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第25 卷第 6 期 总第 150 期 辐射防护通讯2005 年 12月 进展与评述 y 核安全目标制定与评估中的若干问题 Major Issues in Developing and Implementing Nuclear Safety Goals 曲静原 薛大知 清华大学核能技术设计研究院 北京 100084 Qu Jingyuan Xue Dazhi Institute of Nuclear Energy Technology Tsinghua University Beijing 100084 摘 要 介绍美国核管会 NRC 关于核电站运行的安全目标及其发展过程 讨论在安全目标的制定和评估中所涉 及的主要问题 包括事故预防与事故缓解的平衡 不确定性的处理 安全目标的实施等 同时概要介绍了其他一些国 家和机构所提出的安全目标 最后对安全目标的发展和实际应用前景进行了讨论 关键词 核电站 安全目标 事故预防 事故缓解 中图分类号 TL364 文献标识码 A 文章编号 1004 6356 2005 06 0010 05 Abstract This paper presents the NRC safety goals for the operation of nuclear power plants and their histor i cal evolutions The major issues in developing and implementing safety goals are discussed They include the reasonable balance between accident prevention and accident mitigation strategies relationship between funda mental goals and subsidiary ones treatment of uncertainty in analysis results and implementation etc The safety goals proposed by other counties and agencies are also described Finally the perspectiveson the deve l opment and practical application of nuclear safety goals are briefly presented Key words Nuclear power plants Safety goals Accident prevention Accident mitigation 1 前言 1986年 美国核管会 NRC 发布了核电站安 全目标的政策声明 1 对核电站的运行制定了定 性和定量的安全目标 在此之后 一些核电国家 的核安全管理机构也相继建立了各自的安全目 标 由于在定量安全目标的评估中存在较大的不 确定性 无论是核安全管理机构还是专家 对安全 目标在核安全管理中的可行性及其作用各自持有 不同的观点 目前 国际上的一般共识是 安全目 标应当是整个安全管理体系的一个重要组成部 分 对于有效地提高核电站运行安全的管理水平 来说 建立和实施安全目标是一个有吸引力的途 径 本文概括介绍 NRC 和其他一些国家的核安 全目标体系 讨论在安全目标的制定和评估中所 涉及的主要问题 其中包括事故预防与事故缓解 的平衡 基本目标与辅助目标 不确定性的处理 安全目标的实施以及安全目标的发展前景等 2 安全目标的定义 核电站的运行安全管理涉及到众多方面 因 此 从形式上来看 安全目标可以是定性的 定量 的 确定论的或者概率论的 一般来说 安全目标 的层次越高 则越可能是定性的 这是由可能涉及 的复杂因素及其不确定性决定的 目前 对于安 全目标 国际上还没有一个普遍接受的定义 针 10 y收稿日期 2005 09 19 作者简介 曲静原 1956 男 1982 年毕业于清华大学工程物理系 1991 年毕业于德国卡尔斯鲁厄技术大学机械系 获博士学位 研究员 对建立和实施安全目标的意图 IAEA 给出了如下 的描述 安全目标是期望达到的安全水平 它是以 抽象或具体的形式 对核设施的运行所力争取得 的安全水平的高度概括 包括设计 建造 调试 运 行和管理等方面 2 在美国 NRC 的安全目标政 策声明中 安全目标定义为核电站在运行过程中 对公众产生的可接受的辐射风险水平 3 核安全目标 3 1 NRC 安全目标及其发展过程 1979 年 美国发生了三哩岛核电站事故 