基于概率安全分析的HPR1000替代源项评估方法

《Progress in Nuclear Energy》:A PSA-informed methodology for alternative source term evaluation in HPR1000

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年09月20日 来源:Progress in Nuclear Energy 3.2

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   摘要准确的裂变产物源项评估对于核安全分析、设备资格认证和应急计划至关重要。传统的确定性方法依赖于单一的保守情景,无法体现 HPR1000 等先进反应堆的增强安全特性。为此,开发了一种基于 PSA 信息的方法论,通过表征严重事故阶段的变异性来评估替代源项。对来自一级 PSA 的

  

摘要

准确的裂变产物源项评估对于核安全分析、设备资格认证和应急计划至关重要。传统的确定性方法依赖于单一的保守情景,无法体现 HPR1000 等先进反应堆的增强安全特性。为此,开发了一种基于 PSA 信息的方法论,通过表征严重事故阶段的变异性来评估替代源项。对来自一级 PSA 的 11 个主导事故序列(单个概率>1%,累积概率>90%)使用 ASTEC 进行模拟,以建模从堆芯损坏到安全壳释放的过程。应用基于 PSA 信息的自助法(PIBM)生成统计上稳健的样本,同时保留序列概率。百分位分析(5th–95th)显示,高频小破口失水事故主导了统计风险特征。定量地,间隙释放持续时间的中位数为 0.066 小时(95 百分位数:0.370 小时),而堆内释放占主导地位,挥发性元素释放分数达到 0.70–0.80,惰性气体高达 0.90–0.96。高频序列贡献了超过 60% 的总概率。生成的替代源项数据库提供了对释放期和放射性核素分数的概率特征表征,支持从确定性向风险知情监管的过渡,并能够实现设备资格认证、风险知情应急计划的概率源项输入以及先进反应堆许可方面的应用。

引言

裂变产物源项的准确评估,包括放射性材料释放的类型、数量和时机,是核安全分析的基石。它是关键工程决策和应急计划开发的基本依据,包括设备剂量资格认证、安全壳系统和过滤的设计,以及场外应急策略的规划。在严重事故条件下,源项不是一个固定值,而是一个复杂的、随时间变化的函数,受多种物理和化学现象控制。这些现象包括严重事故本身的发展、裂变产物从受损燃料中的释放、它们在反应堆冷却剂系统(RCS)内的传输和沉积,以及最终释放到安全壳大气中。
已经开发并广泛应用了各种计算代码用于核电站的严重事故源项分析。例如,MAAP-ISAAC 代码已被用于对 CANDU 反应堆的二次系统引入失水事故(ISLOCAs)进行最佳估计分析,明确考虑了辅助建筑效应,如沉积和池洗涤 (Jin et al., 2020)。同样,MELCOR 代码不仅用于像 APR1400 反应堆的 SOARCA 研究这样的综合评估,该研究强调了建模假设如何显著影响裂变产物释放预测 (Ahn et al., 2023),还用于详细的量化不确定性练习,如在 PHEBUS FPT-1 测试模拟中系统评估了控制放射性核素行为的关键输入参数 (Park et al., 2026)。此外,还开发了专门模型来解决独特的物理现象,包括钠冷快堆堆芯破坏事故期间裂变产物在大气泡内的迁移 (Zou et al., 2025)。通过 ASTEC 进行的数值评估得出了被动安全壳冷却系统(PCS)如何影响第三代 + 压水堆(PWRs)安全壳内气溶胶去除的结果 (Ou et al., 2023)。SPRUCE,一个综合严重事故分析代码,也在气溶胶和源项方面进行了开发和验证 (Zhang et al., 2026) (Ou et al., 2026a) (Ou et al., 2026b)。与不同计算代码相关的不确定性也得到了研究和评估 (Brumm et al., 2023) (Brumm et al., 2025) (Ou et al., 2026c) (Ou et al., 2022a)。总之,这些多样的计算框架展示了源项估计广阔且不断发展的格局,每个框架都为更稳健地理解严重事故发展和场外风险做出了贡献。
不同事故序列结果的显著差异给实际工程和监管应用带来了巨大挑战。对于设备资格认证等学科,需要证明组件能够在假设的事故环境条件(如辐射、温度、压力)下执行其安全功能,选择一个单一且具有代表性的事故序列及其相关源项是有问题的。过度保守的估计可能导致不必要严格且昂贵的设计要求,而保守程度不足的估计则损害安全余量。同样,对于场外核应急计划和演习,响应策略的有效性取决于具有现实且足够保守的释放情景 (Ou et al., 2022b) (Raja et al., 2020)。目前,确定性源项分析通常关注特定的事故条件,并依赖保守的事故假设来获得相应保守的源项结果。然而,由于这些假设中嵌入的过度保守性,这种方法无法准确代表 HPR1000 等先进核电站的设计特征和安全特性。这一差距使得针对不同应用(如设备资格认证、应急计划)推导定制化、设计特定的源项变得困难。因此,这可能在工程设计和应急准备阶段引入潜在的不一致和低效率。
为了解决这些挑战,本文应用并展示了一种结构化的方法论,用于建立一组替代源项,基于 HPR1000 反应堆设计 (Ou et al., 2026d)。在本研究中,基于 PSA 信息的替代源项(以下简称 AST)指的是从事故序列频率和严重事故分析中建立的特定于反应堆的概率源项,而不是单一的确定性源项。该方法论的核心目标是超越单一的、过度保守的源项或稀疏的一组离散序列。相反,它旨在提供一个更全面和基于风险特征的释放源项谱,根据严重事故的明显阶段进行分类。通过系统分析通过概率安全评估(PSA)确定的主导事故序列,将其与最佳估计严重事故代码耦合,并进行显式统计分析,该方法论生成了一个随时间变化的安全壳释放源项库。
这项工作详细介绍了基于 HPR1000 反应堆设计的方法论开发过程,包括事故序列选择、事故分析和源项评估、统计分析以及最终推导 AST。结果提供了针对 HPR1000 相关安全分析更细致和适用的基础,有助于优化工程设计和加强应急响应能力。此外,虽然本研究是基于 HPR1000 设计进行的,但开发的方法论框架是可转移的,可以扩展到其他反应堆类型,包括小型模块化反应堆(SMRs)(Ahmad and Usman, 2025) (El-Genk and Schriener, 2018) 和铅冷反应堆 (Xiong et al., 2026) (Fitzhugh et al., 2024),表明其具有广泛的应用性及其对先进核系统安全评估的潜在价值。

