模块化高温气冷堆氦压力边界可靠性评估

《RELIABILITY ENGINEERING & SYSTEM SAFETY》：Helium Pressure Boundary Reliability Assessment for the Modular High Temperature Gas-Cooled Reactor

　　

先进技术的可靠性估计常受限于系统特有运行经验不足，且需融合类似工业应用信息。研究人员开发并演示了一种面向稀疏数据环境的可靠性估计框架，在单一可追溯方法中系统整合先验可靠性信息、类似工业运行经验、系统特有运行经验、可迁移性调整、贝叶斯更新与不确定性量化。该框架以模块化高温气冷堆（MHTGR）氦压力边界（HPB）为对象进行演示；HPB作为主承压屏障，由承压壳体与焊缝、容器贯穿件与仪表接口、氦-水压力边界构成。组件级泄漏与破裂频率通过层次贝叶斯推断模型，将氢与压缩气体系统的工业泄漏频率观测与历史HTGR运行经验相结合进行估计。方法学按泄漏尺寸类别生成后验泄漏频率分布，并显式刻画认知不确定性。结果表明HPB可靠性剖面以小泄漏事件为主，大泄漏与破裂级失效频率显著更低且不确定性更大，源于直接适用运行经验有限；不确定性随泄漏尺寸系统性增大，凸显了在先进堆概率风险评价（PRA）始发事件开发中量化不确定性的重要性。该框架广泛适用于须以类似技术信息补充稀疏系统数据的可靠性与风险分析问题，为风险知情设计、许可与决策提供可追溯的不确定性知情可靠性参数与始发事件频率依据。

研究背景方面，核能迈向先进堆设计过程中，系统特有运行经验有限使可靠性评估面临挑战。常规轻水堆（LWR）的可靠性数据库与PRA方法难以直接套用于模块化高温气冷堆（MHTGR）这类具有独特设计、高温氦环境（出口约950°C、压力6至9 MPa）、材料与失效机理的堆型。HPB作为主承压屏障与放射性滞留层，其完整性关联堆芯冷却、衰变热排出及事故进程，因此HPB泄漏与破裂频率估计是HTGR概率风险评价（PRA）的关键始发事件。已有HTGR示范堆（Dragon、AVR、THTR、Peach Bottom、Fort St. Vrain、HTTR、HTR-10）提供了碎片化经验，但数据量远少于LWR，且现有核可靠框架多基于LWR低温水化学环境，无法直接扩展至高温蠕变、氧化与氦-石墨环境。为此，研究人员开展一项面向稀疏数据环境的HPB可靠性估计框架研究，论文发表于《RELIABILITY ENGINEERING》。

关键技术方法上，研究人员采用自底向上、位置特定的风险知情分析划分HPB组件（密封焊缝与螺栓连接、仪表贯穿件、压力容器、氦循环机、控制棒驱动机构、蒸汽发生器管束、停堆冷却边界、氦净化子系统至首隔离阀），以分数泄漏面积（FLA）按十档对数区间离散泄漏尺寸；采用对数-对数线性模型刻画泄漏频率-面积关系；构建三层层次贝叶斯推断：先验由工业可靠性手册基准失效率经压力、温度、材料、密封类型修正因子缩放得到，似然1为压缩天然气（CNG）与氢设施连续速率泄漏观测（经温度阿伦尼乌斯因子、压差因子、环境惰性因子k_env、核质保因子k_NQA,QC调整），似然2为HTGR历史运行事件计数（泊松似然）；通过JAGS进行MCMC采样获得后验；对热气管（HGD）嵌于跨接容器（CV）内的结构依赖采用事件树折算，并对k_env与k_NQA,QC取0.3、0.5、1.0三档做敏感性分析。

研究结果部分，第二章MHTGR HPB描述指出参考MHTGR-350为棱柱式氦冷模块，HPB由反应堆容器、蒸汽发生器容器、跨接容器及贯穿件构成，范围涵盖密封焊缝、仪表线、容器壳、循环机、控制棒驱动、SG管束、停堆冷却边界与氦净化段。第三章方法学表明，组件失效率由位置年失效数除暴露量得到，FLA按Equation 4归一、ESB按Equation 5转换，最小可检泄漏面积阈值为1.94E-2 mm²；对数-对数线性模型以双参数拟合总泄漏与小泄漏及100% FLA破裂频率；贝叶斯先验用可靠性手册基值乘修正因子（以静密封为例基值2.1E-2/年乘C_P、C_Q、C_DL、C_H、C_F、C_V、C_T、C_N），各FLAbin对数频率设正态超先验、精度τ₀设Gamma(4,1)；似然1用CNG/氢数据对数正态似然经k_temp、k_ΔP、k_env、k_NQA,QC调整，似然2用HTGR各堆（FSV、Peach Bottom、AVR、HTTR、Dragon）按组件组泊松计数；后验经MCMC得各θ_i均值中位数与95%可信区间，HGD-CV依赖经事件树仅传递同时失效情形。第四章结果与讨论显示，HPB分段为密封焊缝螺栓连接、仪表贯穿、承压主件、氦-水界面四类；后验更新表明小泄漏（FLA 1E-7至1E-4）频率由工业似然主导且不确定性较低，大泄漏与破裂（FLA≥1%）频率极低且95%可信区间跨多个数量级，与早期GA Technologies MHTGR PRA破裂频率数量级可比但带显式不确定性；敏感性分析显示k_env与k_NQA,QC在0.3至1.0间变动使后验中高FLA档频率浮动小于一个量级，框架结论稳健。

讨论与结论翻译部分，研究人员指出该框架在单一可追溯方法中融合先验、类似工业经验、HTGR经验、可迁移调整与贝叶斯更新，显式量化认知不确定性；HPB可靠性由小泄漏主导，大泄漏与破裂频率随尺寸增大而降低且不确定性增大；所得按泄漏尺寸分类的后验频率为先进堆PRA始发事件开发提供不确定性知情参数。尽管以MHTGR HPB演示，框架普遍适用于以类似技术补充稀疏系统数据的可靠性与风险问题，可为风险知情设计、许可与决策提供基础；局限在于HTGR直接经验仍有限、半经验断裂力学法因缺组件级输入未采用、CNG/氢迁移因子含工程判断成分，未来需积累MHTGR运行数据与材料退化参数以缩减后验离散度。