CN108009722B - 一种知风险的核设施可靠性评价系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种知风险的核设施可靠性评价系统及方法，系统由概率安全目标制定模块、专家判断模块、可靠性数据管理模块、概率风险评价模型建模模块、可靠性指标分配模块、系统风险评价模块6个部分组成。本发明通过制定并调整核设施的概率安全目标，并结合核设施的概率风险评价模型、当前可靠性数据及工业制造水平以及专家经验，将该目标分配到核设施的不同部件的可靠性参数上，从而制定核设施不同部件的可靠性指标，基于上述信息提出核设施部件可靠性要求，为核设施的设计、运行维护方案提供技术依据，为核设施的制造提出指标要求。本发明能够针对核设施的安全水平，精准、合理地提出核设施不同部件可靠性的改进要求，提升核设施安全水平。

Description

一种知风险的核设施可靠性评价系统及方法

技术领域

本发明涉及核设施风险评价及可靠性分析领域，特别是涉及一种知风险的核设施可靠性评价系统及方法。

背景技术

核设施在发生核事故时可能会释放放射性核素，通常规定核设施发生特定事故后果(如发生堆芯熔化)或释放一定剂量(如2天内厂区边界剂量不超过10mSv)放射性核素的频率不能超过特定值，该值通常被成为核设施的概率安全目标。概率安全目标是衡量核设施是否足够安全的重要指标，反映了核设施在各种假想事故下的风险可接受水平。因此对与在运或者新建核设施，监管当局会要求其概率安全目标须满足一定限值。

核设施系统/设备的可靠性是确保其安全运行的重要保障，通常需要对核设施进行可靠性评价，并针对薄弱环节给出提升可靠性的改进方案。而影响系统可靠性的一个重要因素是系统/设备组成部件的可靠性，部件可靠性往往由工业技术水平及制造水平决定的。核设施在长期运行过程中会积累大量失效数据，此外部件生产厂家也会开展可靠性试验，这些可靠性数据代表当前工业水平下部件的可靠性水平。提升关键部件的可靠性对于提升核设施系统/设备可靠性十分关键，最终影响核设施整体安全水平，开展可靠性评价是定量评估核设施系统/设备可靠性水平并找出其薄弱环节的重要手段。

当前核设施可靠性评价方法往往仅从提升可靠性的角度开展评估工作，没有与安全目标充分耦合。然而不同部件可靠性的提升对核设施整体安全水平提升的重要性或敏感程度不同，而提升部件可靠性需要一定的成本，特别是对于商用核设施而言，需要综合考虑安全性与经济性的综合效益。通过知风险的核设施可靠性评价方法，可以针对核设施安全水平，并兼顾当前工业制造水平，合理的分配核设施部件的可靠性指标，通过可靠性指标对核设施不同部件的可靠性提出不同的要求，既可以有效提升核设施的整体安全水平，也可以避免盲目提升所有部件可靠性而导致的经济性低下、浪费资源的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种知风险的核设施可靠性评价系统及方法，能够针对核设施的安全水平，精准、合理地提出核设施不同部件可靠性的改进要求，以尽可能小的成本代价针对性的提升核设施安全水平。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种知风险的核设施可靠性评价系统，其包括：

(1)概率安全目标制定模块，用于输入核设施类别、功率、尺寸参数以及风险评估结果，并在专家判断模块的辅助下，制定、调整核设施的概率安全目标，为可靠性指标分配模块提供输入参数；

(2)专家判断模块，用于识别核设施主要性能参数，采集核设施部件工业制造水平，修正风险评估结果，辅助概率安全目标制定模块制定核设施概率安全目标；

(3)可靠性数据管理模块，用于采集、新增、删除、编辑、查询核设施部件可靠性参数，为可靠性指标分配模块提供输入参数；

(4)概率风险评价模型建模模块，用于构建基于部件可靠性参数的核设施概率风险评价模型，建立核设施概率安全目标与部件可靠性参数之间的关联关系，为可靠性指标分配模块提供数学模型；

