中国实验快堆一回路冷阱工艺间钠火概率安全评价

宋 维，胡文军，钱鸿涛，付陟玮，左嘉旭,*

(1.环境保护部 核与辐射安全中心，北京 100082；2.中国原子能科学研究院，北京 102413)

中国实验快堆一回路冷阱工艺间钠火概率安全评价

宋 维1，胡文军2，钱鸿涛1，付陟玮1，左嘉旭1,*

(1.环境保护部 核与辐射安全中心，北京 100082；2.中国原子能科学研究院，北京 102413)

本文运用事件树方法对中国实验快堆一回路冷阱工艺间发生钠火后的事故场景进行演绎分析，运用故障树方法对钠火相关系统进行可靠性建模。在此基础上计算得到各钠火事故序列的条件发生概率。结果表明：在获得的25个典型钠火事故序列中，19个序列的条件发生概率较低；在发生概率相对较高的6个序列中，4个序列的后果轻微，其余两个序列代表的钠火场景存在一定不确定性，需要在今后的钠火危险性评价中进一步具体研究。

中国实验快堆；一回路冷阱工艺间；钠火；概率安全评价

钠火事故是钠冷快堆的特有事故类型之一，钠火事故评价是快堆安全分析的重要内容。目前对快堆钠火事故的分析主要以工程评价及确定论分析方法为主。随着概率安全评价(PSA)方法研究和在核电厂中的应用逐步广泛和深入，钠火概率安全评价方法势必会成为钠冷快堆技术发展中的重要安全评价工具和手段。

中国实验快堆(CEFR)是我国第一座快中子反应堆，其中有多个假设始发事件可能导致钠火事故，如主容器泄漏、一回路管道泄漏或断裂、二回路管道泄漏或断裂等[1]。钠冷快堆一回路由于放射性钠的存在，其钠火事故对于核安全具有极其重要的意义。本文选择CEFR一回路冷阱工艺间为对象，使用事件树方法进行钠火场景演绎和事故序列分析，使用故障树方法进行各钠火防护系统的可靠性评价，从而完成该房间的钠火概率安全评价，获得各钠火事故序列的条件失效概率。

1 CEFR一回路冷阱工艺间

CEFR一回路冷阱工艺间是一回路钠净化系统冷阱和省热器所在的房间，是主容器之外的一回路钠重要设备的所在之地，也是钠火消防关注的重点位置之一。一回路净化系统利用杂质在钠中含量随着温度降低而下降的原理，净化一回路冷却剂钠中的氧化物、氢化物等杂质和通过辐照产生的放射性物质，确保冷却剂的流动和热量的传输，维护反应堆的安全运行[2]。如果一回路冷阱工艺间内发生管道断裂或设备泄漏，可能造成反应堆主容器内的冷却剂钠大量外泄，危及反应堆的安全。另外，由于一回路冷却剂钠具有放射性，大量放射性钠外泄可能造成环境的放射性污染。

CEFR一回路冷阱工艺间的钠火防火设计采用纵深防御的设计理念。对于已发生的钠泄漏和钠火事故，设置了多样化的探测装置，时刻监测涉钠设备的泄漏和钠火事故的发生；在一回路钠引出管主管路与堆容器的接口处采用双道自动快速截止阀串联设计，并在截止阀到堆池之间管段采用双层壁；引出管池内部分采用了非能动的破坏虹吸装置；房间地面设置漏钠接收盘，抑制钠火燃烧；设置氮气淹没系统，制造惰性气体环境，减少钠的氧化反应等。为了减轻钠火燃烧造成的后果，工艺间混凝土表面采用全部钢覆面加绝热层的结构，以防止混凝土结构受到钠的侵蚀与火灾高温的损害；在设备布置上，采取功能隔离和实体隔离措施，以保证设备的独立性，从而防止钠火事故的扩大；为防止放射性的不可控释放，一回路钠工艺间设置有正常通风和事故排烟系统，使含有钠气溶胶及放射性的空气经过事故排烟过滤后再排放到大气中[3]。

2 钠火场景事件树演绎分析

本文运用事件树的方法对CEFR一回路冷阱工艺间发生钠火事故的场景进行演绎分析，梳理可能发生的事故序列。本次建模中使用的事件树建模假设如下：1) 事故序列模拟不考虑非能动的虹吸破坏装置的失效；2) 不考虑非能动的漏钠接收盘的失效。