章节片段

方法论方法

为了严格描述事故条件下 AST 的释放,本研究提出了一种系统的、多阶段的分析框架,将概率风险洞察与确定性事故现象学相结合。认识到源项评估的保真度与所选事故序列的代表性以及统计抽样的稳健性内在相关,提出的方法论弥合了一级 PSA 与整体电厂模拟之间的差距。

序列选择

作为本研究的参考反应堆设计,HPR1000 是一种先进的第三代压水堆(PWR)(Ou et al., 2026d)。其安全架构纳入了堆芯补水箱(CMT)和蓄压器(ACC),形成了强大的应急堆芯被动注入系统。为减轻高压熔体喷射(HPME)的风险,该设计特征包括四级自动卸压系统(ADS),用于控制一次回路卸压。此外,该

代码模拟

使用全面的电厂模型对选定的序列进行确定性模拟,该模型涵盖堆芯损坏、一、二次回路、安全壳行为以及源项释放和缓解机制 (Ou et al., 2023) (Ou et al., 2026d)。在 HPR1000 设计中,假设成功实现了堆内滞留(IVR)。在此设计假设下,ASTEC 模拟预测,在整个分析的事故期间,反应堆压力容器保持完整

基于 PSA 信息的自助法

自助法,一种强大的重抽样技术,是评估统计估计不确定性的基石。其核心思想是用观测数据的经验分布取代未知的人群分布,通过计算模拟促进统计推断。
该方法论由 Bradley Efron 于 1979 年正式引入 (Efron et al., 1992)。为解决估计复杂统计量方差的挑战,该程序

结论与未来展望

本研究建立了一种系统方法论,用于评估 HPR1000 先进压水堆的 AST,解决了传统确定性分析中过度保守和缺乏风险区分的问题。通过选择来自一级 PSA 的 11 个主导事故序列,代表超过 90% 的累积概率,本研究利用 ASTEC 代码模拟全厂场景,量化了从堆芯损坏到

CRediT 作者贡献声明

Pingwen Ou:撰写 – 原稿,软件,方法论,调查,形式分析,数据整理,概念化。Chao Guo:监督,资源,项目管理。Peng Chen:撰写 – 审阅与编辑,监督,资金获取。Yong Ouyang:撰写 – 审阅与编辑,监督,资源。

利益冲突声明

作者声明,他们没有已知的相互竞争的经济利益或个人关系,这些关系可能会影响本文报告的工作。
Pingwen Ou|Chao Guo|Peng Chen|Yong Ouyang
国家核电安全技术重点实验室,中国核电技术研究有限公司,中国,深圳,518000
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