核电厂外部水淹PSA分析

王　飞，徐志新，段　枫

核电厂外部水淹PSA分析

王飞，徐志新，段枫

（中广核工程有限公司核电安全监控技术与装备国家重点实验室，广东 深圳 518124）

在福岛核事故后，国内对超设计基准的灾害尤为关注，核电厂应具备足够的裕量应对超设计基准灾害。而外部水淹是重要的外部灾害之一。目前关于超设计基准外部水淹的风险评价仍在研究中，国内外尚无成熟统一的风险评价方法。本文基于国内外调研和工程实践，开发了一套适用于核电厂外部水淹概率安全分析（PSA）的方法，并基于某核电厂开展外部水淹PSA的风险分析，以识别核电厂外部水淹防护设计的薄弱项，优化核电厂外部水淹的防护设计。

概率安全分析；
外部水淹；
风险评价

随着全球气候变暖，近年来极端超强外部灾害频繁发生，比如海啸、洪水、飓风等极端外部自然灾害，这些灾害的危害可能会超出人类已有的认知水平，极有可能威胁核电厂的安全。然而，核电厂防御外部灾害的设计措施一贯被认为已足够保守，在核电厂寿期内几乎不可能被超越。但上述事件的发生不断地提醒人们，超设计基准外部灾害可能引发严重事故，给核电厂带来灾难性的后果。而外部水淹是可能威胁核电厂安全的重要外部灾害之一。

在福岛核事故后，国内外逐渐重视超设计基准灾害可能给核电厂带来的风险，特别是外部水淹。例如美国国家核管理局发布了《外部水淹整体评估导则》[1]，用于指导核电厂外部水淹整体评估，并要求对水淹发生风险较高的电厂进行外部水淹整体评估。欧盟委员会决定对欧盟范围内的所有核电厂开展全面的风险评估，外部水淹风险评估是重点工作之一。国家核安全局下发了《福岛核事故后核电厂改进行动通用技术要求》[2]，要求确定适当的超设计基准水淹场景，复核厂区排洪能力，评估厂区积水高度，根据评估结果采取防水淹措施，防止厂区积水不受控制地进入安全重要厂房。

目前关于超设计基准外部水淹的风险评价仍在研究中，国内外尚无成熟统一的风险评价方法。国内关于外部水淹的风险研究较少，主要有滨海核电厂两种超设计基准外部水淹工况的研究[3]，以及外部水淹事故对核电厂安全影响分析[4]，这些研究主要针对外部水淹情景开展定性分析，没有系统性地从外部水淹来源开始，全面开展核电厂外部水淹定量风险分析。国外关于外部水淹的风险研究，主要有J.L.Brinkman等人[5]提出了采用现实的外部水淹情景模化方法开展外部水淹风险评估，这些方法只是外部水淹风险评估中某些技术要素的现实分析，需要采用专业软件进行模拟及相关的统计数据。Amine Ben Daoued等人[6]研究了多种水淹现象叠加的频率评估方法及应用，以便更加现实地反映多种水淹现象叠加的频率。其他国外的研究主要关于海啸和风暴潮发生频率的评估[7-11]。以上国内的研究主要关注外部水淹的定性影响分析，国外的研究主要关注某些技术要素的研究，尚未开展系统性的外部水淹概率安全分析（PSA）。

因此，基于以上国内外调研和工程实践，本文开发了一套适用于核电厂外部水淹PSA的分析方法，并基于某核电厂开展外部水淹PSA的风险分析，以识别核电厂外部水淹防护设计的薄弱项，优化核电厂外部水淹的防护设计。

本文基于国内外标准和规范要求（ASME/ ANS RA-Sb—2013第8部分中关于外部水淹概率安全分析（PSA）的开展要求[12]，IAEA SSG-3中开展外部灾害分析的相关建议[13]），以及国外关于开展外部水淹PSA的相关经验，开发了一套适用于核电厂的外部水淹PSA的分析方法，分析流程如图1所示。