(5)可靠性指标分配模块，用于分解核设施概率安全目标，将核设施概率安全目标通过概率风险评价模型以可靠性参数的形式分解到部件；

(6)系统风险评价模块，用于根据可靠性指标分配模块分配的部件可靠性指标评估核设施整体风险水平，并将该风险水平反馈到概率安全目标制定模块，为概率安全目标的调整提供输入参数。

在本发明一个较佳实施例中，所述可靠性指标分配模块的具体实施过程为：

(1)根据O₂/O₁确定分配的比例系数I，其中O₁为核设施概率安全目标，O₂是根据核设施概率风险评价模型及部件可靠性参数计算得到的核设施引发危害剂量的频率；

(2)按照等比例分配原则，将所有部件的可靠性参数乘以比例系数I，从而得到新的部件可靠性指标；

(3)对部件所分配的新的可靠性指标进行调整。

进一步的，在步骤(3)中，对部件所分配的新的可靠性指标调整遵循以下原则：RISC-2级的比例系数>RISC-4级的比例系数>RISC-1级的比例系数>RISC-3级的比例系数；机械类部件的比例系数>电气类系统的比例系数；部件的比例系数按照工业的成熟程度而降低；

其中，RISC-1、RISC-2、RISC-3、RISC-4代表部件的安全等级，RISC-1表示该部件本身属于安全相关且割集重要度FV>0.005或风险增加当量RAW>2；RISC-2表示该部件本身属于非安全相关且FV>0.005或RAW>2；RISC-3表示该部件本身属于安全相关但FV<0.005且RAW<2；RISC-4表示该部件本身属于非安全相关但FV<0.005且RAW<2。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种知风险的核设施可靠性评价系统的评价方法，包括以下步骤：

(1)根据核设施的类别、功率、尺寸参数，通过概率安全目标制定模块确定初始的概率安全目标；

(2)采集核设施当前部件的可靠性参数，构建核设施的概率风险评价模型，通过可靠性指标分配模块将初始概率安全目标分配到各部件，得到该部件的可靠性指标；

(3)根据当前分配的部件可靠性指标，对核设施整体风险水平进行评价，通过系统风险评价模块得到概率风险评价量化结果；

(4)将概率风险评价量化结果与初始概率安全目标进行对标，并结合专家经验和核设施部件工业制造水平，修正初始概率安全目标；

(5)重复(2)—(4)步骤，直到概率安全目标满足，根据部件可靠性指标评估的核设施整体风险水平与概率安全目标的差距在概率安全目标的0.1％—1％范围之内；

(6)将得到的核设施部件可靠性指标与当前可靠性参数进行对比分析，给出提升核设施可靠性改进策略及建议措施。

进一步的，所述核设施的概率风险评价模型包括核设施的事件树模型及故障树模型。

本发明的有益效果是：本发明采用建模模块、可靠性指标分配模块、系统风险评价模块建立核设施可靠性评价系统，与现有技术相比具有以下优点：

(1)能够直接针对核设施的安全水平，精准地提出核设施不同部件可靠性的改进要求，将核设施的可靠性评价工作与核设施安全无缝耦合，以尽可能小的成本代价针对性的提升核设施安全水平；

(2)将概率安全目标分配给核设施各个部件过程中，充分利用核设施的概率风险评价模型分析得到的部件重要度信息对部件进行分级，并充分考虑当前工业水平，因此制定的部件可靠性指标要求更加合理、科学。

附图说明

图1是本发明所述知风险的核设施可靠性评价系统一较佳实施例的结构框图；

图2是所述可靠性指标分配模块的实施流程图；

图3是本发明所述知风险的核设施可靠性评价方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅图1，本发明实施例包括：

