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基于风险指引技术的聚变堆可靠性指标分配方法

更新时间:2009-03-28

聚变堆具有潜在的放射性释放风险。与常规的火电厂不同,聚变反应堆以及未来的聚变电厂利用核聚变反应释放的大量热能产生高温、高压蒸汽。由于其系统复杂、运行时部件状态存在不确定性,因此在事故工况下存在着不可控的放射性核素的释放风险。

可靠性设计是降低风险,提高聚变堆安全性的有效手段[1]。通过可靠性设计,可以挖掘出聚变堆中潜在的隐患和薄弱环节,在此基础上对设计进行优化调整,从而有效地消除存在的问题。大量新技术的应用,如氚增值包层、遥控操作等,提高了聚变堆可靠性分析的难度。在保证安全的前提下,实现聚变堆的可靠性设计,从而提高聚变堆的利用效率是当前研究中的难点问题。

建立聚变堆可靠性指标体系是进行聚变堆可靠性设计的前提与指南。在聚变堆方案论证和初步设计阶段,可靠性指标可以使各系统设计人员明确设计目标,估计所需的人力、时间和资源,统筹地研究目标实现的可能性与方法;在详细设计阶段,为了达到设备的最大利用率,保证聚变堆完成规定任务,还需要针对聚变堆部件提出具体的可靠性指标[2-3]。这些指标的组合就是聚变堆可靠性指标体系。

为了确立聚变堆部件可靠性指标体系,项目组搭建了一个完整的理论框架。首先,基于概率安全评价思想对聚变堆的安全特性进行深入研究,确立适用于聚变堆的危害剂量限值及其允许发生频率;其次,分析装置中可能产生此危害剂量的风险源、建立相应的概率安全评价模型,并对各个缓解系统在该过程中所做贡献也做出定性和定量化评估,从而完成基于“风险指引”的安全分级,确定部件安全级别;最后,选择合适的可靠性分配方法,为部件分配可靠性指标。本文介绍部件可靠性指标的分配方法。

1 分配方法的选择与步骤

可靠性工程领域常用的分配方法包括等分配方法、评分分配法、比例分配法、考虑重要度和复杂度的分配法等[1,4]。与一般工业领域中的设备以及常见的武器装备不同,反应堆系统物理结构复杂、系统繁多,且各个系统中均包含有数量庞大的各类部件[5-11],单一的分配方法难以解决其部件可靠性分配问题。本文根据聚变堆的工程特征,将可靠性指标分配任务分解为系统和部件两个层次:首先,将装置总体的危害剂量允许发生频率指标分配到各个缓解系统,获得系统的故障频率指标(可转化为系统的可靠性指标);继而,将系统的可靠性指标分配到系统中的各个部件,获得部件的可靠性指标。

步骤一,系统层次的可靠性指标分配,采用比例分配法。当新的设计与老的设计在结构、材料、工艺、使用环境等方面非常相似时,比例组合法较为方便[12]。基于项目组建立的聚变堆安全评价模型(含可能造成危害剂量的始发事件、事件树事故序列和缓解系统故障树),定量分析可获得当前设计下,聚变堆超出危害剂量频率,此时分配的目的是将更优的频率要求分配到系统。由于设计本身未发生变化,因此采用比例分配法。

步骤二,部件层次的可靠性指标分配,采用评分分配法。聚变反应堆兼具结构复杂、部件技术成熟度不高、运行环境严苛、系统中各个部件运行时间差异性大以及存在潜在放射性释放风险的特点[13],在进行部件可靠性指标分配时既要考虑安全性因素对可靠性的要求、又要同时考虑复杂程度、技术成熟度、运行环境和运行时间对部件可靠性指标制定的影响。评分分配法采用评分对各个因素进行综合分析以获得系统各组成单元之间的可靠性相对比值[14],采用该方法对部件可靠性指标制定时需考虑的各个因素进行统筹权衡。