本文以“CEFR一回路冷阱工艺间发生钠泄漏”为始发事件，建立的事件树模型如图1所示。

3 钠火防护系统可靠性评价

经过事件树演绎可知：CEFR一回路冷阱工艺间钠火事故中有钠火探测系统、钠净化管道隔离系统、房间正常通风系统、房间事故排烟系统及氮气淹没系统等5个系统需要投入。本文运用故障树的方法对这5个系统进行可靠性评价，为最终事故序列发生概率的计算提供输入。

3.1 钠火探测系统

钠火探测系统对一回路钠净化系统冷阱工艺间进行连续监测，并提供火灾报警信号。该房间设置了3个感烟探测器及1个感温探测器，在其所有钠管道和设备上的三通、阀门和焊缝部位均设计有接触式钠泄漏探测器。除此之外，在一回路钠工艺间还设置了两套钠气溶胶放射性监测系统，一套直接监测排风管内排风气体的剂量率，一套监测取样回路中过滤器内安装的过滤布上的剂量率。上述探测器仅以三取二的感烟探测器信号作为自动控制的输入信号，其他探测器的信号只作为火灾辅助显示，以判断感烟探测器报警信号的正确性[4]。

本次建模将感烟探测器作为自动触发钠火消防动作的信号，而在烟雾探测失效时，操纵员可根据温度探测器、钠泄漏探测器及排风管道内的放射性探测器给出报警信号，手动触发消防动作。根据钠火场景事件树演绎结果，最终确定两棵钠火探测系统的故障树，对应为事件树题头事件“钠火探测系统发出火灾报警信号”的输入，其顶事件分别为：1) 消防系统自动触发信号失效，操纵员手动触发消防动作；2) 钠火监测系统全部失效。对应故障树的主要结构如图2～5所示。

图2 探测系统故障树1Fig.2 No.1 fault tree of detection system

3.2 一回路钠净化管道隔离系统

一回路钠净化系统进出主容器管道上的4个核级阀门构成了一回路钠净化系统两条管道的双重隔离装置，是钠冷却剂流出主容器的唯一出口。一回路冷阱工艺间发生火灾时，每个探测区的报警信号根据三取二逻辑输出联动控制信号，自动关闭4个核级阀门。另外，一回路冷阱工艺间的上、下游管道分别设置了1台依靠手动操作的隔离阀，如果自动隔离失效，操纵员可手动把冷阱工艺间上、下游的钠阀关闭，防止向该房间泄漏更多的钠，限制钠火事故规模[2]。

当艏吃水大于艉吃水时，即吃水差为正值时，船舶为艏倾（Trim by bow）；当艏吃水小于艉吃水时，即吃水差为负值，船舶为艉倾（Trim by stern）；当艏吃水等于艉吃水时，即吃水差为零，船舶为平浮（Even keel）。

本次建模确定一回路钠净化管道隔离系统的故障树顶事件为：一回路钠净化系统隔离阀未能关闭，一回路钠持续泄漏。其主要故障树的结构如图6所示。

图3 探测系统故障树2Fig.3 No.2 fault tree of detection system

3.3 正常通风系统

一回路钠工艺间是放射性严格控制区，设计中为这些工艺间装备了独立换气的进、排风系统。反应堆正常运行时，一回路冷阱工艺间的放射性水平在限值以内，反应堆厂房正常通风系统运行。送风系统与房间通过串联两个防火阀和1个余压阀连接，在负压的作用下为房间送气。房间内空气通过排风系统从房间内直接排出，在排风管穿过房间隔断结构之处装有串联的两个防火阀[5]。防火阀自身元件故障、执行机构及其传动部分的故障、控制电路故障、电机启动失效均将导致防火阀的关动作失败。

本次建模确定该系统故障树的顶事件为：正常通风系统任意阀门未能关闭。其故障树的主要结构如图7所示。

图4 烟雾探测系统故障树Fig.4 Fault tree of smoke detection system

图5 放射性探测系统故障树Fig.5 Fault tree of radiation detection system

3.4 事故排烟系统

核岛厂房的事故排烟系统可避免由钠火事故造成的房间正压导致的放射性气溶胶外逸，并能减缓由于火灾产生的瞬间气体压力对围护结构的冲击，同时对钠火产生的放射性烟雾进行两级净化处理，将排放到大气的放射性剂量水平控制在规定的限值以内。钠火事故排烟系统启动运行可通过两条渠道：一条为主动式，由钠工艺房间内设置的4类钠火灾探测系统发出报警信号，自动打开排烟系统防火阀，联动启动事故排烟系统运行；另一条为被动式，通过钠火房间送排风道上70 ℃防火阀熔断关闭，联锁打开该房间排烟防火阀，联动启动事故排烟系统运行[5]。