图1　外部水淹PSA分析流程

该方法从外部水淹PSA分析所需的信息收集开始，对厂址区域的水淹进行识别和筛选，确定外部水淹水位，并开展不同外部水淹水位的影响分析，基于影响分析结果，构建外部水淹PSA模型，对外部水淹风险进行定量化，最后得到定量化结果和风险见解。

本文基于某核电厂开展外部水淹PSA分析，假设厂址厂坪标高7.4 m（±0.00 m），厂址外围堤坝高度9.6 m（+2.20 m）。

2.1　信息收集

外部水淹PSA分析需收集的信息包括：设计基准降雨值；
设计基准洪水位；
防水门和密封贯穿件的设计基准防水淹高度；
电厂针对不同水淹源的设计基准信息；
电厂的厂坪标高；
电厂外围的岸堤高度；
电厂周围的标高；
厂房和构筑物的室内地面标高；
厂房内水淹分区的布置信息；
厂房内系统的布置信息；
厂房内设备的布置信息；
构筑物边界上的门和贯穿件的布置信息；
水淹源的信息；
厂址的排水系统的设计和布置信息等。

2.2　外部水淹源的识别

为了获得完整的外部水淹源的清单，外部水淹源的识别步骤如下：

（1）参考国际上认可的法规、标准和导则，获得通用的外部水淹源清单；

（2）为保证外部水淹源清单的完整，基于特定厂址的信息，对外部水淹源通用清单进行复核。

此外，除了以上单一外部水淹源的识别，叠加的外部水淹源也可能对电厂造成风险，因此叠加的外部水淹源需识别。

叠加的外部水淹源的识别原则如下：

（1）基于未被筛选的外部水淹源清单，采用矩阵组合形式，识别两种外部水淹源的叠加，这些叠加的外部水淹源类型包括：后果类型的水淹源叠加（类型Q）、相关类型的水淹源叠加（类型C），以及独立类型的水淹源叠加（类型I）；

（2）基于矩阵组合的叠加结果，采用工程经验识别三个及以上的外部水淹源叠加。

比如，本文参考了ASME/ANS RA-Sb— 2013[12]，IAEA SSG-3[13]，西欧核监管协会（WENRA）导则文件[15, 16]，以及国外的工程经验，得到外部水淹源的通用清单，如表1所示。

表1　外部水淹源通用清单

表2提供了采用矩阵组合形式的水淹源叠加示例。

参照表2形式的水淹源叠加示例，可以开展完整的水淹源叠加组合识别，并结合核电厂实际的厂址特征和工程经验，能够识别潜在的水淹源叠加情景。

表2　水淹源叠加示例

本文中潜在的叠加外部水淹源包括：高潮位叠加极端降雨、风引起的波浪叠加极端降雨、风暴潮叠加极端降雨、高潮位叠加风暴潮，以及高潮位和风暴潮叠加风引起的波浪。

2.3　外部水淹源的筛选

外部水淹是一种外部灾害，外部水淹源的筛选准则参照外部灾害的筛选准则进行筛选[14]，满足以下筛选准则中任意一条可以作为筛除外部水淹源的合理依据：

（1）准则1：该事件不适用于分析的厂址；

（2）准则2：该事件的潜在危害等同或小于电厂设计对外部事件的抵抗能力；

（3）准则3：该事件发生位置距电厂较远，不足以对电厂造成影响；

（4）准则4：该事件已经包含在另一事件的定义中；

（5）准则5：该事件发展缓慢，并且可以证明有足够的时间排除危险源或者采取措施使电厂不会受到该事件的影响。

表3提供了外部水淹源筛选分析的示例。

表3　外部水淹源的筛选分析示例

2.4　外部水淹水位的确定

当外部水淹发生，水淹水可能通过电厂不同的开口进入厂房内部，由于这些开口布置的不同，可能存在不同的水淹水位下水能够进入不同的厂房，因此，需根据核电厂的开口布置信息，以及设计基准信息，确定不同的外部水淹水位，以便针对不同的外语水淹水位开展影响分析。本文中的外部水淹水位是指厂址发生外部水淹可能造成不同影响的外部水淹水位高度，该水位可以发生在任何的外部水淹水位区间，也就是不同外部水淹情景下可能达到的外部水淹水位高度。

