1、 第三章第三章 核電廠的安全設(shè)計(jì)核電廠的安全設(shè)計(jì) - -第二節(jié) 核電廠安全設(shè)計(jì)原則內(nèi)容提要：三里島、切爾諾貝利、福島事故簡(jiǎn)要回顧三道屏障和五個(gè)層次的縱深防御單一故障原則三里島事故 1979年3月28日，美國(guó)三哩島核電站2號(hào)機(jī)組滿功率運(yùn)行。凌晨4點(diǎn)，二回路的水泵發(fā)生故障后，二回路的事故冷卻系統(tǒng)自動(dòng)投入，但因前些天工人檢修后未將事故冷卻系統(tǒng)的閥門打開，致使這一系統(tǒng)自動(dòng)投入后，二回路的水仍斷流。導(dǎo)致一回路升溫升，進(jìn)而觸發(fā)反應(yīng)堆自動(dòng)停堆，卸壓閥也自動(dòng)打開。三里島事故 同時(shí)，當(dāng)反應(yīng)堆內(nèi)壓力下降至正常時(shí)，卸壓閥由于故障未能自動(dòng)回座，使堆芯冷卻劑繼續(xù)外流，壓力降至正常值以下，于是應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)自動(dòng)投入，但

2、操作人員未判明卸壓閥沒有回座，反而關(guān)閉了應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)，停止了向堆芯內(nèi)注水。 這一系列的管理和操作上的失誤與設(shè)備上的故障交織在一起，使一次小的故障急劇擴(kuò)大，造成堆芯熔化的嚴(yán)重事故。三里島事故 在這次事故中，主要的工程安全設(shè)施都自動(dòng)投入，同時(shí)由于反應(yīng)堆有幾道安全屏障（燃料包殼，一回路壓力邊界和安全殼等），因而無一傷亡，在事故現(xiàn)場(chǎng)，只有3人受到了略高于半年的容許劑量的照射。核電廠附近80千米以內(nèi)的公眾，由于事故，平均每人受到的劑量不到一年內(nèi)天然本底的百分之一，因此，三里島事故對(duì)環(huán)境的影響極小。切爾諾貝利事故 1986年4月26日當(dāng)?shù)貢r(shí)間1點(diǎn)24分，前蘇聯(lián)的烏克蘭共和國(guó)切爾諾貝利（，Chernob

3、yl）（原本以列寧的名字來命名）4號(hào)反應(yīng)堆發(fā)生嚴(yán)重泄漏及爆炸事故。切爾諾貝利事故 事故經(jīng)過： 4月25日l點(diǎn)整，工作人員開始降低反應(yīng)堆功率（直到此時(shí)，該機(jī)組一直在額定參數(shù)下運(yùn)行 在14點(diǎn)，按照試驗(yàn)大綱的要求，把反應(yīng)堆應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)與強(qiáng)迫循環(huán)回路（MFCC）斷開。可是，由于控制室的要求推遲了機(jī)組從運(yùn)行狀態(tài)下解列。于是，在違反運(yùn)行規(guī)程的情況下，該機(jī)組在應(yīng)急冷卻系統(tǒng)斷開后繼續(xù)運(yùn)行。切爾諾貝利事故 在23點(diǎn)10分又開始降功率。試驗(yàn)大綱中，發(fā)電機(jī)惰走的同時(shí)供給機(jī)組需要的電源應(yīng)在堆功率為7001000兆瓦（熱）下完成。 可是，當(dāng)局部的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)切除時(shí)（這是按低功率下運(yùn)行規(guī)程應(yīng)該做的），操作人員未能足夠