此 后不久 美国反应堆安全咨询委员会 ACRS 建议 对核动力反应堆建立定量的安全目标 3 与此同 时 三哩岛事故总统委员会和 NRC 特别事故调查 组也提出了完善安全目标和安全原则的建议 在 这个背景下 NRC 开始了制定定量核安全目标的 工作 1981年 在核安全管理部门与专家讨论的基 础上 NRC 提出了核电站安全目标政策声明的草 案 4 在这个声明中 NRC 提出了如下的两个定 性安全目标 应当对公众成员提供这样一种水 平的防护 以使他们不会由于核动力厂发生事故 而对其生命和健康受到明显的附加风险 核动 力厂事故对公众生命和健康产生的社会风险应当 尽可能地低 ALARA 并且应当相当于或低于其 他具有竞争性的发电技术产生的相应风险 为了便于实现上述目标 NRC 提出了以下的 数值指南 反应堆事故对核电厂附近的个人或 居民群体可能产生的急性死亡风险 不应超过美 国居民由于其他事故而普遍受到的急性死亡风险 的0 1 反应堆事故对核电厂附近的个人或 居民群体可能产生的晚期 癌症 死亡风险 不应 超过由于所有其他原因产生的癌症风险的0 1 上述数值指南之下的风险区域 如果要求进一 步降低风险 应当在 1000 美元 人 rem 的基础上 进行代价 利益权衡 大规模堆芯熔化事故的发 生概率应低于 10 4 堆 年 在ACRS 核工业界以及公众对 NRC 1981 年 安全目标政策声明的发表了评论意见之后 NRC 于1983年发布了正式核安全政策声明 5 在这 个政策声明中 保留了安全目标 包括定性目标和 定量目标 的框架 但对 1981 年的政策声明作出 了如下的修改 将 1981年政策声明中的第二个 定性安全目标修改为 核动力对公众生命和健康 产生的社会风险应当相当于或低于其他具有竞争 性的发电技术产生的相应风险 并且应当对其他 的社会风险来说没有明显的增加0 即不再采用 尽可能地低 ALARA 0的表述 在定量安全目 标的描述中 采用 定量设计目标0代替 数值指 南0的表述 代价利益分析指南只用于对不满足 安全目标的电站是否需要采取安全改进措施的决 策中 对于已经满足安全目标的电站 则不需要用 这个指南对电站的安全改进措施进行定量的分 析 这是对1982 年政策声明作出的主要修改 1986 年8 月 经过6 年的酝酿和讨论 NRC 发 布了安全目标的最终政策声明 1 这个政策声明 保留了1983 年政策声明中所建立的两个定性安 全目标 对于定量安全目标 NRC 只保留了早期 和晚期癌症死亡风险的两个目标 反应堆事故 对核电厂附近个人产生的急性死亡的平均风险 不应超过美国居民由于其他事故而普遍受到的急 性死亡风险的 0 1 电厂运行对核电厂周围 居民产生的癌症死亡风险 不应超过由于所有其 他原因产生的癌症风险的 0 1 核电厂附近平 均个人风险定义为居住在核电厂厂址边界 1 6 km 之内的所有居民的个人风险之和除以该区域 内的总人数 而核电厂周围的居民则指的是在核 电厂厂址周围 16 km 范围内的居民 虽然第二个 定量安全目标定义为社会风险目标 但实际上代 表了个人的癌症风险 是生活在核电厂周围地区 内居民的平均个人风险 很显然 生活在核电站 厂址边界附近的关键个人所受到的癌症风险要明 显高于这个平均值 对上述两个定量安全目标的 分析计算表明 电站风险主要是由急性死亡目标 决定的 3 2 NRC 关于安全目标的立场 NRC 认识到 严重堆芯损坏事故可能导致重 大的放射性释放事故 从而对场外公众的生命安 全构成威胁 可能需要采取公众撤离行动 以及可 能产生对公众财产的污染等影响 因此 安全目 标不能代替NRC 的管理规定 也不能代替纵深防 御原则 安全目标只是试图对 什么样的安全是足 够的安全0作出定量的定义 6 对于安全目标在安全管理中的作用 NRC 的 11 核安全目标制定与评估中的若干问题 曲静原 立场是 NRC 赞同在管理的决策过程中使用定性 的安全目标 包括定量的健康效应目标 6 NRC 认为 对于判断现有的安全管理规定是否完善 以及在判断是否需要对现有的管理规定作出修改 的决策中 安全目标都是有用的工具 同样 对于 评价现有的电站是否与 NRC 的安全目标政策的 意图相一致 安全目标也是有益的 核电安全纵深防御与事故缓解原则都要求安 全壳系统具有可靠的性能 为了与这些原则保持 一致 要求向环境的大量放射性物质释放概率 LRF 小于 10 6 堆 年 同时 为了便于安全目 标的实际应用 NRC 建立了堆芯损坏频率 CDF 的安全目标 10 4 堆 年 安全目标用于确定 NRC 安全管理活动的优先度 以及将电站在严重 事故工况下的预期性能与 NRC 的安全目标相比 较 6 3 3 其他国家的安全目标 目前 许多核电国家都建立了自己的核安全 目标 