为了便于区分不同的外部水淹水位区间对核电厂造成的不同影响，有必要确定用于划分外部水淹水位区间的重要外部水淹水位，这些重要的外部水淹水位确定涵盖如下几类：

（1）最低水位的确定：厂址地面被水淹是外部水淹的开始，因此厂址地面是最低的水淹水位；

（2）中间水位的确定：随着水淹水位的升高，水淹在超过一些厂房的地面高度时，这些厂房可能被水淹，则这些厂房的地面高度是某个中间水位；
当水淹水位再进一步升高，可能水淹通过一些未封堵的孔洞或贯穿件进入厂房，则这些未封堵的孔洞或贯穿件的最低高度是某个中间水位；

（3）最高水位的确定：当水淹水位超过电厂设计的能够抵御水淹的极限高度时，比如电厂水密门的防水淹的设计高度，密封贯穿件的防水淹设计高度等。根据这类防水淹物项的设计高度，确定电厂防水淹的最高水位，也就是电厂可承受的外部水淹水位的极限高度。

以上三类水位只是重要的外部水淹水位的类别代表，具体的水位划分需结合电厂的设计情况确定。

本文以某两个中间水位为例，开展外部水淹水位的确定研究，如表4所示。

当外部水淹水位低于和高于中间水位1或中间水位2，存在两种不同的外部水淹情景，这两种情景对核电厂的影响也不相同，因此，这类中间水位需识别并确定。

表4　外部水淹水位确定示例

2.5　外部水淹的影响分析

基于以上的外部水淹水位，确定不同的外部水淹水位区间。并根据这些外部水淹水位区间，以及厂房、水淹分区、系统和设备的布置信息，开展外部水淹的影响分析。

外部水淹的影响分析涵盖安全相关厂房以及与电厂运行和事故缓解相关的厂房。通过厂房的布置信息，门、贯穿件和孔洞的布置信息，识别在不同水淹水位区间中被水淹影响的厂房，水淹分区、系统和设备。基于这些系统和设备的失效，判断引起的内部始发事件，可能在同一水淹水位区间能够引起不同的内部始发事件，此时选取在这个水淹水位区间中后果最严重的内部始发事件作为该水淹水位区间的后果，同时识别出被水淹影响的设备清单。通过这些分析，能够得到不同水淹水位区间的包络性后果，以及被影响的设备清单。

在开展外部水淹的影响分析时，假设厂房边界上的水密门处于关闭状态；
当水进入厂房后，保守假设厂房内水淹水位以下的所有设备均失效。

本文以水位区间（中间水位1～中间水位2：+0.80 m≤水位＜+1.00 m）为例，研究外部水淹对核电厂的具体影响。当极端降雨发生在这个水位区间，水将通过额外冷却水和消防水厂房的风机安装孔洞进入该厂房，导致该厂房+1.00 m以下的设备均失效，即导致额外冷却水系统丧失，该系统丧失不会影响机组运行，但是能够影响事故缓解；
此外，在这个水位区间，非安全厂房由于没有设置水密门，水将进入这些厂房，比如，汽轮机厂房地面高度+0.30 m，当水位高度高于+0.30 m，水将进入该厂房并影响厂房内相关系统和设备，可能导致二回路瞬态事故；
主变和辅变平台+0.35 m，当水位高度高于+0.35 m，水将进入该平台，可能影响主变和辅变的正常功能，进而导致丧失厂外电源。

因此，对于+0.80 m≤水位＜+1.00 m这个水位区间，除了这个水位区间特有的影响需要考虑外，其水位高度+0.80 m以下更低的水位区间的影响也需要被考虑，最终这个水位区间的影响需涵盖所有累积的影响。

根据工程经验，由于丧失厂外电源情况下，所有缓解系统的正常电力供应丧失，缓解系统只能由柴油发电机供电，这种事故情景相比瞬态更加严重，因此，选取丧失厂外电源作为该水位区间的包络性始发事件，并且在事故缓解过程中需考虑额外冷却水系统不可用。

