核电站概率安全分析讲义

核电站概率安全分析讲义目录第1章概述1.1风险的概念1.2风险评价1.3概率风险评价（PSA）技术的发展历程1.4PSA技术的展望1.5思考题第2章数学知识2.1概率论及数理统计2.2布尔代数2.3思考题第3章可靠性工程基础3.1可靠性基本概念3.2失效过程的可靠性特征量3.3修复过程的可靠性特征量3.4生命全过程的可靠性特征量3.5思考题第4章核电站安全原理4.1核反应堆的潜在风险及核安全的概念4.2降低核反应堆潜在风险的措施4.3核反应堆安全设施和安全功能4.4核反应堆安全评价4.5思考题第5章核电站概率安全分析5.1核电站PSA概述5.2初因事件分析5.3核电站模型及事件树分析5.4系统模型及故障树分析5.5事故序列定量分析5.6思考题第6章PSA分析中的其它问题6.1PSA中的事件模型6.2相关失效分析6.3人可靠性分析6.4PSA分析软件和数据库6.5PSA中的不确定性分析6.6思考题第7章PSA发展趋势及其应用7.1PSA发展趋势7.2PSA研究成果7.3PSA应用7.4思考题前言核能的发展和和平利用是20世纪科技史上最杰出的成就之一。人类今天已拥有大规模利用核能的能力，核电站的发展相当迅速，已被公认为一种经济、安全、可靠、干净的能源。到上世纪末，在全世界31个国家和地区已有438台核电机组在运行，总装机容量达到约351Gwe，约占发电总量的16%。研究堆作为强大有效的中子源，其用途更加广泛，可用来进行基础研究，生产军用、医用和工业用等各种放射性同位素，或对生物、种子等多种物质进行辐照，或开展中子活化分析、中子照相及中子治癌等各种应用，已成为科研、工业、农业、医学中重要的设施。为了应对人口及经济增长，人类对能源和电力需求提出了巨大挑战，与化石能源相比，由于核能在世界能源平衡中具有的独特优势，许多有识之士预测核能将扮演越来越重要的角色，核能对于优化能源结构、促进能源多元化、提高能源安全和能源资源的合理利用以及保护环境具有不可替代的作用。中国要实施可持续发展战略，到2020年全面实现小康社会，能源安全保障是重要支撑条件之一，而加快发展核电这一重要替代能源是保持我国社会经济与资源环境平衡和谐的战略选择。为此，确定了能源战略要求是：降低燃煤发电比重，提高水电和核电的比重；能源发展的基本方针是：大力开发水电，优化发展煤电，适度发展核电，积极发展天然气发电，加快新能源发电；能源发展规划是：到2020年发电装机量约9亿千瓦，核电装机容量约3600万千瓦。虽然从上个世纪八十年代初我国的核电开始起步，目前已经初步形成了一定规模的核电工业基础，取得了很大的成绩，到“十五”末，我国将有11台机组，总装机容量870万千瓦，占全国发电总装机容量约1.6%。如要实现上述核电规划，就意味着在15年左右的时间内，我国每年平均建设投产约200万千瓦，平均每年投产2台百万千瓦级的核电机组。我国核电迎来了新的发展机遇，有着令人鼓舞的发展空间。尽管如此，核反应堆毕竟具有巨大的潜在风险，主要风险来自于事故工况下不可控的放射性物质释放。如何减少由于这种释放对工作人员、居民和环境所造成的危害，就构成了核反应堆的特殊安全问题，称为核安全。核反应堆的事故不但会影响其本身，而且会波及周围环境，甚至会越出国界。核反应堆一旦发生事故，不仅危害严重，而且还会造成重大的社会影响。因此，人们在致力于提高核能经济竞争力的同时，尤其是美国三浬岛核电站事故（1979年）和前苏联切尔诺贝利核电站事故（1986年）后，更加重视其安全性能，其中非能动安全、人的因素以及概率安全研究是比较注重和活跃的研究领域，并且取得了重大进展。概率安全分析（ProbabilisticSafetyAnalysis,简称PSA）方法是70年代以后发展起来的一种系统工程方法。它采用系统可靠性评价技术和概率风险评价技术对复杂系统的各种可能事故的发生及其进程进行全面分析，从它们的发生概率以及造成的后果综合进行考虑。