2 系统可靠性指标分配

2.1 分配法概述

社会存在决定着社会关系,但存在多元化的价值观念并不意味着其具有合理性,“超女热”“相亲热”“考证热”“出国热”等现象需要引起重视。经济成分的多元化,必然会导致价值观念的多元化,所以不能简单地再以重集体轻个人为标准来评价青年的道德水平,而是以青年的价值观念是否与社会倡导的价值观念一致以及青年所持有的价值观念是否有利于社会发展为衡量标准。

比例分配方法依托于系统的可靠性模型,传统的可靠性建模方法的着眼点在于系统功能,并没有体现部件在安全功能中的贡献。由于聚变堆存在放射性风险,本文基于概率安全评价理论得到的装置模型(始发事件、故障树和事件树)计算分配比例[15],从而分析得出当前设计方案下各个系统执行安全功能时所须达到的可靠性要求。具体来说,首先,找出可能造成危害剂量的始发事件并建立事件树、缓解系统故障树;在此基础上对事件树进行定性分析得出所有的事件序列、对缓解系统故障树进行定量分析计算出系统故障概率。之后,根据定性和定量分析的结果计算出分配比例,采用比例分配法将装置危害剂量的允许发生频率指标值分配到各个缓解系统。

2.2 分配过程

针对已有的聚变反应堆设计方案,研究推荐的危害剂量限值为D0,允许发生频率为P0

本文首先在项目组研究所得的聚变堆危害剂量和允许的发生频率的基础上,采用比例分配法将装置允许发生频率值分配到各个缓解系统,其中的分配比例通过聚变堆的概率安全评价模型计算获得;继而,采用评分分配方法将系统的可靠性指标分配到各个部件。该方法在进行可靠性指标分配时紧扣聚变堆安全,采用概率安全评价模型计算分配比例,并在传统评分分配方法的基础上,增加了对部件风险因素的度量。将本文提出的方法与概率安全评价软件[15]以及核计算仿真软件[18]相结合,可以为聚变可靠性指标体系的建立提供有力支持。

5)风险因素

建立各个始发事件对应的事件树,如图1和图2所示。

通过事件树定性分析,得出三条可能造成危害剂量的序列:

[5] WuY,FDS Team.Conceptual DesignActivities of FDS Series Fusion Power Plants in China[J].Fusion Engineering and Design,2006,81(23):2713-2718.

S2:E1AB

S3:E2B C D

对聚变电厂的缓解系统进行分析,建立缓解系统A,B,C,D的故障树。通过故障树定量分析,可获得系统的故障概率P(A),P(B),P(C),P(D)。

化合物 3B02:质谱 ESI/MS(negative mode),m/z 242,[M-H]-。 1H NMR(500 MHz,CDCl3,TMS),δ为7.29~7.37(m,4H),7.19~7.23(m,2H),7.04(t,J=8.5 Hz,2H),6.05(br.s,1H,NH),4.59(d,J=6.0 Hz,2H),2.46(s,3H)。

2)系统故障概率分配

聚变堆危害剂量的允许发生频率包含序列S1、S2和S3的发生频率。根据加法原理,危害剂量事故发生的总频率可由各序列频率加总得到:

P=P(S1)+P(S2)+P(S3)=P(E1·B)+P(E1·A·B)+P(E2·B·C·D)

当计算出来的频率P高于要求达到的频率P0时,采用比例组合法为各个系统分配新的频率指标,比例因子k=P0/P。

(2)秸秆灰渣作为吸附材料,对所制染液的最佳吸附条件为:灰渣粒径 60~100 目、投放量 2.5g·L-1、温度20℃,pH值为5~7。脱色率高达80%以上。

  

图1 始发事件E1对应的事件树Fig.1 Event Tree of the First Initiator Event

  

图2 始发事件E2对应的事件树Fig.2 Event Tree of the Second Initiator Event

再利用比例因子为各系统分配新的故障概率指标:P’(A)=kP(A),P’(B)=kP(B),P’(C)=kP(C),P’(D)=kP(D)。

假定事故序列中涉及的各系统相互独立,则按照概率论中独立事件积的概率计算方法,事故序列的概率等于其中各个系统故障概率的乘积(这是个近似值,当系统的故障概率很小时,这样的处理在工程上是可以接受的[16])。从而:

 

即,该分配方法可以保证装置达到的总体频率指标P’小于要求的频率指标P0,结果是保守的。

对于赛利亚“混杂化”文化身份的确立,可在西斯内罗斯“混杂化”的写作语言和中得以体现。西斯内罗斯在用英语创作时融合了西班牙语,特别是与墨西哥文化相关的一些饮食、音乐和宗教,都保留了其母语名称。这产生了所谓的文学“重写本”,也就是杂交的一种形式。(Bruce,1990:19)这也是西斯内罗斯对文化身份的一种诠释和理解。

3 部件可靠性指标分配

在确定了各系统的故障概率指标后,依据可靠性工程知识可以将其转化为系统的可靠性指标,再通过评分分配方法可将其分配为部件的可靠性指标。

3.1 部件评分的考虑因素

根据聚变堆的工程特点,部件评分分配法中需综合考虑五方面的影响因素:复杂程度因素、技术成熟度因素、使用环境因素、工作时间因素以及风险因素:

1)复杂程度因素

聚变堆系统复杂、部件数量大,需根据产品组成单元的数量以及它们组装的难易程度来评分。对于复杂程度低的部件,给予较高评分(分配较高的可靠性指标),因为其越简单,达到高可靠性就越容易并且经济上的付出更小。

2)技术成熟度因素

与裂变反应堆不同,聚变堆中应用了很多新的工业技术,如超导线圈、热室、氚工厂、大功率的微波加热系统等等。这些技术的成熟度差别较大,所以需要对部件的技术成熟度进行评估。在评分中对技术上成熟的产品应给予较高评分(分配较高的可靠性指标),因为对这种产品提出高可靠性要求不会延长研制时间而显著的增加费用。

3)使用环境因素

这是一则有关香港南丫岛撞船事故的报道,整个语篇不足130字,篇幅短小,字字有用,句句有着落。没有废话,不拖沓,不冗长。修辞语义清楚明白,不费解,不含糊,读者一看即明。再看新华网的:

[7] Wu Y,FDS Team.Conceptual Design and Testing Strategy of a Dual Functional Lithium-lead Test Blanket Module in ITER and EAST[J].Nuclear Fusion,2007,47(11):1533.

4)工作时间因素

聚变堆在运行时,每个部件的工作时间存在差别。例如,备用的部件和在役的部件其工作时间不同。对于工作时间短的部件,给予较高评分(分配较高的可靠性指标),因为工作时间对该部件可靠性降低的影响较小。

从推荐的危害剂量出发对聚变堆设计方案进行工程评估,研究放射性源项的场所、放射性物质释放的路径与方式以及聚变堆相应的响应动作。假设可得出始发事件E1,E2(始发事件的单位为频率值,如次/年)。

森林保护是近年来我国非常注重的一个生态保护课题。林业建设工作在我国的地位举足轻重。近年来,伴随着环境问题的日益严重,森林保护工作的实施,可以解决我国非常多的环境问题。森林资源也是我国非常重要的自然财富,因此,森林保护工作必须尽快落实。本文重点分析了森林保护中存在的问题,并提出了相关的对策。

与普通工业设施不同,聚变反应堆存在放射性核素的释放风险,因此在评分时必须着重考虑部件风险因素。本文中,采用风险指引技术为部件风险因素评分,评分过程如下所述。

3.2 基于风险指引技术的部件风险因素评分

概率安全评价中通过重要度分析(重要度也称为安全/风险重要度,是各种用于描述对电厂安全影响程度的参数),引导设计人员加强对安全影响大的重要部件的关注程度,使电厂在满足安全目标的同时将有限的资源进行优化配置。