2.6　外部水淹水位的定量化

外部水淹水位的定量化包括：危险性分析、易损度分析，构建电厂响应模型。

2.6.1危险性分析

筛选保留的水淹源需开展危险性分析，评估水淹源的发生频率。频率评估采用特定厂址或厂址所在区域的水淹源数据。根据外部水淹的不同来源，分为：厂址内的外部水淹和厂址外的外部水淹。厂址内的外部水淹主要是极端降雨；
厂址外的外部水淹主要是来自海域的水淹，比如风暴潮、海啸等。

对于厂址内的外部水淹，频率评估基于特定厂址的极端降雨数据，以及确定的外部水淹水位，计算这些水位下的超越频率，并根据这些水位的超越频率，计算水位区间的频率。

对于厂址外的外部水淹，频率评估基于特定厂址的水文数据，以及确定的外部水淹水位，计算这些水位下的超越频率，并根据这些水位的超越频率，计算水位区间的频率。

本文以水位区间（中间水位1～中间水位2：+0.80 m≤水位＜+1.00 m）为例，基于极值理论开展厂址内水淹（极端降雨，见图2）和厂址外水淹（海水位，见图3）的危险性分析。

图2中数据是本文所参考厂址的24小时内极端降雨数据。根据图2，超越+0.80 m的极端降雨发生频率为1.50×10-7/a，超越+1.00 m的极端降雨发生频率为4.00×10-8/a，则该水淹区间（+0.80 m～+1.00 m）发生极端降雨的频率为1.10×10-7/a。这个频率数据采用电厂24小时（与PSA模型任务时间保持一致）内的累积降雨深度，没有考虑电厂排水、渗透、蒸发等因素，因此这个频率数据是较为保守的数据。如果外部水淹的评价结果中，降雨的风险占主导或者相对突出，这部分数据需考虑电厂的排水等因素，以降低其保守性。

图3中数据是本文所参考厂址的潮汐增水和风暴潮增水叠加后的极端海水位数据。根据图 3，超越+0.80 m的海水位发生频率为6.82×10-6/a，超越+1.00 m的海水位发生频率为3.68×10-6/a，则该水淹区间（+0.80～+1.00 m）发生海水水淹的频率为3.14×10-6/a。这个频率数据是考虑潮汐增水和风暴潮增水叠加后的海水位的频率数据，这个叠加水位相比波浪的持续时间较长，可以考虑为相对的静态水位，而波浪引起的增水则是相对动态的水位。

图2　极端降雨的超越频率

图3　海水位的超越频率

在核电厂的堤坝设计中，除了堤坝自身的高度和坡度设计可以降低波浪的越浪率外，还将考虑防浪墙用于阻挡波浪越过堤坝，而且对于越浪引起的增水将通过电厂的排水设施排出厂外。

（1）在堤坝完整的情况下，波浪的增水可被电厂排水设施排至厂外；

（2）在堤坝损坏的情况下，极端海水位（潮汐和风暴潮）叠加波浪增水并且导致堤坝损坏，此时厂址内水位和厂址外水位一致，这种情况的发生频率已很低。

因此，极端海水位叠加波浪的增水的危险性分析不再开展详细分析。

2.6.2易损度分析

外部水淹可能损坏厂址外围的堤坝、厂房边界的水密门等完整性，并且外部水淹也可能通过厂房边界上未封堵的孔洞或贯穿件进入厂房，导致厂房内设备被水淹进而失效。对于厂址外围的堤坝、厂房边界的水密门的易损度分析，需考虑这些防护设施的失效概率。对于厂房内的设备，保守考虑外部水淹水位以下的所有设备均失效。

根据调研[5]，堤坝的失效模式主要包括：水从堤坝顶部漫过（失效模式1）、水的渗透引起堤坝结构失稳（失效模式2）、波浪侵蚀导致堤坝顶部结构损坏（失效模式3）、水压损坏堤坝的基座（失效模式4）。在某个特定的海水位下，这些故障模式都有不同的条件失效概率。比如，随着厂址外水淹水位的不断升高，失效模式1可能逐渐变为主导的失效模式。