一种知风险的核设施可靠性评价系统包括如下6个模块：

(1)概率安全目标制定模块，制定核设施概率安全目标需满足如下两个基本原则：第一，对紧邻核设施的正常个体成员来说，由于核辐射事故所导致立即死亡的风险不应该超过社会成员所面对的其它事故所导致的急性死亡风险总和的千分之一；第二，对核设施临近区域的人口来说，由于核设施运行所导致的晚期癌症死亡风险不应该超过其它原因所导致癌症死亡风险总和的千分之一。对于在运核电厂而言，堆芯损坏频率小于10^-4/堆年，或早期大量放射性释放频率小于10^-5/堆年；对于新建核电厂而言，堆芯损坏频率小于10^-5/堆年，或早期大量放射性释放频率小于10^-6/堆年；对于研究堆、实验堆、乏燃料后处理厂等其他核设施而言，参照上述原则，在没有堆芯的情况下采用放射性释放量化指标，如特定核素的活度(如200TBq¹³⁷Cs)、堆芯特定核素的份额(如1800MWt沸水堆137Cs堆芯存积量的1％)、不可接受的放射性后果、安全壳失效等，同时后果越严重的允许发生概率越宽松，通常在10^-7—10^-5/堆年。对于上述指标均难以确定的核设施而言，如聚变堆、加速器等，采用更加宽泛的健康风险指标，如放射性释放的个人死亡风险，可接受水平通常为10^-6～10^-4/年。根据该目标分配各部件可靠性指标后，得到其整体风险水平，若小于10^-5/堆年，则可以适度调低目标值，若大于10^-5/堆年，则适度调高目标值。

(2)专家判断模块，采集各国概率安全目标，建成概率安全目标基础数据库，如下表1至表3展示的部分数据实例；综合考虑核设施所在国的核工业制造水平及社会对核设施的公众接受度，同时对核设施的固有安全特性及主要性能参数进行综合考虑，并赋予不同的修正因子，以降低概率安全目标值，从而提高安全要求。针对我国核工业制造水平及公众接受度，修正因子依次设置为0.8和0.95，对于固有安全性较好的先进堆型，修正因子根据其固有安全特性的程度设为0.1—1之间，如铅基堆具有常压运行、化学惰性好等特点，在设置概率安全目标的过程中可以新增修正因子设为0.5；对于其他主要参数，如小型10MW低功率反应堆，可以新增修正因子0.1。

表1堆芯损坏频率汇总

表2大量放射性释放准则汇总

表3公众个人死亡风险定量指标

(3)可靠性数据管理模块，采集聚变堆、裂变堆及通用部件可靠性数据，并配备可靠性数据管理系统，用于新增、删除、编辑、查询核设施部件可靠性参数；

(4)概率风险评价模型建模模块，确定核设施的始发事件清单，选取可能导致核设施堆芯损坏的始发事件，设为IE1，IE2，…，IEn，分析这些事件的发展进程并建立相应的事件树模型，从而分析可能导致危害剂量的事故序列的后果和频率；对事件树模型中涉及到的安全系统及相应支持系统进行分析并建立相应的故障树模型，设为FT1，FT2，…，FTm。

(5)可靠性指标分配模块，用于分解核设施概率安全目标，将核设施概率安全目标通过概率风险评价模型以可靠性参数的形式分解到部件，其实施过程如图2所示：(a)根据O₂/O₁确定分配的比例系数I，其中O₁为核设施概率安全目标，O₂是根据核设施概率风险评价模型及部件可靠性参数计算得到的核设施引发危害剂量的频率；(b)按照等比例分配原则，将所有部件的可靠性参数乘以比例系数I，从而得到新的部件可靠性指标；(c)对部件所分配的新的可靠性指标进行调整，调整遵循以下原则：RISC-2级的比例系数>RISC-4级的比例系数>RISC-1级的比例系数>RISC-3级的比例系数；考虑到部件的种类以及现行的工业水平，机械类部件的比例系数>电气类系统的比例系数；部件的比例系数按照工业的成熟程度而降低；其中，RISC-1、RISC-2、RISC-3、RISC-4代表部件的安全等级，RISC-1表示该部件本身属于安全相关且割集重要度FV>0.005或风险增加当量RAW>2；RISC-2表示该部件本身属于非安全相关且FV>0.005或RAW>2；RISC-3表示该部件本身属于安全相关但FV<0.005且RAW<2；RISC-4表示该部件本身属于非安全相关但FV<0.005且RAW<2。

