBE 根據表1 定義，滿足所需性能目標（PF）的地震危險超越概率（HD）：

● SDC-3 DBE，HD=4×10-4，達到目標性能目標PF≈1×10-4；

● SDC-4 DBE，HD=4×10-4，達到目標性能目標PF≈4×10-5；

● SDC-5 DBE，HD=1×10-4，達到目標性能目標PF≈1×10-5。

分類為SDC-1 和SDC-2 的SSC 的抗震設計DBE 根據IBC-2015 和ASCE 7-10 的規定開發。

● SDC-1 DBE，對應ASCE 7-10 風險類別Ⅱ，達到目標性能目標PF＜10-3；

● SDC-2 DBE，對應ASCE 7-10 風險類別Ⅳ，達到目標性能目標PF＜4 × 10-3。

基于ANSI/ANS-2.26 提供的示例，將四種極限狀態（LS）分配給SSC。在缺乏安全分析結果和現場設計輸入的情況下，VTR 項目進行了保守分類用于概念抗震設計評估：

● 反應堆容器，安全殼及其支撐，反應堆停堆系統，冷卻系統和一次冷卻劑邊界，SDC-5；

● 處理和儲存實驗或控制區以外燃料的SSC SDC-3；

● 覆蓋氣體和鈉凈化系統及其支撐結構SSDC-3；

● SDC-5 和SDC-3 SSC 的概念設計默認為LS-D，保持彈性狀態。少數例外，如輔助冷卻系統的抗震設計為LS-C，因為其安全性能不受有限永久變形的影響。

根據ASCE/SEI 43-05 的方法，由附近場地的PSHA 為VTR SDC-3、SDC-4 和SDC-5 SSC 的抗震設計開發了5%阻尼比的早期設計反應譜（EDRS），如圖3 和圖4 所示。

圖3 5%阻尼水平EDRSFig.3 5% damping level EDRS

圖4 5%阻尼豎直EDRSFig.4 5% Damping Vertical EDRS

根據ASCE7-10 第11.4 節的規定，開發SDC-1 和SDC-2 抗震設計的5%阻尼比DRS如圖5 所示。

圖5 根據ASCE7-10 確定5%阻尼反應譜Fig.5 Determine the 5% damping response spectrum according to ASCE7-10

圖6 設計譜與SDC-3 和SDC-4 譜的比較Fig.6 Comparison of design spectra with SDC-3 and SDC-4 spectra

（2）溶液堆SHINE

SHINE 是由輻照設施（IF）和放射性同位素生產設施（RPF）組成的放射性同位素生產設施，用于特種核材料的輻照加工，生產醫用放射性同位素（如鉬-99）。目前NRC 已完成了對SHINE 最終安全分析報告的評價。

根據美國法規NUREG-1537，第1 部分第3.4 節要求，非動力反應堆的抗震設計至少應符合當地建筑規范和其他適用標準。NRC 工作人員使用核管制委員會認可的模型和方法進行了概率地震危險性分析（PSHA）。SHINE 抗震設計使用了2008 年美國地質調查局（USGS）的結果來確定現場的地震危險和安全停堆地震（SSE）。除了審查SHINE 申請和美國地質勘探局的結果，NRC 工作人員結合現場地質信息的PSHA，開發了抗震設計分類為SDC-3和SDC-4 的統一地震危險譜，并根據ASCE/SEI 43-05 的指導進行計算。結果表明，對于SDC-4 類設施，SHINE 以顯著的裕度包絡了大于0.6 HZ的所有頻率，SDC-3 的裕度更大。

5 結論和建議

本文描述了基于風險指引和性能目標的抗震設計方法。在考慮SSC 的風險重要性、安全功能和其他綜合決策過程的情況下，選擇抗震設計分類和極限狀態。通過兩個調研實例說明了基于風險指引和性能目標的抗震設計方法在研究堆上的應用，為我國研究堆確定合理的抗震設計輸入提供參考。

最新版ASCE 43-19 是ASCE 43-05 的替代版本，不同版本對抗震設計分類對應的地震危險超越概率和確定設計基準地震的計算方法不同，使用時需注意相關標準規范的版本問題。