这些目标在形式上和数值上不尽相同 表 1 中列出了有关国家和机构的定量安全目标 表 1 有关国家和机构的定量安全目标 国家 机构 安全目标 CDF 1 堆 年 限值目标 LRF 1 堆 年 限值目标 文献 IAEA10 510 6 2 URD1 10 510 6 7 EUR2 10 510 6 8 美国10 410 6 4 7 法国10 6 2 英国 10 410 510 510 7 9 EPR3 10 510 6 10 1 用户要求文件 2 欧洲用户要求文件 3 法 德安全当局联合开发的欧洲压水堆 4 建立安全目标的若干问题 在考虑建立安全目标的过程中 首先要考虑 所建立的安全目标应当与核电安全的纵深防御原 则相协调 因此 安全目标应当体现事故预防与事 故缓解这两个方面的要求 另外 为了使所建立 的安全目标能够得到有效的应用 需要解决与安 全目标实施相关联的一些技术问题 4 1 基本目标与辅助目标 NRC 关于安全目标最终政策声明 2 中所采 用的个人和社会风险的定量健康目标 QHO 属于 高层基本目标 这类目标与安全管理的最终目的 是保护公众的健康与安全的原则是一致的 但 是 由于个人和社会风险的评估存在很大的不确 定性 通常采用其他类型的安全目标进行评价 目 前最广泛采用的是堆芯损坏频率 CDF 限值和放 射性早期释放频率 LERF 为了与基本目标相 区别 一般称这类目标为辅助安全目标 如上所 述 在 NRC 的安全目标框架内 将 CDF 定义为辅 助安全目标 10 4 堆 年 而将放射性物质通过 安全壳向环境大量释放的频率作为电站的安全性 能指南 10 6 堆 年 值得指出的是 相对于基本目标而言 辅助安 全目标不应当具有明显的保守性 否则在事实上 辅助安全目标就可能成为一个基本目标 从而失 去了辅助安全目标的意义 由于 CDF 在安全目 标和其他相关安全事项实施中的重要性 美国反 应堆安全咨询委员会提出了将 CDF 提升为基本 安全目标的建议 11 4 2 事故的预防与缓解 事故预防与事故缓解在保证公众的健康与安 全方面起着重要的作用 因此 在建立安全目标 的时候 需要在事故预防和事故缓解两个方面保 持合理的平衡 很显然 CDF 表示事故预防的特 性 在世界范围内 CDF 是许多国家核安全管理 框架内的一个重要因素 安全壳的性能是事故缓 解的一个关键因素 由于这个原因 对如何建立 安全壳性能的安全目标进行了非常多的讨论 例 如 在NRC 的安全政策声明中 将通过安全壳向 环境大量释放放射性物质的平均频率确定为电站 的一般性能指南 10 6 堆 年 然而 由于在这 个指南的明确定义和实施等方面存在困难 也有 不同意将其作为电站性能指南的意见 4 3 代价利益分析 在1979 年三哩岛事故之后 NRC 曾经表示要 在NRC 的安全决策中对安全哲学和安全 代价的 平衡问题提出明确的政策声明 4 但是 由于问 题的复杂性 NRC 在 1986 年的安全目标政策声明 中 并没有对这个问题提出明确的政策声明 12 辐射防护通讯 2005 年 12 月 第 25卷 第 6 期 4 4 不确定性的处理 NRC 的安全目标政策声明和其他一些国家 所提出的安全目标是概率论的 为了执行这样的 安全目标 需要借助于概率安全分析 PSA 技术 自从美国反应堆安全研究 12 首先全面地使用 PSA 技术以来 PSA 在方法论和数据库方面不断 得到改进 然而 PSA 结果的不确定性是一个非 常重要的问题 在使用 PSA 技术实施安全目标的 过程中 需要仔细考虑不确定性的影响 为了适 当地考虑在定量概率安全目标的实施中可能涉及 的不确定性 NRC 采用 PSA 评价结果的平均值 使用平均值的做法与习惯的代价 利益分析实践 是一致的 除了与概率分布相关的不确定性之 外 由于对严重事故缺乏直接的经验和知识 在许 多量的估计上都存在一定不确定性 因此不仅需 要适当关注概率量估计数值的不确定性范围 也 要了解对不确定性有重要影响的物理现象 在这 个方面 应当进行灵敏性分析 以确定对概率量估 计值有重要影响的不确定性 4 5 未来反应堆 NRC 工作人员认为 对新型轻水堆 以下的 定量目标是可以接受的 CDF 10 5 堆 年 重大事故概率 10 6 堆 年 安全壳条件失效概 率 0 1 NRC 的安全目标政策对新型轻水堆 其 他先进堆型以及目前运行的核电站都是适当的指 南 13 5 安全目标的实施 为了安全目标的实施 NRC 工作人员提出了 安全目标政策实施技术指南 14 1998年 NRC 发 布了安全管理导则 1 174 15 在这个导则中 NRC 提出了基于风险 risk informed 安全决策的 5 个原则 其中的一个原则就是要与NRC 安全目标 保持一致 为了强调这个原则 NRC 