由于PSA方法具有考察系统所有潜在事故、并对系统硬软件包括人进行量化，便于优化改进设计，最后对事故后果进行量化，给出便于与其他活动进行比较的风险，利于被公众接受等诸多优点，尤为重要的是，作为概率安全分析成果典范的WASH-1400成功地预示了TMI事故的全过程，而且被后来发生的切尔诺贝利核电站事故进一步证实。因此，80年代后PSA技术及其应用获得迅速发展，成为国际上美国、德国及法国等核工业大国核安全分析领域最热门研究课题之一，也是为下一代更先进、安全、经济的反应堆系统技术取得突破最有贡献的研究成果之一。目前，PSA已经从过去作为少数专家的研发工具向为大多数机构和组织（如生产、运行、管理和人员培训部门及核安全管理机构）的核安全和经济辅助决策工具转变，是核安全评价中一种标准的有效工具。核发达国家要求新建核反应堆必须提交概率安全分析报告。由于PSA技术及其研究成果的推广应用，核安全已经逐渐从确定性遵守文化（deterministiccomplianceculture）向风险通报安全文化(risk-informedsafetyculture)转变，开创了核安全文化的新纪元。国际上系统地介绍PSA技术及其应用的教科书非常少见，多为实施导则、指南或手册，国内更是如此，一直苦于没有一套好的PSA教材，这与我国将要成为世界核电大国极不相称，基于此，作者在多年PSA研究和教学的基础上，参照国际上的参考资料编写本讲义。全套讲义将分6章：概述、数学基础、可靠性工程基础、核反应堆安全原理、PSA技术及PSA应用介绍。由于作者知识浅薄，错误和不足在所难免，敬请批评指正。第1章概述本章将阐述风险的概念，简要回顾风险评价及概率安全分析（PSA）的方法及其应用的发展历程。1.1风险的概念风险（Risk）是一个具有多种含义的概念。通俗地说，可以将风险看成人们从事某种活动，在一定的时间内给人类带来的危害，与安全、危险、危害、损失、受伤、死亡、中毒及灾难等相关。安全就是指人类未受伤亡或财产未受损失的状态。危险指的是导致风险之源。风险有易引起混淆的两种定性定义。第一个定义：风险就是危害、灾难或将要面临的伤亡，即一种不是真实的而是潜在的伤害。如果危险真的发生了，就不再是风险，而是受伤、损失和死亡。第二个定义：风险就是受伤、损失和死亡的可能性、几率或概率。对风险的这种定性的理解不便于用来比较各种不同的风险，需要有一种可以作定量分析的定义，因此，我们将风险的第二种定义转化为数学描述，即风险就是事件发生的概率和事件发生后导致的后果大小之乘积。风险R（后果/单位时间）=事件概率P（事件/单位时间）´造成的后果C（后果/事件）从上式可知，风险具有双重含义，即既讲可能性又讲后果。风险可分为个人风险和社会风险两类。个人风险指的是单位时间内由于发生某一确定事件而给个人造成的伤害后果。而社会风险指的是对整个社会群体造成的后果。显然，社会风险即个人风险与该社会群体内人数的乘积。为了更好地理解风险的概念，现举有关保险和汽车车祸风险的例子。在十五世纪Genoese提出了通过分担风险以抵御灾难性损失的方法，即现代社会中保险的概念。假设投保人为N艘轮船投保，每年交保险费R/艘，如果保险公司赔偿损失为C，而且假设受损的轮船为n艘，根据收支平衡原则，以下式子成立：NR=nC因此，R=Cn/N，当N越来越大时，n/N将趋于一个值，该值称为概率，并用P表示，这样上式可以表示为：R=PC如果经统计某一年龄段人类的死亡率为1%，保险赔偿金为10000美元，那么，投保人应付的保险费至少为100美元/人年。根据统计，美国每年大约有15×106起车祸。每发生一起车祸平均损失300美元，每发生300起事故大约有1人死亡。因此，因汽车事故造成的经济损失为：15×106次事故/年×300美元/事故=4.5×109美元/年。因汽车事故造成的死亡数为：15×106次事故/年×1人死亡/300次事故=50000人死亡/年。若人口按2亿计算，则平均个人风险为：2.5×10-4死亡/人·年，0.075次事故/人·年和22.5美元/人·年。