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故障树与事件树
一开始,研究团队利用故障树作为反应堆风险计算的基础,来模拟事故进程中安全功能的失效情况(如部件故障、操作失误、外部影响等),目的是演示可能导致安全功能失效的各种原因组合。
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故障树分析又称失效树分析,是一种对复杂系统进行可靠性分析的有效方法。它采用的是演绎法,即从结果追溯到原因:功能失效置于树顶,然后从上往下,将顶事件依次分解成各级中间事件,并以适当的逻辑分支关系相连;中间层级的事件,将逐层分解直到可明确给出定量的失效率数据的底事件为止;在确定底事件发生概率的基础上,通过特定的逻辑组合,即可得到安全功能失效的概率。很显然,底事件概率(通常指部件失效率)的数据是故障树分析的重要基础,一般通过实际运行或实验等手段予以积累和收集。
简化的功能(系统、部件)故障树示例
比如,上图为一个简化的阀门故障树:为某一安全功能提供流量的管线上有阀门C,上游有两个并联的阀门A和B,并由泵输送流量;阀门C输出流量不够,要么是抵达阀门C的流量不够,要么是该阀门未打开……依次将故障分解直至底事件。
来自波音公司的故障树专家杨(Jonathan Young),带领7个反应堆专家分别对萨里(Surry)核电厂1号机组和桃花谷(Peach Bottom)核电厂2号机组建立了故障树模型,两座反应堆分别为压水堆和沸水堆,代表了当时的反应堆最新设计水平。虽然为几乎所有主要的安全相关系统都建立了故障树模型,但他们意识到,在现有的时间和资源限制下,要对整个电厂所有的故障树进行分析,将是一项极其复杂的工程。
无奈之下,拉斯缪森拍板决定利用事件树的原理来模拟事故发生的过程,以获得各种事故序列的清晰“图像”。事件树的“上场”,恰好弥补了故障树的不足,才使得概率风险评价(PRA)从可能变成现实。
事件树源于决策分析领域,考察从始发事件至最终状态的事故序列,目的是系统地获得各种事故序列的清晰“图像”。它采用的是归纳法,即从原因分析到结果:树的主干代表始发事件,分支代表安全功能的成功或失效,分支端点为该始发事件及后续事件组合的结果,代表着电厂的一种状态(堆芯完好或损坏);在每个分支点上,向上分支代表成功(或功能确保),向下分支代表失败(或功能丧失)。
简化的反应堆失水事故事件树示例
比如,上图为一个简化的失水事故序列事件树:始发事件为反应堆冷却剂系统上出现的小破口,然后依次研究顶事件,分析反应堆是否紧急停堆,高压、中压、低压应急冷却系统是否投运,最终得到堆芯是否损坏的各种事故序列。采用事件树,实际上将复杂的问题进行了简化。
概而言之,研究团队利用事件树把紧随始发事件后可能导致堆芯损坏的任一可能过程,分解成一个个独立的故障单元,直至这些故障单元的概率能够估算为止;利用故障树,来模拟这些故障单元的发生概率。
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概率风险评价
很快,另一个麻烦出现了——也是后来被批评者大肆责难的地方,由于运行经验有限,核电厂上用到的很多部件的故障率数据缺乏。于是,研究人员利用了其他工业和美国海军积累的可靠性数据,主要是一些基本部件(泵、阀等)的通用故障率。在确定部件的故障率时,还首次进行了人因失误和共因故障分析。
除了冷却剂丧失事故(LOCA)和瞬态的始发事件,研究团队还尝试估算了地震、洪水、飓风、飞机影响(未考虑飞机人为坠毁或撞击)等相关的风险。结果显示,相比于反应堆的总体风险,这些外部事件引起的堆芯损坏频率(CDF)很低。
他们总共调查了超过1000个的压水堆堆芯损坏事件序列,并把这些事件序列划分为38类通用序列。利用专门开发的计算机程序计算后果后,又被分成9个释放类别。类似地,沸水堆的事件序列被分成5个释放类别。计算得到的轻水堆堆芯损坏频率的最佳估计值为5×10-5/(堆˙年),比人们原先认为的(通常是10-6/(堆˙年))要高得多。他们认为这种变化的原因,在于反应堆堆芯损坏的风险主要来源于小破口LOCA和瞬态,而不是人们原先认为的大破口LOCA,而早期的风险计算低估甚至忽略了小破口LOCA的贡献。另外,研究人员把这种风险估计外推到1980年预期运行的100个核电机组上,得出堆芯损坏频率为5×10-3/年,即每在200年的范围内存在发生1起这样事故的可能。
在模拟了事故期间反应堆里发生的情形后,他们紧接着对放射性物质在安全壳乃至环境中的释放进行响应计算。在获知释放量后,便可估计引起的后果。事故后果分析最重要的部分,是人员受照剂量的估算和相应的致死率及健康效应。
利用1974年预计投运的68个核电厂址的气象和人口数据,研究团队估算了事故对公众的辐射健康效应,包括早期致死率(1年以内辐射照射致死)、早期患病率(需要医疗处理的人群)和长期健康效应(如多年后诱发的癌症)。另外,他们还尝试预测了严重事故带来的经济损失。
估算的结果,让人惊讶:事故后果远没有之前想象的那么严重,堆芯熔化并不必然等同于严重的事故后果,大多数堆芯熔化事故只产生中等的后果,只有很小一部分堆芯熔化情景会导致严重后果!
接下来,可能是最有争议的部分出现了:研究团队将核电厂的事故风险,与其他自然和人类活动的风险进行比较,指出核事故风险比其他工业活动风险小得多,反应堆是相当安全的。用来比较的其他事故包括地震、飓风、龙卷风、陨石雨、交通事故、飞机坠毁、爆炸、溃坝、火灾和导致有害化学物质释放的工业事故。从图中可以看出,和假设的100个运行核电厂风险最为接近的是陨石雨:每年死亡10个人的事件概率为10-4,每年死亡10000个人的事件概率为10-7。
核事故与其他非核事故所致的人类风险比较
1974年8月,原委会发布了研究报告的草稿,希望获得同行们的反馈和评论;1975年10月,新成立的核管会(NRC)正式发布了研究报告《反应堆安全研究:美国核电厂事故风险的评价》(WASH-1400),也就是著名的拉斯缪森报告,包括执行摘要和主报告以及11个技术附录,厚达3000页。
他们没有料到,等待WASH-1400报告的,是一场“腥风血雨”。
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