通过定义不同类型的重要度参数,可以从不同的角度评价部件在不同状态下对核电厂风险的影响。常用的重要度参数包括FV重要度,风险增加当量RAW,风险减少当量RRW,Birnbaum重要度,关键重要度等等。其中,RAW重要度衡量当基本事件Xi因为失效、实验或维修而不可用时,其需要返回到工作状态的迅速程度方面的要求。RAW重要度大,则要求与基本事件相对应的部件的试验、维修或失效的时间要更短,以尽快恢复到工作状态[17]。由于RAW反映了当基本事件Xi失效后剩余未失效系统在纵深防御方面水平的高低,研究人员也把RAW重要度称为安全重要性参数,它可以用来评价部件的风险因素。

3.3 部件可靠性指标分配

这里以系统的可靠度RA,RB,RC,RD为例说明分配过程。

采用评分分配法可将系统的可靠度分配到各个部件。首先,计算各个部件五项因素的评分(加总可得到部件i的评分,以及整个系统的总评分)。前四项因素的评分方法与一般工业领域中采用的评分方法一致,因此,下面主要介绍部件风险因素的评分方法,以及在部件现有的可靠性指标值基础上,如何根据部件总评分优化产生新指标。

假设系统A对应故障树如图3所示。

我来自川庆钻探长庆井下技术作业公司,目前在公司对外合作项目部工作,我公司项目部负责长北壳牌和苏南道达尔两个中石油长庆油田的对外合作区块的完井服务总包项目。这个案例反应的是项目部和道达尔公司之间合作出现的沟通难题和如何顺利解决整个过程的心得体会。

  

图3 系统A的故障树模型Fig.3 Fault Tree Model of SystemA

基本事件Xi对应的部件为Ci,故障树定量分析计算出Ci的 RAW重要度为Ii,(i=1,2,3,4,5)。依据工程实际,容易知道系统A的RAW重要度的可能区间,为其划分出评分等级(对应1~10分),从而可以根据Ii值的大小评出部件Ci的风险因素分值。

图1和图3表明:产品中值粒径在10.30~11.04μm之间波动,随反应温度的升高基本没有改变,产品粒径分布与颗粒表面形貌随温度升高也基本没有变化。虽然反应温度不同,但反应时间较短,晶体析出时的溶液密度、钼浓度等没有太大差异,因此粒子的中值粒径、粒径分布及表面形貌相差不大。根据不同反应温度产物的SEM图,产物均未出现团聚,颗粒表面形貌完整,颗粒大小较均匀呈片状。因此,综合以上诸因素,选择80℃作为最优反应温度。

将部件风险因素分值与该部件其他因素的评分值相加,计算出Ci所有因素的评分和iw。

(wij表示第i部件第j个因素的评分)

评分和iw综合体现了各个部件在指标提升方面的相对关系,可作为部件可靠性指标优化的定量依据。根据各评分因素的含义,评分和越高的部件,提升其可靠性指标付出的资源成本越小(复杂程度、技术成熟度因素)、或是在目前技术条件下更便于达到更高的可靠性指标(使用环境因素)、或是其可靠性指标更易维持在高的水准(工作时间因素),或是对装置的安全性的贡献越大(风险因素),因此越应该在可靠性指标分配过程中加大数值上的提升力度。

在此基础上,可以采用不同方法开展部件可靠性指标的优化。例如,以最低评分和的分值为单位值,对各部件评分和iw进行归一化,得到分配参考评分。对于部件当前的可靠度指标iCR,将其乘以分配参考评分,即得到一个线性优化后的部件可靠度指标,如此分配后,若系统的可靠度指标RA尚未达到,可按同样方法重复迭代,直至满足要求。

4 结论

1)建立评价模型与分析

致谢 感谢FDS团队其他成员为本工作的顺利开展提供的支持与帮助。

本文提出了一种可应用于卫星导航接收机的多频点通用射频模块的设计,利用AD8347与SI4133芯片,搭建了射频模块电路。经过多次试验,该多频点通用射频前端模块与实验室现有数字基带板搭配,能供应准确的定位服务,达到预期的功能;并可以实现单个射频通道对L1,B1频点的同时定位处理,应用于RTK接收机可以实现厘米级定位。

参考文献:

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[2] Dagui Wang,Jin Wang,Run Yuan,et al.RAMI Analysis of HCCB TBS for ITER[J].Journal of Fusion Energy,2015,34:1094-1099.