4、迅速地消除因自動(dòng)調(diào)節(jié)棒的測(cè)量部件所引起的不平衡。結(jié)果，功率降到30兆瓦（熱）以下。切爾諾貝利事故 4月26日1點(diǎn)，操作人員才成功地使功率穩(wěn)定在200兆瓦（熱）。同時(shí)，因?yàn)榉磻?yīng)堆“中毒”仍在繼續(xù)，進(jìn)一步提高功率受到了小的可利用的過剩反應(yīng)性的限制。所以，當(dāng)時(shí)的功率實(shí)際上低于規(guī)定要求的水平。 l點(diǎn)23分30秒，操作人員從快速反應(yīng)性計(jì)算程序輸出看到，現(xiàn)在過剩反應(yīng)性已達(dá)到要求立即停堆的水平。 然而，工作人員并沒有據(jù)此停堆，而是繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。 1點(diǎn)23分4秒第8號(hào)透平發(fā)電機(jī)組事故調(diào)節(jié)閥關(guān)閉。反應(yīng)堆在大約200兆瓦（熱）功率下繼續(xù)運(yùn)行。與兩臺(tái)透平發(fā)電機(jī)組（7號(hào)透平發(fā)電機(jī)組于4月25日關(guān)閉）的應(yīng)急調(diào)節(jié)閥關(guān)閉有關(guān)的

5、事故保護(hù)系統(tǒng)都被解除，以便若第一次試驗(yàn)失敗的話，將有可能再重新做該實(shí)驗(yàn)。 這意味著更進(jìn)一步違反實(shí)驗(yàn)大綱，大綱沒有規(guī)定在關(guān)閉2臺(tái)透平發(fā)電機(jī)組時(shí)切除反應(yīng)堆事故保護(hù)系統(tǒng)。 切爾諾貝利事故 實(shí)驗(yàn)開始之后不久反應(yīng)堆功率開始緩慢上升。在1點(diǎn)23分40秒，機(jī)組值班長(zhǎng)發(fā)出命令按動(dòng)AZ5按鈕。這將把所有的控制棒和快速停堆棒插入堆芯。這些棒下落幾秒鐘后，感到有一些振動(dòng)，而且，操作人員看到吸收棒沒有完全插到堆芯底部停止位置。（正反應(yīng)性引入過大，功率劇增，反應(yīng)堆不可控的） 接著他切斷了棒控制系統(tǒng)的伺服機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的電源，以便使吸收棒靠本身自重墜入堆芯。根據(jù)4號(hào)機(jī)組外側(cè)的目擊者們提供的情況，在1點(diǎn)24分接連發(fā)生兩次爆炸。

6、燃著物的團(tuán)塊和火星沖入反應(yīng)堆上空，其中有些落到汽輪機(jī)廠房屋頂并開始著火。 切爾諾貝利事故切爾諾貝利事故 大約有1650平方千米的土地被輻射。后續(xù)的爆炸引發(fā)了大火并散發(fā)出大量高輻射物質(zhì)到大氣層中，涵蓋了大面積區(qū)域。這次災(zāi)難所釋放出的輻射線劑量是廣島原子彈的幾百倍。事故導(dǎo)致30人當(dāng)場(chǎng)死亡，上萬人由于放射性物質(zhì)的長(zhǎng)期影響而致命或患的重病。福島事故 2011年3月11日下午，日本東部海域發(fā)生里氏9.0級(jí)大地震，并引發(fā)海嘯。位于日本本州島東部沿海的福島第一核電站停堆，且若干機(jī)組發(fā)生失去冷卻事故，運(yùn)營(yíng)福島第一核電站的東京電力公司在13日上午11時(shí)，向政府作出緊急通報(bào)，宣布福島第一核電站進(jìn)入“緊急狀態(tài)”;3

7、月12日下午，一號(hào)機(jī)組發(fā)生爆炸;3月14日，三號(hào)機(jī)組發(fā)生兩次爆炸；日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省原子能安全保安院承認(rèn)有放射性物質(zhì)泄漏到大氣中，方圓若干公里內(nèi)的居民被緊急疏散（疏散范圍一直在擴(kuò)大）。福島事故直接原因：強(qiáng)地震海嘯 間接原因：設(shè)計(jì)的缺陷和建設(shè)時(shí)對(duì)自然災(zāi)難引發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估不足核島設(shè)備存在安全隱患（老化）運(yùn)營(yíng)和審查機(jī)構(gòu)失職緊急情況下應(yīng)急管理經(jīng)驗(yàn)缺失從以上事故分析看來都有設(shè)計(jì)上的原因 三里島是常規(guī)設(shè)備的可靠性不夠； 切爾諾貝利是低功率下 設(shè)計(jì)成正具有正反應(yīng)性效應(yīng)，且慢化劑為高溫下可燃燒的石墨； 福島是嚴(yán)重事故的防御能力設(shè)計(jì)不足。核電廠基本設(shè)計(jì)原則大部分體現(xiàn)在 單一故障準(zhǔn)則 冗余性原則（多樣性原則） 多樣性原

