堆芯事故冷却系统

　　堆芯事故冷却系统是为了对付失去冷却水事故而采取的安全措施。为确保反应堆及其冷却剂系统系统能正常启动、运行和关闭，在堆芯冷却系统或冷却剂系统出现故障时，反应堆应即停闭。停堆后由备用应急冷却系统将活性区的剩余热量带出，此系统称为堆芯事故冷却系统。此系统中的高压贮水罐能自动向堆芯榷柱加硼水， 并有大流量的低厂万泵使堆芯处于水淹没状态。

　　失水事故中紧急堆芯冷却系统可靠性分析

　　基于 GO-FLOW法的失水事故中紧急堆芯冷却系统可靠性分析

　　紧急堆芯冷却系统(ECCS)是压水反应堆的一重要的安全保障系统 ,在压水反应堆发生失水事故(LOCA)后 ,当一回路系统压力降到一定值时 ,会启动 ECCS 确保堆芯得到有效冷却。ECCS 系统启动后 , 会做出不同的响应来完成其在不同阶段的任务 ,在这一动态过程中其可靠性也表现出明显的动态特性。这种明显的动态性使得研究在失水事故中 ECCS 的可靠性成为一个较困难的问题。

　　传统分析系统可靠性的方法有故障树法(FTA)和事件树法(ETA)。FTA/ETA 在系统可靠性分析中应用非常广泛 ,但它本质上是一种静态分析方法, 在处理时间 、过程量、人因等方面存在明显弱点和局限性, 难以解决系统安全性的动态特性问题。

　　GO-FLOW法是一新的概率风险评价方法,它能够处理时间相关性问题,以紧凑的方式处理阶段任务问题。一复杂的阶段任务分析问题能使用简单的GO-FLOW模型完成 ,且经简单运算,得到与时间相关的系统可用度 ,从而得到系统在各个时间点上的风险。GO-FLOW法已应用于船用反应堆设备冷却水系统(CCWS)的可靠性分析。

　　GO-FLOW法的基本原理

　　GO-FLOW法采用图形演绎的方式,以成功作为系统的导向,根据部件系统的功能选择相应的GO-FLOW运算符直接将系统的原理图转换为模型图,并计算系统各种状态发生的概率。GO-FLOW法的主要步骤是建立GO-FLOW图和进行GO-FLOW运算。为对系统建模,定义了10类常用的运算符(图1)。运算符的类型序号通常大于20,目的是区别GO法中的运算符类型。

　　GO-FLOW运算符的功能不同于GO法中的运算符,因GO-FLOW中的信号的含义完全不同于GO法。GO-FLOW中的信号用来描述物理变量、时间及信息,而GO法中信号用来表示状态的发生或改变。

　　ECCS的 GO-FLOW法可靠性分析

　　ECCS由3个水源、2个水泵、1个换热器和各种阀门组成。ECCS的原理图示于图2。ECCS系统的功能为:当一回路管道或设备发生破损事故(即失水事故)时,向反应堆堆芯注入一定流量的冷却水,以阻止堆芯熔化,确保反应堆的安全。

　　在应用GO-FLOW法对ECCS进行建模分析时,首先需根据系统的工作原理定义时间点。表1为LOCA发生后对ECCS的时间点的定义。

　　由图1、表1绘出其GO-FLOW图(图3)。图3中,3个水源用代表单信号发生器的类型25操作符表示,各部件的控制信号也由类型25操作符表示;控制阀A、B、D、E、F、H属于有开关动作的阀门,用类型39操作符表示;控制阀C、G、I是常闭阀门,用类型27操作符表示;止回阀和滤网属于两状态元件,用类型21操作符表示;两台泵既属于常闭元件也是随时间失效的工作元件,故用类型26和35操作符表示;需注意的是,类型35操作符的次输入信号是两个时间点间的时间间隔,因此,编号为8和10的信号发生器表示两个时间点间的间隔;换热器是随时间失效的工作元件,用类型35元件表示。

　　对运行的可修系统,设部件的故障率为λ,修复率为μ,初始状态P(0)=则每个部件的成功概率为:

　　P(t)=μ/λ+μ -[μ-(μ+λ)]/μ+λ

　　exp[ -(μ+λ)t] (1)

　　由式(1)可求出部件在不同时间点的成功概率。然后根据ECCS的GO-FLOW图,结合表2列出的可靠性数据,可求出ECCS在不同时间点上的成功概率。GO-FLOW方法的运算过程是从信号发生器开始,沿信号线序列,按运算规则,逐个对操作符计算输出信号在所有时间点的强度,直到最终信号。注意在计算31号和35号操作符后的信号时要按共有信号的计算方法进行计算。结果列于表3。

　　结论

　　图4示出了LOCA下的ECCS的故障概率随时间的变化。

　　从图4可看出,在LOCA发生后,ECCS的故障概率随时间变化较大,且4个变化过程中有3个均是系统故障概率随时间而上升,而从时间点4到5的过程,系统的故障概率随时间降低,这是因为在时间点5,系统的2个水源同时启用,且2台泵同时工作,这种并联冗余的结构大幅提高了ECCS的可靠性。因此,若想进一步提高ECCS的可靠性可通过增加该系统中关键部件的冗余度的途径。

　　总结应用GO-FLOW法分析系统可靠性的步骤为:

　　1)对系统的结构、运行流程和工作原理进行分析,作出其原理图;

　　2)根据系统的工作原理定义时间点;

　　3)根据原理图和系统中部件的特性选择合适的GO-FLOW操作符对系统进行GO-FLOW建模;

　　4)根据GO-FLOW法运算规则对系统在每一时间的成功概率进行计算;

　　5)计算结果的分析。

　　应用GO-FLOW法分析了压水堆ECCS的发生LOCA事故时的动态可靠性,计算结果表明,在LOCA发生后,ECCS的可靠性会随时间发生较大变化,而GO-FLOW法能较好的分析计算动态系统的可靠性,是一种有效实用的可靠性分析方法。1

　　本词条内容贡献者为:

　　张静 - 副教授 - 西南大学