[3] Miao Nie,Jiaqun Wang,Jin Wang,et al.Reliability Data Analysis for Tritium Extraction System Pipes of CN HCCB TBM[J].Journal of Fusion Energy,2015,34:1378-1384.

传统的工业领域常采用比例分配法,该方法适用于新产品与老产品非常相似(即组成产品的各单元类型相同,结构、材料、工艺、使用环境等相似),对新产品提出了更高可靠性要求的情况。那么,就可以根据老产品中各单元的可靠性指标、按新产品可靠性要求,给新产品的各单元分配指标。方法的基本内涵是:认为一定时期内新产品的个别单元在技术上不会有什么重大突破,因此可把新的可靠性指标按各个单元原有能力成比例地进行调整。

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[4] 李博远,胡丽琴,陈珊琦,等.基于故障树和层次分析的可靠性分配方法[J]. 安全环境与工程,2015,22(1):117-120.

S1:E1B

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聚变堆是各种极端环境的载体,既存在着上亿度的高温(真空室中的等离子体)、接近绝对零度的低温(超导系统)、数个特斯拉的强磁场和超强的电流(约束线圈)以及大功率的电磁波(微波加热)。需要评估各个部件的使用环境情况,在非恶劣环境条件下工作的产品应给予较高评分(分配较高的可靠性指标),因为恶劣的环境会增加产品的故障率。

[8] Wu Y,FDS Team.Design analysis of the China dual-functional lithium lead(DFLL)Test Blanket Module in ITER[J].Fusion Engineering and Design,2007,82(15):1893-1903.

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[11]吴宜灿.中国ADS铅基反应堆设计与研发进展[J].Engineering,2016,2(1):262-277.

职业素养细分为“隐性”和“显性”两层面。前者侧重技能,比较便于评估;后者的职业素养,也就是整体层面的职业素养,是比较难于养成与评估的。职业素养可以划分成二、三级素养,以专门化知识、实践动手能力、职业道德、职业意识、个人发展和社会素养为二级素养,以思想品质、职业兴趣、自主学习能力、自我管理水平、与他人合作共事、适应环境与自我调节能力等三级子素养。

[12]王开山,郝宗敏.直升机系统基本可靠性分配方法研究[J].直升机技术,2017,2:33-36+72.

[13]吴宜灿,郁杰,胡丽琴,等.聚变堆安全特性评价研究[J].核科学与工程,2016,36(6):802-810.

由于在工作时种箱与滚筒之间会产生摩擦,为了防止摩擦过大,种箱和滚筒接触之间会加一些如毛毡一样的摩擦因数比较小的密封装置。为了更好地调节其间的距离,在箱体两侧加工两个槽口,箱体可以通过这个槽口调节种箱与滚筒之间距离的大小,以满足其中心距可调。

[14]马礼兵.针对核电产品的可靠性评分分配法[J].上海电气技术,2017,10(2):24-27.

各镇、各单位要利用多种形式,积极宣传农田林网建设与改善生态环境、提高人民群众生活质量的关系,与抵御自然灾害、改善农业生产条件的内在联系。积极宣传绿化先进典型,曝光毁林案件,通过一系列宣传教育,不断提高广大干部群众的绿化、美化意识,形成“植绿、爱绿、护绿、兴绿”和“保护生态、绿化家园”的文明行为,进一步增强农民群众建设农田林网的热情,形成全民动员、全民参与、全民动手,推进农田林网建设的浓烈氛围。

[15]Yican Wu,FDS Team.Development of Reliability and Probabilistic Safety Assessment Program RiskA[J].Fusion Engineering and Design,2015,83:316-321.

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袁润,王大桂,王海霞,王家群,孙明,陈志斌,吴洁
《核科学与工程》 2018年第02期
《核科学与工程》2018年第02期文献

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