(6)系统风险评价模块，用于评估核设施整体风险水平，分析核设施各系统的失效模式及概率、不同部件的割集重要度(FV)及风险增加当量(RAW)，并根据这些信息将部件的安全等级分为RISC-1、RISC-2、RISC-3、RISC-4等4个等级；根据核设施概率风险评价模型及部件可靠性参数计算得到的核设施引发危害剂量的频率O₂，O₂的计算公式为

其中n为核设施事故序列个数，S_i代表第i个事故序列的发生频率；S_i的计算公式为

其中m为第i事故序列故障树分析得到的最小割集个数，F_MCS，j代表序列中第j个割集的发生频率；F_MCS，j的计算公示为

其中X为第j个割集内包含的部件个数，F_i代表第i个事故序列的始发事件，E_k代表第k个部件的失效概率。

如图3所示，基于知风险的核设施可靠性评价系统的可靠性评价方法流程如下：

(1)运行概率安全目标确定模块，根据核设施的类别、功率、尺寸参数，确定初始的概率安全目标，如针对一个新建的1000MW热功率的正常尺寸压水堆，初次确定其概率安全目标为堆芯损坏频率小于10^-5/堆年；对于某小型铅基低功率反应堆，运行专家判断模块，其概率安全目标可以设置为堆芯损坏频率小于0.8×0.95×0.5×0.1×10^-5/堆年＝3.8×10^-7/堆年，即O₁＝3.8×10^-7/堆年。

(2)运行可靠性数据管理模块，采集核设施当前部件的可靠性参数，运行概率风险评价模型建模模块，构建核设施的概率风险评价模型，包括事件树模型及故障树模型，运行系统风险评价模块得到某小型铅基低功率反应堆堆芯损坏频率O₂＝8.88×10^-7/堆年，根据上述输入数据运行可靠性指标分配模块，得到I＝2.34，将初始概率安全目标分配到各部件，形成该部件的可靠性指标；

(3)根据当前分配的部件可靠性指标，运行系统风险评价模块，对核设施整体风险水平进行再次评价，得到概率风险评价量化结果，即某小型铅基低功率反应堆堆芯损坏频率O₂＝1.68×10^-7/堆年，并将该风险水平反馈到概率安全目标制定模块，为概率安全目标的调整提供输入参数；

(4)将概率风险评价量化结果与初始概率安全目标进行对标，并结合专家经验和核设施部件工业制造水平，修正初始概率安全目标，通过第一轮分析，初次概率安全目标制定过于苛刻，应对其进行下调，下调后的概率安全目标为O₁＝3.6×10^-7/堆年；

(5)重复(2)—(4)步骤，直到概率安全目标满足，根据部件可靠性指标评估的核设施整体风险水平与概率安全目标的差距在概率安全目标的0.1％-1％范围之内，最后一次评估得到的某小型铅基低功率反应堆堆芯损坏频率O₂＝3.64×10^-7/堆年，概率安全目标为O₁＝3.65×10^-7/堆年，(O₂-O₁)/O₁＝0.27％在0.1％-1％范围之内，符合终止条件。

(6)将得到的核设施部件可靠性指标与当前可靠性参数进行对比分析，给出提升核设施可靠性改进策略及建议措施，如蒸汽发生器管道的可靠性应当提升1.5倍，区域辐射监测仪表的可靠性无需提升。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种知风险的核设施可靠性评价系统，其特征在于，系统包括：