工作人员认 为将 CDF 和LERF 作为 PSA 的接受准则是可以 接受的 图1 和图2 分别图示 CDF 和LERF 接受 准则 15 以上准则是为了使 CDF 与LEFE 的增加足 够小 并且能够满足 ACRS 的安全目标的政策声 明 同时这些变化要满足核管会的技术以及管理 审评 特别是当计算结果与区域边界距离很近时 要特别注意这些变化 图 1 堆芯损坏频率的接受准则 1 如果计算表明 CDF 是减小的 那么可以认为这种 变化符合基于风险的安全决策与 CDF 的关系 2 如果 CDF 的增加不超过 10 6 堆 年 则可以不进 行全部事故序列的 CDF 计算 但是如果 CDF 显著高于 10 4 堆 年 就需要寻找降低 CDF 的方法 区域三 3 如果 CDF 的增加为 10 6 10 5 堆 年 则需要进 行计算 确认 CDF 是否小于 10 4 堆 年 区域二 4 不允许 CDF 的增加超过 10 5 堆 年 区域一 图 2 早期大量释放可接受准则 1 如果计算表明 LERF 是减小的 那么可以认为这 种变化符合基于风险的安全决策与 LERF 的关系 2 如果 LERF 的变化不超过 10 7 堆 年 则可以不 进行全部事故序列的 LERF 计算 但是如果 LERF 显著高 于 10 5 堆 年 就需要寻找降低 LERF 的方法 区域三 3 如果 LERF 的增加为 10 7 10 6 堆 年 则需要 进行计算 确认 LERF 是否小于 10 5 堆 年 区域二 4 不允许 LERF 的增加超过 10 6 堆 年 区域一 6 结束语 安全目标的实施在很大程度上依赖于 PSA 技术的成熟和完善 PSA 分析结果的不确定性受 到人们的极大关注 对这一技术的实用性而言是 一个重大的挑战 然而 目前在 PSA 技术的模型 13 核安全目标制定与评估中的若干问题 曲静原 和数据等方面取得了显著的进展 使 PSA 技术的 实际应用领域越来越广 例如 美国反应堆安全 咨询委员会 ACRS 权威技术机构认为 目前的 3 级PSA 分析结果可以用来估计特定电站的 LERF 与QHO的符合性 LERF 的估计值表明 目前所提 出的 LERF 目标值与早期死亡的 QHO 是一致的 可以作为一个替代目标实施 另外 PSA 的分析 结果表明 将 10 4 堆 年的 CDF 目标应用于目 前的所有核电站 在许多情况下这个 CDF 目标比 相应的QHO 具有更大的保守性 因而在事实上成 为一个新的基本安全目标 尽管各国核安全管理当局和专家对安全目标 在核安全管理中的可行性及其作用持有不尽相同 的观点 但国际上的普遍共识是 安全目标应当是 核安全管理系统的一个重要组成部分 建立和实 施安全目标 对有效地提高核电站运行安全的管 理水平来说是一个有吸引力的途径 我国核安全 主管部门目前正在考虑建立我国的核安全目标体 系 了解国际上在这个领域的研究成果与实践经 验 对我国建立起合理的 适合我国核能发展与安 全管理技术水平现状的核安全目标管理框架 以 及保持和提高我国核设施的运行安全水平 都是 大有裨益的 7 参考文献 1 USNRC Safety Goals for the Operation of Nuclear Power Plants Federal Register 1986 51 149 28044 2 IAEA Policy for Setting and Assessing Regulatory Safety Goals IAEA TECDOC 831 1995 3 Okrent D The Safety Goals of the U S Nuclear Regulatory Commission Science 1987 236 296 4 USNRC Safety Goals for the Operation of Nuclear Power Plants Federal Register 1982 47 7023 5 USNRC Safety Goals for Nuclear Power Plants Operation Federal Register 1983 48 10772 6 USNRC The Price Anderson Act Crossing the Bridge to the Next Century A Report to Congress NUREG CR 6617 1998 7 EPRI Advanced Light Water Reactor Utility Requirements Document Vol 1 ALWR Policy and 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