目前，根据调研结果，尚无详细可操作的外部水淹情景下构筑物失效的易损度评估方法。本文中堤坝和水密门的易损度评估参考行业的通用数据或统计数据以均值的形式评估。比如：厂房边界上的水密门的失效概率参考NUREG/CR-4840—1990取值7.40×10-3。

2.6.3构建电厂响应模型

基于内部事件一级PSA模型构建外部水淹PSA模型，并根据外部水淹的影响分析结果、危险性分析结果、易损度分析结果，构建外部水淹前置事件树和设置边界条件。具体步骤如下：

（1）根据外部水淹的影响分析结果，能够得到不同水位区间导致的内部始发事件和受水淹影响的设备清单；

（2）根据外部水淹的危害性分析结果，能够得到不同水位区间的发生频率；

（3）根据外部水淹的易损度分析结果，能够得到水淹防护设施的失效概率；

（4）基于这些信息，构建外部水淹前置事件树，设置不同水位区间的边界条件。

对于事故缓解进程中，需识别出事故后人员操作是否受外部水淹影响，尤其是有些现场的人员操作可能受到外部水淹影响无法执行，这些事故后的人员操作需重新评估，并在外部水淹模型中反映。

本文以水位区间（中间水位1～中间水位2：+0.80 m≤水位＜+1.00 m）为例，根据不同的水淹来源建立前置事件树，包括厂址内（极端降雨）水位区间前置事件树和厂址外（海水位）水位区间前置事件树。由于两个及以上水密门或贯穿件封堵同时失效的概率极低，因此在模化过程中，只考虑单个水密门或贯穿件封堵的失效。

图4提供了厂址发生极端降雨（中间水位1～中间水位2：+0.80 m≤水位＜+1.00 m）的前置事件树，该图中列举了部分安全相关厂房的防水边界易损度分析。由于在这个水位区间下，核电厂非安全厂房由于没有设置水密门（比如电气厂房、汽轮机厂房、主变和辅变平台），水将进入这些厂房和平台导致机组瞬态和丧失厂外电源，保守考虑这个水位区间的后果是丧失厂外电源。这个水位区间影响的设备清单已在始发事件题头的边界条件中考虑，而水淹进入安全相关厂房影响的设备清单和人员失误事件在功能题头的边界条件中考虑。

图4　厂址内极端降雨的前置事件树示例

图5提供了厂址发生海水水淹（中间水位1～中间水位2：+0.80 m≤水位＜+1.00 m）的前置事件树，该图中考虑了厂址外围堤坝的易损度分析和部分安全相关厂房的防水边界易损度分析。在这个水位区间，如果厂址外围堤坝没有失效，则核电厂不会发生水淹；
如果厂址外围堤坝失效，随着厂址外的海水不断进入厂址内，首先引起厂外电源丧失，同时海水中可能存在漂浮物等其他杂物，引起取水口堵塞，最严重的后果是完全丧失冷链，因此这种情况下除了考虑是丧失厂外电源，还需考虑完全丧失冷链。这种影响将在始发事件题头的边界条件中反映。此外，随着厂址外的海水进入厂址内，其影响与厂址内极端降雨类似，可能导致安全相关厂房防水边界失效，水淹可能进入这些安全厂房内。

此外，对于图4和图5中导致的丧失厂外电源事故及引起的相关设备和人因的失效，将在转入后的内部事件一级PSA模型的丧失厂外电源事故的事件树中进一步考虑。在该事故下机组将停堆，应急柴油发电机将投运为二次侧冷却等缓解系统提供电源；
如果二次侧冷却失败，充排操作将被执行带出堆芯余热；
如果充排操作失败，堆芯余热将无法被带出，最终将导致堆芯损坏。

图5　厂址外海水水淹的前置事件树示例

2.7　定量化结果和风险见解

本文以中间水位1～中间水位2：+0.80 m≤水位＜+1.00 m为例，开展案例分析，其他水位区间的水淹情景分析和定量化结果按照示例流程逐步开展。本文中水位区间包括厂址内和厂址外。