（1）概率安全目标制定模块，用于输入核设施类别、功率、尺寸参数以及风险评估结果，并在专家判断模块的辅助下，制定、调整核设施的概率安全目标，为可靠性指标分配模块提供输入参数；

（2）专家判断模块，用于识别核设施主要性能参数，包括核设施的类别、功率、尺寸参数，采集核设施部件工业制造水平，修正风险评估结果，辅助概率安全目标制定模块制定核设施概率安全目标；

（3）可靠性数据管理模块，用于采集、新增、删除、编辑、查询核设施部件可靠性参数，为可靠性指标分配模块提供输入参数；

（4）概率风险评价模型建模模块，用于构建基于部件可靠性参数的核设施概率风险评价模型，建立核设施概率安全目标与部件可靠性参数之间的关联关系，为可靠性指标分配模块提供数学模型；

（5）可靠性指标分配模块，用于分解核设施概率安全目标，将核设施概率安全目标通过概率风险评价模型以可靠性参数的形式分解到部件；

（6）系统风险评价模块，用于根据可靠性指标分配模块分配的部件可靠性指标评估核设施整体风险水平，并将该风险水平反馈到概率安全目标制定模块，为概率安全目标的调整提供输入参数。

2.根据权利要求1所述的知风险的核设施可靠性评价系统，其特征在于，所述可靠性指标分配模块的具体实施过程为：

（1）根据

确定分配的比例系数I，其中

为核设施概率安全目标，

是根据核设施概率风险评价模型及部件可靠性参数计算得到的核设施引发危害剂量的频率；

（2）按照等比例分配原则，将所有部件的可靠性参数乘以比例系数I，从而得到新的部件可靠性指标；

（3）对部件所分配的新的可靠性指标进行调整。

3.根据权利要求2所述的知风险的核设施可靠性评价系统，其特征在于，在步骤（3）中，对部件所分配的新的可靠性指标调整遵循以下原则：RISC-2级的比例系数>RISC-4级的比例系数>RISC-1级的比例系数>RISC-3级的比例系数；机械类部件的比例系数>电气类系统的比例系数；部件的比例系数按照工业的成熟程度而降低；

其中，RISC-1、RISC-2、RISC-3、RISC-4代表部件的安全等级，RISC-1表示该部件本身属于安全相关且割集重要度FV>0.005或风险增加当量RAW>2；RISC-2表示该部件本身属于非安全相关且FV>0.005或RAW>2；RISC-3表示该部件本身属于安全相关但FV<0.005且RAW<2；RISC-4表示该部件本身属于非安全相关但FV<0.005且RAW<2。

4.根据权利要求1或2所述的知风险的核设施可靠性评价系统，其特征在于，所述核设施的概率风险评价模型包括核设施的事件树模型及故障树模型。

5.基于权利要求1所述的知风险的核设施可靠性评价系统的评价方法，包括以下步骤：

（1）根据核设施的类别、功率、尺寸参数，通过概率安全目标制定模块确定初始的概率安全目标；

（2）采集核设施当前部件的可靠性参数，构建核设施的概率风险评价模型，通过可靠性指标分配模块将初始概率安全目标分配到各部件，得到该部件的可靠性指标；

（3）根据当前分配的部件可靠性指标，对核设施整体风险水平进行评价，通过系统风险评价模块得到概率风险评价量化结果；

（4）将概率风险评价量化结果与初始概率安全目标进行对标，并结合专家经验和核设施部件工业制造水平，修正初始概率安全目标；

（5）重复（2）—（4）步骤，直到概率安全目标满足，根据部件可靠性指标评估的核设施整体风险水平与概率安全目标的差距在概率安全目标的0.1%—1%范围之内；

（6）将得到的核设施部件可靠性指标与当前可靠性参数进行对比分析，给出提升核设施可靠性改进策略及建议措施。

6.根据权利要求5所述的评价方法，其特征在于，所述核设施的概率风险评价模型包括核设施的事件树模型及故障树模型。

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