8、則 獨(dú)立性原則 故障安全原則（失效安全原則） 定期試驗(yàn)、維護(hù)、檢查的措施 固有安全性的設(shè)計(jì)原則 運(yùn)行人員操作優(yōu)化的設(shè)計(jì) 運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的系統(tǒng)反饋核電廠安全設(shè)計(jì)總原則 縱深防御基本安全原則 多道屏障 多級(jí)防御 單一故障準(zhǔn)則 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故準(zhǔn)則多道屏障 燃料芯塊 元件包殼 一回路壓力邊界 安全殼防止放射性物質(zhì)外泄的四道屏障 第一道防線第一道防線預(yù)防事故（預(yù)防） 設(shè)計(jì)偏安全 質(zhì)量保證系統(tǒng) 安全標(biāo)準(zhǔn) 第二道防線第二道防線監(jiān)測(cè)事故（監(jiān)測(cè)） 檢測(cè)和糾正偏離正常運(yùn)行狀態(tài) 保護(hù)裝置、系統(tǒng) 安全裕量（多重、設(shè)備分級(jí)） 第三道防線第三道防線防止事故擴(kuò)大（保護(hù)） 多道屏障 專設(shè)安全措施 停堆系統(tǒng) 第四道防線第四道防線緩解事

9、故（緩解） 嚴(yán)重事故管理 第五道防線第五道防線應(yīng)急計(jì)劃（應(yīng)急） 居民屏蔽、撤退、供給藥物安全設(shè)計(jì)中的多級(jí)防御第一道防線預(yù)防事故(預(yù)防) 目的 對(duì)事故的預(yù)防 設(shè)計(jì)要求 精心設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行核電廠，防止發(fā)生故障 使放射性物質(zhì)始終處于設(shè)計(jì)許可的位置并受到監(jiān)控 核電廠的設(shè)計(jì)必須是穩(wěn)妥的和偏于安全的 電廠各系統(tǒng)、各設(shè)備不能出現(xiàn)不允許的差錯(cuò)或故障 管理要求 建立周密的程序，嚴(yán)格的制度和必要的監(jiān)督 建立一整套質(zhì)量保證和安全標(biāo)準(zhǔn) 按嚴(yán)格的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及質(zhì)量保證程序進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造、安裝、調(diào)試、運(yùn)行和維修 工作人員的要求 加強(qiáng)對(duì)核電站工作人員的教育和培養(yǎng)保守的設(shè)計(jì)可靠的設(shè)備第二道防線監(jiān)測(cè)事故(監(jiān)測(cè))

10、目的 防止運(yùn)行中出現(xiàn)的偏差發(fā)展成為事故 這是考慮到即使在核電廠的設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行中采取了各種措施，電廠仍然可能會(huì)發(fā)生故障。 提供工程系統(tǒng)，防止事件演變成事故 設(shè)計(jì)要求 設(shè)置可靠保護(hù)裝置和工程系統(tǒng) 它們的功能是探測(cè)妨礙安全的瞬變，完成適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)動(dòng)作 這些系統(tǒng)必須按保守的設(shè)計(jì)實(shí)踐設(shè)計(jì) 必須留有足夠的安全裕量并應(yīng)配有重復(fù)探測(cè)、檢查和控制手段 各種測(cè)試儀表必須具備較高的可靠性。 運(yùn)行管理要求 必要時(shí)啟用由設(shè)計(jì)提供的安全系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng) 防止設(shè)備故障和人為差錯(cuò)釀成事故第三道防線防止事故擴(kuò)大（保護(hù)） 目的 限制事故引起的放射性后果 通過提供工程系統(tǒng)緩解事故，是對(duì)于前兩道防御的補(bǔ)充 它專門用于對(duì)付那些幾乎不可

