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核电厂防火设计进展分析

时间:2021-01-07 16:27:42    

来源:《今日消防》杂志    

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   责任编辑:xfj119

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核电厂防火设计进展分析

  摘要:核电厂消防安全是核电安全的重要内容之一,随着世界范围内核电厂的安全标准日趋严格,防火设计技术需要随之不断的进步和创新。本文介绍了核电防火设计的内容及防火设计分析的现状,并结合核电防火设计的发展要求提出今后核电厂火灾概率安全分析研究的重点内容,以进一步完善火灾概率安全分析水平。
 
  关键词:核电厂;防火;安全

  作者简介:蔡雨玺  北京市消防救援总队
 
  1 引言
 
  积极推进核电建设是我国能源建设的一项重要政策,作为技术成熟、可大规模应用的非化石能源,积极发展核电对于保障我国能源需求、调整能源结构、应对气候变化和环境保护具有重要意义。核电厂在运行过程中,其反应堆堆芯燃料经裂变后会产生大量放射性物质。这些放射性物质一经泄露,会对周边环境造成不利影响。因此,在核能的和平利用过程中,安全性是业内及公众共同关心的话题。根据大量的核电厂概率安全分析(Probability Safety Assessment,PSA)研究表明:传统压水堆核电厂由火灾导致的堆芯损坏概率(Core Damage Frequency,CDF)占到全部CDF的20%以上[1];根据美国M&M保险咨询公司统计,核电厂火灾损失占到总损失的90%[1]。火灾已成为核电厂安全最现实和最直接的威胁之一,如何保障核电厂的消防安全,优化核电消防设计的安全性和经济性,是核电厂消防设计最为重要的研究课题[2],因此有必要跟踪了解世界上先进的核电厂防火设计方法及趋势,研究并使之服务于我国核电消防。
 
  2 核电厂防火目的及内容
 
  核电厂运行过程中最大的潜在危险是放射性物质的外泄。由于放射性物质中包含有长周期寿命的放射性核素,因此放射性物质外泄,其危害将超出核电厂区域,给周边较大范围的环境造成持续性的影响。因此,核电厂防火设计中,最重要的目标是防止火灾带来的危害导致的堆芯损毁乃至放射性物质的外泄。
 
  根据《核电厂防火》(HAD 102/11)中的规定,核电厂防火的目的为:在符合其他核安全要求的情况下,核电厂的构筑物、系统和部件的设计、布置,应尽可能降低由于外部或内部事件而引起火灾的可能性,将火灾的影响降至最低,以实现如下三个方面:(1)确保工作人员人身安全;(2)保证安全功能的实现;(3)限制那些由火灾引起的使设备长期不可用的损坏事故发生。
 
  为保障核电厂消防安全目标,核电设计在工程实践中形成了纵深防御的设计基本原则,从火灾预防、火灾探测到灭火三个方面的设计中,均考虑了预防共模失效的方案,即将执行同一安全功能的两个设备或系统,采用实体或空间隔离的方法,放置在不同的防火区,防止由于火灾蔓延导致两个设备或系统同时损坏,进而影响其安全功能的执行[3-4]。
 
  设置防火分区预防设备或系统共模失效的设计方案是纵深防御原则最重要的体现,实践证明,这种设计方案大大加强并保障了核电厂的防火安全,但随之而来的是核电厂建设及维护成本的上升。要实现核电的大规模发展,发挥核电在我国能源结构调整中的重要作用,在保证核电安全的情况下,必须要兼顾到核电的经济性。因此,在目前核电厂防火安全的基础上,需要研究进一步优化防火设计,以提高核电厂的经济性。
 
  3 核电厂防火设计分析
 
  核电厂消防的纵深防御原则,防火分区或隔离方案的设置,来源于《核电厂防火(HAD102/11)》中关于核电厂火灾危害性分析的要求。在核电工程项目中,在完成核电防火设计后,需要开展核电厂的火灾危害性分析,对其中的防火薄弱环节进行分析,以检验核电厂防火设计的完善性。通过对核电厂的火灾危害性分析,用于确定所需的防火屏障耐火能力,并且提供必要能力的火灾探测系统和灭火系统。火灾危害性分析实际上成为判断核电厂防火设计及防火措施是否合理的依据,因此,火灾危害性分析过程中,其使用的分析方法对核电厂防火设计的优化改进至关重要。
 
  长期以来,国内业界在火灾危害性分析方面,主要以确定论方法分析为主。随着人们对概率论方法的深入研究,概率安全评价方法的价值逐步得到认同,火灾的风险分析也从采用确定论方法逐步过渡到采用确定论为主、概率论辅助相结合的方法。确定论分析方法与概率论分析方法,其区别在于对问题分析的假设不同。其主要区别包括以下几个方面,在核电厂起火的可能性上,确定论分析方法是假定预定区域有火灾发生,但不考虑起火源项;而概率论分析方法中,通过基于通用或者特定电厂的经验,评估特定区域的火灾概率。在防火系统的分析上,确定论分析方法认为防火系统只要满足运行和安装要求即可使用,概率论分析方法考虑了自动和手动火灾探测和灭火系统的随机故障,同时考虑屏障部件发生故障的概率。在设备可用性方面,确定论分析方法假设火灾区域的设备均不可用,火灾会被防火分区的屏障或灭火系统限制,而不在防火分区的设备则均可使用;概率论分析方法是使用火灾模型来确定设备的破坏程度,并且考虑未受火灾影响的部件将会发生与火灾破坏性相一致的随机故障。在人员操作方面,确定论分析方法假设操纵员在火灾发生后能直接按照程序要求在最小时间内完成相应操作;概率论分析方法考虑了操纵员在压力情况下出现错误的可能性。
 