图6 钠泄漏隔离系统故障树Fig.6 Fault tree of sodium leakage isolation system

图7 正常通风系统故障树Fig.7 Fault tree of normal ventilation system

本次建模为事故排烟系统建立两棵故障树，对应为事件树题头事件“事故排烟系统打开”的两个输入，顶事件分别为：1) 事故排烟系统未能完成排烟动作；2) 事故排烟钠气溶胶过滤失效。其对应故障树的主要结构如图8、9所示。

3.5 氮气淹没系统

房间内发生大量钠泄漏时，氮气淹没系统的两台电动隔离阀打开并向房间注入氮气，用氮气将燃烧钠淹没覆盖，使其与空气隔绝，从而使钠火因窒息而熄灭。该系统两台隔离阀任一台打开即可满足设计要求，因此确定本系统故障树顶事件为：氮气淹没系统投入失效。其主要故障树模型的结构如图10所示。

4 钠火场景定量化评价

在完成了钠火相关系统的故障树建模后，使用事件树-故障树连接方法建立事件树模型和故障树模型间的联系。其中题头事件“钠火探测系统发出报警信号”设置两个输入，分支1的输入为故障树“消防系统自动触发信号失效，操纵员手动触发消防动作”，分支2的输入为故障树“钠火监测系统全部失效”；题头事件“事故排烟系统打开”设置两个输入，分支1的输入为故障树“事故排烟系统未能完成排烟功能”，分支2的输入为故障树“事故排烟系统气溶胶过滤功能失效”；其余题头事件为单一输入，分别对应各自系统的故障树。

图8 事故排烟系统故障树1Fig.8 No.1 fault tree of exhaust system

经过对CEFR一回路冷阱工艺间钠火场景的事件树演绎分析，共获得25个事故序列，并对各事故序列进行定量化计算。

图9 事故排烟系统故障树2Fig.9 No.2 fault tree of exhaust system

图10 氮气淹没系统故障树Fig.10 Fault tree of nitrogen injection system

4.1 钠火场景定量化评价结果

本次计算主要针对在房间发生钠火事故后，由于消防系统的不同状态而导致的不同钠火场景的条件发生概率。将建立的事件树和故障树模型连接后，进行事故序列的定量计算，除去事故序列1为设计工况外，其余序列的条件发生概率列于表1。

表1 事故序列的条件发生概率Table 1 Conditional occurrence probabilities of accident sequences

4.2 关键钠火场景事故序列描述及分析

上述25个钠火事故序列中，事故序列1为设计工况，其余事故序列中，序列2、3、4、7和13的条件发生概率大于10-6。在此对CEFR一回路冷阱工艺间钠火消防设计工况事故序列进行描述，并对发生概率相对较大的事故序列的后果进行初步分析。

如果各系统能够按照设计功能正常动作，则钠火事故将按照序列1的描述发展：CEFR一回路冷阱工艺间钠管道发生泄漏，由于钠火燃烧产生大量烟雾从而触发至少两个感烟探测器，发出钠火事故报警信号，并由控制系统自动关闭一回路钠净化系统堆本体进出口管段上的4个核级阀门。同时，关闭正常通风系统与该房间连接的送风管道和排风管道上的隔离阀门，并联动打开事故排烟系统，使含有放射性钠气溶胶的室内空气经过过滤净化后排放至大气。此后，操纵员根据事故进展和报警提示，手动投入氮气淹没系统进一步缓解事故。

对于事故序列2～4这类一回路钠净化管道隔离阀能正常关闭的事故序列，泄漏发生后5 s内即可产生泄漏信号并传送到执行机构，再用11 s截止阀关闭。在此过程中共排钠42.4 kg。由于泄漏出的钠总量较小，泄漏时间较短，假设所有泄漏出的钠全部燃烧尽，气溶胶释放至厂外。这种情况下，对厂区周围放射性的后果进行计算，得到最大个人剂量为0.29 mSv，低于0.5 mSv的设计基准事故限值，因此对核安全不会构成重大威胁[6]。