同样，可以将风险定义用于核电站。假设有大量的核电站，而且这些核电站的水平及特征是一样的，具有同样的地貌特征和安全措施，电站之间互相独立，发生事故时互不影响。那么，核电站给公众造成的风险R可以表示为：核电站概率安全分析讲义-超哥-核电日志athconnecttype=rectgradientshapeok=textrusionok=f核电站概率安全分析讲义-超哥-核电日志athpi为发生某i失效模式的事故发生频率，ci为由于发生某i失效模式事故造成的后果，N为所有失效模式的总数。可见，风险就是后果的数学期望值，如果采用保险术语来说，它就是人类社会使用某项技术或实施某项活动应付的保险费。应该说，上述有关风险的数学定义具有诸多缺憾，下面就谈谈有关风险的这方面的特性。首先，上述定义得到的风险具有不确定性，因为构成风险的两个因子：概率和后果均是通过统计、推理或专家评定得到的。为了描述其不确定性，在数学上常采用概率分布或概率密度分布来表示。PSA技术专家通过重要度、灵敏度等分析对PSA分析结果进行不确定性分析，给出构成风险的各种因素重要性排序，给出结果的置信度，给出风险的不确定性大小。另外，PSA专家不仅仅应用定量分析结果，而更多地从定性分析结果获益，如根据组成导致风险各种因素的重要度（与数据的不确定性没有关系）排序来安排检查、维修、试验的次序，确定优化设计的方向，为核电站设计、运行和维修的决策提供有益的指导。当然，PSA结果的不确定性曾经在一定程度上妨碍了人们对PSA技术及其分析结果的认同。将在第2章中描述有关不确定性的数学处理，在第5、6章描述有关PSA结果及其应用。其次，上面风险的数学定义中对风险作了线性迭加的假设。因为，从上面风险定义看，大量的后果轻的小事故和少量的后果严重的事故风险值是相等的。但是，实际上，人们总觉得在同等风险值下，少量的严重事故的社会影响要大得多。实际上，风险与社会的承受能力有关。如对于每年汽车造成50000人死亡是不足为奇的，因为每一次事故涉及的最多只是少数人死亡，但一次事故造成50000人死亡则是很难接受的。这种性质称为风险的非线性。为了考虑这种非线性，有人将风险的定义改为：R=Σciνpiν为考虑风险可接受性的修正因子，ν1，按NUREG-0739的推荐，ν取1.2。另外，除了给出事故发生频率、事故后果及风险的平均值外，还给出他们的分布，如给出后果与频率分布图。这正是国际上反核势力盛行的主要原因之一，也是为什么核电站的潜在风险如此引人关注从而导致人们非常重视对核反应堆风险的控制的原因。最后，谈谈物理上的风险与公众认识和接受的风险的关系，从风险评价结果看美国核电站的风险远低于NRC的安全目标政策和其他因素引发的风险，其他国家的评价结果也是如此，但为什么公众还不接受，国际上还存在不少反核势力？因为这种比较并未解决下列问题：风险是自然产生的还是外界强加的？风险事件仅会影响个别人还是会同时影响许多人？风险事件是导致立即死亡还是导致晚期效应（如癌症等）？风险承担者与获益者是否一致？风险与效益的关系是什么？这些问题将直接影响到人们对风险的认识和接受程度，而并不仅仅从上面数学计算值来确定是否接受或允许。因此，PSA分析者除了给出风险及其分布外，还因阐述清楚上述问题，否则，公众是不会认同的。当然，风险是否接受，还与种族、宗教、性别、年龄、国籍、职业等因素有关，还与社会生活水平和对环境要求有关，随着科学技术的进步，人类对生活水平和生活环境的要求日益提高，衡量的标准也在不断发展和变化。1.2风险评价人类在从事创造物质财富的各种活动，或谋求各种利益与方便的同时，将不可避免地受到来自各种风险的威胁。如电的利用、超音速飞机和各种机动车的使用，极大地改善了人们的生活，提高了生产效率，带来了运输上的方便。但是，触电、交通及空难事故时有发生。火力发电在给人类带来电能的同时也由于大量的CO2和SO2的排放而造成温室效应和酸雨。人们在从事各项活动时并不因为有风险的