11、能發(fā)生但從安全角度又必須加以考慮的各種事故。 限制和盡量減少放射性釋放量 設(shè)計(jì)要求 配置必需的專設(shè)安全設(shè)施，以便對(duì)付預(yù)期假想事故 保證多道屏障的完整性 確保停堆系統(tǒng)的可靠性 運(yùn)行管理要求 啟用核電站安全系統(tǒng) 加強(qiáng)事故中的電站管理 防止事故擴(kuò)大，保護(hù)安全殼廠房第四道防線緩解事故（緩解） 目的 針對(duì)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)可能已被超過的嚴(yán)重事故 保證放射性釋放在盡可能低的程度 保護(hù)包容功能 設(shè)計(jì)要求 制定事故管理規(guī)程(SAM) 制定防止事故進(jìn)展的補(bǔ)充措施和規(guī)程 制定減輕嚴(yán)重事故后果的措施 運(yùn)行管理要求第五道防線應(yīng)急計(jì)劃（應(yīng)急） 目的 萬一發(fā)生極不可能發(fā)生的事故，并且有放射性外泄，啟用廠內(nèi)外應(yīng)急響應(yīng)計(jì)劃 在嚴(yán)重事故

12、工況下保護(hù)廠外公眾免受過量的輻射 努力減輕事故對(duì)居民的影響 運(yùn)行管理要求 每個(gè)核電廠均應(yīng)制訂應(yīng)急計(jì)劃 能對(duì)附近居民實(shí)行屏蔽、疏散、供給藥物 并對(duì)食物進(jìn)行封鎖，使損害降到最小限度單一故障準(zhǔn)則 定義某部件出現(xiàn)故障時(shí)，它的功能能保證 安全系統(tǒng)的冗余原則 多樣性原則 失效安全原則 獨(dú)立性原則單一故障準(zhǔn)則 滿足單一故障準(zhǔn)則的設(shè)備組合 在其任何部位發(fā)生單一隨機(jī)故障時(shí)，仍能保持所賦于的功能。 由單一隨機(jī)事件引起的各種繼發(fā)故障，均視作單一隨機(jī)故障的組成部分 采用多樣性原則能減少某些共因故障或共模故障，從而提高某些系統(tǒng)的可靠性v共因故障共因故障 由特定的單一事件或起因?qū)е氯舾裳b置或部件功能失效的故障冗余性原則

13、又稱多重性原則 適用于安全系統(tǒng) 內(nèi)容 設(shè)計(jì)中留有冗余度，即系統(tǒng)是雙重或多重配置的，單一部件的失效不會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)失去功能 作用 一套設(shè)備出現(xiàn)故障或失效是可承受的，不致于導(dǎo)致功能的喪失 例 在某一特定功能可由任意兩臺(tái)泵完成之處，設(shè)置三臺(tái)或四臺(tái)泵。為滿足多重性要求，可采用相同的或不同的部件。 多樣性原則 多樣性多樣性 為執(zhí)行某一確定功能 設(shè)置多重部件或系統(tǒng) 這些部件或系統(tǒng)具有不同屬性 獲得不同屬性的方式 采用不同的工作原理 不同的物理變量 不同的運(yùn)行條件 使用不同制造廠的產(chǎn)品獨(dú)立性原則 獨(dú)立性 為了提高系統(tǒng)的可靠性，防止發(fā)生共因故障或共模故障，系統(tǒng)安全系統(tǒng)各個(gè)冗余支之間，通過功能隔離或?qū)嶓w分隔，實(shí)現(xiàn)