  从以上两种方法的分析基础来看,确定论分析方法主要是定性的分析了火灾可能对核电厂安全造成哪些潜在的危害,但没有阐述这些可能性的大小。这样,以确定论为基础的核电厂火灾危害分析最后给出的结果不是风险值,而是定性地做出防火安全措施是否恰当的评价,同时也满足对核电消防的审查要求。概率论分析方法在分析中增加了各个环节及事项不同的可能性,考虑了实际中可能存在的各种情况,从概念设计上比确定论更接近实际情况。同时,在概率论分析中,使用了大量的信息源并提供了风险关系来讨论各区域的重要性和不确定性,在确定火灾在核电厂不同区域发生的相对重要性方面是非常有用的,可用于指导核电厂防火设计及防火措施的重点。因此,在概率论逐步发展起来后,更受到核电消防者的关注,也成为核电消防的前沿热点和重点。
 
  概率论分析方法中考虑了核电消防中各个环节及事项的不同可能性,由此带来在实际操作中的困难主要有两个方面,一是分析计算的内容多且计算量大;二是各种不同事项发生可能性的大小难于确定。为妥善解决这些困难,核电消防工作者开展了大量的研究,目前,走在核电火灾概率安全分析研究前列的是美国,美国从上世纪70年代开始开展核电火灾概率安全分析研究,经过多年的研究积累,逐步形成了一套火灾概率安全分析研究的方法,并在总结研究经验基础上,于2005年颁布了《核电厂的火灾概率风险评价方法》(NUREG/CR-6850)。在NUREG/CR-6850方法中,为核电厂火灾概率安全分析的提供了一个合理的框架来直接考虑火灾事故下复杂的现象,并在其参考文献中提供了大量可借鉴的概率分析数据,用于分析讨论区域的重要性和不确定性。鉴于NUREG/CR-6850方法具有技术先进及可操作性强的优点,因此,国内业界工作者均选择了该方法进行研究,并已逐步应用于核电厂的风险控制、先进反应堆的设计开发、识别常见的防火问题并确定优先级等。
 
  4 核电厂概率安全分析研究及进展分析
 
  在NUREG/CR-6850方法的一般分析过程中,其主要步骤包括:确定分析边界和分区,需考虑的部件(设备)选择,起火频率分析,火灾建模及迭代分析,电缆失效分析,人因可靠性分析,到最后火灾风险定量化。火灾概率安全分析是一项循序渐进的工作,开始时需要考虑大量的场景,但是在考虑并发的任务后需要对特定的任务进行精简,因此它的分析过程是反复进行的,并且需要采用广泛应用的筛选技术将分析资源集中在最重要的场景中,所以在研究应用NUREG/CR-6850方法中仍需要对分析范围和场景进行优化,以确保适当的整体分析范围及与研究目标的一致性。
 
  在起火频率、电缆失效分析、人因可靠性分析方面,目前尚缺乏足够数据,NUREG/CR-6850方法是通过借鉴其他相近行业的概率分析数据进行应用,但毕竟不是核电厂本身的运行经验数据,相关源项及部件(设备)的概率分析数据仍然要在核电厂运行经验的基础上进一步积累或对相关行业分析数据进行验证。
 
  在概率安全分析中,火灾情景的详细分析是最核心的一环,但目前尚未对起火源项的火灾分析模型形成统一的标准,在《轻水反应堆发电厂防火装置性能化消防标准》(NFPA 805)中对火灾模型的一般要求是“火灾模型经过检验和确认”以及“只有经过相关权威部门认可的火灾模型才可用于火灾模拟计算中”。经研究及实践表明,在特定情况下,模型假设的变化会使评估火灾导致的核电厂发生严重事故的概率发生变化,由于数据的缺乏,目前很多研究中没有考虑不确定性,普遍使用保守的模型,但是保守的程度并不清楚,这些缺陷需要在进一步的研究和发展中加以改进。随着计算机仿真技术的发展,目前火灾模拟仿真计算发展迅速,并可将最新的分析工具应用到仿真计算中,提高分析计算精度,为火灾灾害分析提供更详细的信息。
 
  5 结语
 
  核电厂消防安全是核电厂安全的重要内容之一,核电消防经过多年的研究及实践,形成了纵深防御的设计原则,并且通过防火分区设置的手段防止用于控制核安全相关冗余系统的共模失效,很好地保障了核电厂的消防安全。随着世界范围内核电厂的安全标准日趋严格,防火设计技术仍然需要不断的进步和创新,在保障安全的基础上,进一步优化消防设计以提高核电厂的经济性是当前核电防火设计研究的重点。火灾危害性分析作为判断核电厂防火设计及防火措施是否合理的依据,其分析方法对核电厂防火设计的优化改进至关重要。火灾概率安全分析因可用于寻找核电厂特定的薄弱环节并识别相关潜在改进措施而成为核电厂防火设计的主要发展方向,进一步优化核电防火概率安全分析过程及规范完善火灾模型将成为核电防火设计工作者今后一段时间内的主要研究内容。
 
  参考文献:
 
  [1]宫宇,依岩,柴国旱.核电厂火灾PSA方法浅析[J].核安全,2012,3:75-77.
  [2]胡小民.核电厂火灾概率安全评价方法研究[D].上海:上海交通大学,2009.
  [3]王乐,陈闽烽,陈琳.核电厂火灾共模点处理方法与成果[J].科技创新与应用,2013,18:50.
  [4]胡亚蕾.核电防火[J].科技创新导报,2010,11:216.

 
此文刊发于《今日消防》2020年12月刊
相关关键词: 消防论文