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 1.4 PSA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 6.1 PSA中的事件模型 6.2 相关失效分析 6.3人可靠性分析 6.4 PSA分析软件和数据库 6.5 PSA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 7.1 PSA发展趋势 7.2 PSA研究成果 7.3 PSA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（Probabilistic Safety Analysis, 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（deterministic compliance culture）向风险通报安全文化(risk-informed safety culture)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ath connecttype="rect" gradientshapeok="t" extrusionok="f">核电站概率安全分析讲义 - 超哥 - 核电日志ath>

pi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