14、系統(tǒng)布置和設(shè)計(jì)的獨(dú)立性。（1）保持多重系統(tǒng)部件之間的獨(dú)立性； （2）保持系統(tǒng)中各部件與假設(shè)始發(fā)事件效應(yīng)之間的獨(dú)立性例如，假設(shè)始發(fā)事件不得引起安全系統(tǒng)或安全功能的失效或喪失（3）保持不同安全等級(jí)的系統(tǒng)或部件之間適當(dāng)?shù)莫?dú)立性； （4）保持安全重要物項(xiàng)與非安全重要物項(xiàng)之間的獨(dú)立性。 功能隔離功能隔離 為防止線路或系統(tǒng)的功能受到相鄰線路或系統(tǒng)的運(yùn)行方式或故障的影響所采取的措施。獨(dú)立性可在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中通過功能隔離或?qū)嶓w分隔實(shí)現(xiàn)。故障安全原則 又稱失效安全原則 內(nèi)容 核電廠安全極為重要的系統(tǒng)和部件的設(shè)計(jì)，應(yīng)盡可能貫徹故障安全原則 易于損壞的安全相關(guān)電氣或機(jī)械部件，設(shè)計(jì)必須遵循失效安全的原則 壽命短的設(shè)備，設(shè)

15、計(jì)必須是失效安全原則 控制系統(tǒng)失效應(yīng)能引起停堆 核系統(tǒng)或部件發(fā)生故障時(shí)，電廠應(yīng)能在毋需任何觸發(fā)動(dòng)作的情況下進(jìn)入安全狀態(tài) 作用 任何失效或故障應(yīng)使電廠的狀態(tài)趨于安全 例 控制系統(tǒng)的故障應(yīng)自動(dòng)地引起停堆 重要的閥門在斷電時(shí)自動(dòng)關(guān)/開，處于安全狀態(tài)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故準(zhǔn)則 最大可信事故 以設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故為基礎(chǔ)的安全評(píng)價(jià)確定論評(píng)價(jià)法 以概率風(fēng)險(xiǎn)理論為核電站安全評(píng)價(jià)概率安全評(píng)價(jià)基于縱深防御的思想基于風(fēng)險(xiǎn)的思想三里島事故 在這次事故中，主要的工程安全設(shè)施都自動(dòng)投入，同時(shí)由于反應(yīng)堆有幾道安全屏障（燃料包殼，一回路壓力邊界和安全殼等），因而無一傷亡，在事故現(xiàn)場(chǎng)，只有3人受到了略高于半年的容許劑量的照射。核電廠附近80千

16、米以內(nèi)的公眾，由于事故，平均每人受到的劑量不到一年內(nèi)天然本底的百分之一，因此，三里島事故對(duì)環(huán)境的影響極小。 實(shí)驗(yàn)開始之后不久反應(yīng)堆功率開始緩慢上升。在1點(diǎn)23分40秒，機(jī)組值班長(zhǎng)發(fā)出命令按動(dòng)AZ5按鈕。這將把所有的控制棒和快速停堆棒插入堆芯。這些棒下落幾秒鐘后，感到有一些振動(dòng)，而且，操作人員看到吸收棒沒有完全插到堆芯底部停止位置。（正反應(yīng)性引入過大，功率劇增，反應(yīng)堆不可控的） 接著他切斷了棒控制系統(tǒng)的伺服機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的電源，以便使吸收棒靠本身自重墜入堆芯。根據(jù)4號(hào)機(jī)組外側(cè)的目擊者們提供的情況，在1點(diǎn)24分接連發(fā)生兩次爆炸。燃著物的團(tuán)塊和火星沖入反應(yīng)堆上空，其中有些落到汽輪機(jī)廠房屋頂并開始著火。 切爾諾貝利事故多道屏障 燃料芯塊 元件包殼 一回路壓力邊界 安全殼防止放射性物質(zhì)外泄的四道屏障 第一道防線第一道防線預(yù)防事故（預(yù)防） 設(shè)計(jì)偏安全 質(zhì)量保證系統(tǒng) 安全標(biāo)準(zhǔn) 第二道防線第二道防線監(jiān)測(cè)事故（監(jiān)測(cè)） 檢測(cè)和糾正偏離正常運(yùn)行狀態(tài) 保護(hù)裝置、系統(tǒng) 安全裕量（多重、設(shè)備分級(jí)） 第三道防線第三道防線防止事故擴(kuò)大（保護(hù)） 多道屏障 專設(shè)安全措施