厂址内极端降雨的水位区间包括：

（1） +0.30 m≤水位＜+0.80 m；

（2） +0.80 m≤水位＜+1.00 m；

（3） +1.00 m≤水位＜+2.30 m；

（4）水位≥+2.30 m。

厂址外极端海水位的水位区间包括：

（1） +0.30 m≤水位＜+0.80 m；

（2） +0.80 m≤水位＜+1.00 m；

（3） +1.00 m≤水位＜+2.20 m；

（4） +2.20 m≤水位＜+2.30 m；

（5）水位≥+2.30 m。

此外，当外部水淹发生在水位区间+0.00 m≤水位＜+0.30 m时，由于构筑物建立在+0.30 m及以上的平台上，水淹不会进入构筑物，因此，这个水位区间不会对电厂造成影响。

通过对以上这些水位区间采用示例中相同的分析流程，最终得到本文所分析的参考厂址的外部水淹CDF为6.04×10-9/堆年，该结果占内部事件CDF约2%。这个分析结果已足够小，因此所分析的核电厂具备良好的抵御外部水淹的设计。

针对该分析结果的风险见解如下：

（1）外部水淹风险来源主要是厂址外的水淹源，占外部水淹CDF约70%，其中核电厂堤坝的高度对外部水淹风险起决定性作用。

（2）厂址外的水淹源是外部水淹主要风险，其原因是当水淹水位超过+2.20 m，安全相关的厂房基本全部被水淹，这种情况下只有非能动余热排除系统可用于事故缓解。

（3）核电厂应建立针对外部水淹的应急响应程序，对厂址区域天气情况进行监测和预警。

（4）在外部水淹发生前，应确保厂房边界上水密门是关闭状态，以及采取临时的水淹防护措施，避免水通过厂房边界上孔洞或连接廊道的孔洞进入厂房内，尤其是额外冷却水与核岛消防水厂房+0.80 m处的孔洞和重要厂用水廊道+1.00 m的孔洞。

本文基于国内外调研和工程实践，开发了一套适用于核电厂外部水淹PSA分析的方法，并基于某核电厂开展了外部水淹PSA风险分析。分析结果表明，所分析的核电厂具备良好的抵御外部水淹的设计。通过采用本文分析方法，能够全面评估核电厂遭遇外部水淹的风险，识别出核电厂外部水淹风险的主要来源，以及外部水淹防护设计中的薄弱项，为核电厂优化外部水淹防护设计和制定应急响应程序提供指引。

［1］ U.S. Nuclear Regulatory Commission. Guidance for Performing the Integrated Assessment for External Flooding［R］．2012．

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［16］ WENRA．Guidance Document Issue T：Natural Hazards Head Document［R］．2015．

External Flooding PSA for Nuclear Power Plant

WANG Fei，XU Zhixin，DUAN Feng

（State Key Laboratory of Nuclear Power Safety Monitoring Technology and Equipment，China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd，Shenzhen of Guangdong Prov.518124，China）

After the Fukushima accident, China has paid special attention to hazards beyond design basis. Nuclear power plant should have sufficient margin to deal with hazards beyond design basis. Among them, external flooding is one of the external hazards with important risks. At present, the risk assessment of external flooding beyond design basis is still under study, and there is no mature and unified risk assessment method at domestic and abroad. Based on domestic and foreign studies and engineering practices, this paper develops the methodology of external flooding probability safety analysis (PSA), and applies it to the risk assessment of external flooding for a certain nuclear power plant, identifies the weak items and optimizes the protection design against external flooding.

Probability safety analysis; External flooding; Risk estimation

TL364.5

A

0258-0918（2022）06-1383-09

2021-10-31

科技部重点研发计划“风险指引的安全裕度特性分析技术研究课题”（2018YFB1900304）

王 飞（1989—），男，江苏宿迁人，工程师，硕士，现从事核电厂概率安全分析相关研究