事故序列7描述的钠火事故中，CEFR一回路冷阱工艺间钠管道发生泄漏，由于钠火燃烧产生大量烟雾从而触发至少两个感烟探测器，发出钠火事故报警信号，但控制系统无法关闭一回路钠净化系统管道上的阀门，造成一回路钠的持续泄漏和燃烧。此时，正常通风系统与房间连接的送风管道和排风管道上的隔离阀门关闭，并联动打开事故排烟系统，使含有放射性钠气溶胶的室内空气经过过滤净化后排放至大气。此后，操纵员根据事故进展和报警提示，手动投入氮气淹没系统进一步缓解事故。该事故序列钠火燃烧时间由钠泄漏停止时间和氮气起作用时间决定。事故序列7由于其未能对泄漏点进行有效隔离，液态钠将持续泄漏，并由于氮气淹没系统的投入使得钠火的燃烧时间存在很大的不确定性。

事故序列13描述的钠火事故中，CEFR一回路冷阱工艺间钠管道发生泄漏，由于两个以上感烟探测器故障，探测系统未能自动触发消防系统动作；其后操纵员根据房间温度信号、钠泄漏探测信号和排风管道放射性气溶胶监测信号判断出发生钠火事故，并手动触发保护动作，其后事故动作与事故序列1相似。该事故序列需要操纵员通过信号判断发生钠火及手动采取后续动作，消防系统的缓解动作投入时间将延长，因此相对于事故序列2～4，事故序列13可能导致钠的泄漏量和放射性释放有所增加。

5 结论

本文针对CEFR一回路冷阱工艺间进行了钠火概率安全评价，使用事件树方法演绎分析得到25个钠火事故序列，并分别完成钠火相关的钠火探测系统、钠净化管道隔离系统、房间正常通风系统、房间事故排烟系统及氮气淹没系统等5个系统的故障树建模。在此基础上，计算得到了各钠火事故序列的条件发生概率，并对典型的钠火场景进行了描述。计算结果表明：25个事故序列中19个序列的发生概率较低，而在发生概率相对较高的6个序列中，4个序列的后果轻微，其余两个序列代表的钠火场景存在一定不确定性，需在今后的钠火危险性评价中进一步具体分析。

[1] 冯预恒，任丽霞，张志伟，等. 中国实验快堆最终安全分析报告[R]. 北京：中国原子能科学研究院中国实验快堆工程部，2008.

[2] 杜海鸥，俞晓琛. 中国实验快堆一回路钠净化系统手册[R]. 北京：中国原子能科学研究院中国实验快堆工程部，2003.

[3] 张东辉，任丽霞. 快堆安全分析[M]. 北京：中国原子能出版传媒有限公司，2011.

[4] 申凤阳，徐斌，杜海鸥，等. 中国实验快堆火灾危害性分析报告[R]. 北京：中国原子能科学研究院中国实验快堆工程部，2009.

[5] 叶宪洲，杜海鸥. 中国实验快堆反应堆厂房通风系统[R]. 北京：中国原子能科学研究院中国实验快堆工程部，2003.

[6] 张东辉. 中国实验快堆一次钠泄漏防御的改进及其效果分析[C]∥第六届全国新堆与研究堆学术会议. [出版地不详]：[出版者不详]，2006.

Sodium Fire Probabilistic Safety Assessment of Primary Cold Trap Room for China Experimental Fast Reactor

SONG Wei1, HU Wen-jun2, QIAN Hong-tao1, FU Zhi-wei1, ZUO Jia-xu1,*

(1.NuclearandRadiationSafetyCenter,MinistryofEnvironmentalProtection,Beijing100082,China;2.ChinaInstituteofAtomicEnergy,Beijing102413,China)

The sodium fire scenarios after the fire was ignited in primary cold trap room of China Experimental Fast Reactor were deduced using event tree method. The systems related to the accident were modeled using fault tree method. Thereby, the conditional occurrence probabilities of all sodium fire sequences were calculated. The results show that 25 typical sodium fire accident sequences are obtained in total, and 19 sequences have lower probabilities of occurrence. Among the 6 sequences with relatively higher probabilities, 4 sequences cause minor consequences, and the remaining 2 sequences require a detailed hazard evaluation in the next work because of the uncertainty.

China Experimental Fast Reactor; primary cold trap room; sodium fire; probabilistic safety assessment

2014-06-10;

2014-11-17

宋 维(1982—)，男，河北井陉人，工程师，硕士，从事核电厂概率安全评价研究

*通信作者：左嘉旭，E-mail: zuojiaxu@chinansc.cn

TL364.5

A

1000-6931(2015)10-1804-07

10.7538/yzk.2015.49.10.1804