核电站延期运行：基本风险评估建模

核电站延期运行：基本风险评估建模

随着全球能源需求的不断增长和对低碳能源的迫切需求，核电站的延期运行成为了一个重要的议题。为了确保核电站能够安全地延长运行时间，需要进行严格的风险评估和模拟。本文将介绍核电站延期运行的基本风险评估建模方法，包括有限元分析和地震巡检等关键步骤。

必须延期运行

今年3月，EDF宣布计划延长其运营的希舍姆核电站1号机组和哈特尔普尔核电站的运行时间。

根据国际原子能机构(IAEA)的数据，全球有442座核反应堆，其中有三分之二以上的反应堆已经运行了30多年，接近或已经超过了其最初预期的40年寿命。另外，全球约有100座反应堆的运营许可证已经延期。

然而，IAEA还预测，除非延长更多的反应堆运营许可证，否则现有的核电产能将在2030年前急剧下降，特别是在欧洲和北美地区，这些地区的现有核电站计划在2060年前退役。在发电行业面临到2050年几乎完全从化石燃料转向低碳能源的巨大挑战的背景下，延长核电站的寿命，可以提供一条有效的途径来帮助实现未来的低排放能源目标。

尽管核电站本身没有固定的寿命，但电站的组件有。为了保证一座核电站的持续运行，确保超过每个核设施建造时的设计标准，必须证明核电站中没有零部件出现问题。最近的一个例子是，法国电力能源公司(EDF Energy)将其哈特尔普尔核电站和希舍姆核电站1号机组的运行寿命延长了两年，可以运行到2026年3月，这两座核电站原定于2014年退役。

为了实现这一目标，EDF需要向英国核监管局(ONR)陈述其延期的具体情况，包括证明核电站可以安全地实现他们想要的目标。

值得一提的是，对于这种核电厂的运营延长理由程序，同样适用于任何拥有核许可证的组织，不仅仅是发电厂。核电站成功延长运营时间的关键是进行核风险评估，评估方法包括有限元分析(FEA)和地震巡检，主要为建模和仿真过程。

证明延期运行合理的理由

荷兰的博尔塞尔核电站的运营时间已经延长(图源：EPZ)

必须要提出明确的理由来支持延长现有核电站的运营时间。

与核电新建项目相比，运营时间延长项目的资本密集度要低得多，施工时间要短得多，成本控制更容易，施工延误更少。

在这种情况下，整理延长运营时间合理的理由就显得意义重大，特别是在当下的碳减排背景下。

然而，延长运营时间的评估，不应仅仅包括反应堆堆芯本身及其操作情况。核电站运行的各个方面都应进行评估，并证明其能够安全运行。

延长运营时间的理由，应侧重于运营商证明他们已经识别，并正在安全地管理核电系统、结构和组件中的任何老化问题。

此外，运营商应该确认操作、结构和环境参数和条件没有恶化，对个人和环境的风险没有增加。

安全是任何运营时间延长计划的核心问题，在修订后的安全案例中，运营商应考虑任何新的或升级的风险、危害水平，或引入的新标准。

同样重要的还要考虑，随着设备达到其原始设计寿命，并进行了部件更换，安全案例将不断发展。

在建立安全案例时，核电运营商必须考虑几个方面。

在这些考虑因素中，建模、模拟和地震巡检在核风险评估中的作用十分重要。

例如，通过使用有限元分析(FEA)，可以研究部件结构、厂房和设备在正常运行(日常)设计载荷和极端危险(如地震、天气影响和爆炸载荷)下的行为。包括线性和非线性方法以及分析方法。地震巡检在评估过程中也十分重要，可以实时审查设施、基础设施以及当前状况和位置的厂房和设备。

巡检过程可以考虑到概念、设计或安装图纸或参考的任何变化，并评估真实情况，包括材料退化和损坏。此外，地震巡检审查能够识别和考虑地震事件期间可能发生的与相邻工厂和设备的潜在相互作用，而基于桌面的评估可能不会考虑这些相互作用。

地震巡检

使用高速摄像机和传感器从模拟地震事件中收集数据(图片：DOE)

有限元分析和地震巡检过程均可用于新设施的检查，操作员应为任何新结构、起重机或厂房和设备提供详细的设计分析和评估。

这其中重要的是要证明，已经对现有结构和工厂进行了评估，确定了可能影响安全案例的新危险或载荷的潜在影响。

因此，运营商应考虑针对静态和动态载荷情况，进行结构评估和论证，包括爆炸、地震和其他自然灾害，如气候变化影响。

此外，还应评估结构元件、连接和改造解决方案的设计，以减轻结构脆弱性，同时根据技术规范和图纸进行工程验证计算。

此外，还应评估新设施对现有结构、厂房和设备的影响，以及独立技术评估(ITA)。作为工程验证的一部分，应针对正常运行或极端负载情况，对新的和现有的机械装置和设备进行评估。

审查领域应包括：

• 设施巡检评估;
• 证实设备和支持系统的工程计算;
• 改造解决方案包的设计;
• 管道系统的应力和疲劳分析;
• 加压系统分析;
• 电源分析;
• 使用抗震鉴定实用程序组(SQUG)通用实施程序(GIP)进行设备鉴定;
• 起重机分析和设计审查。

特别是考虑到起重机，操作员应通过量化相关风险来了解与其起重机相关的潜在漏洞，减少潜在的安全和操作影响。

通过考虑荷载条件的变化，可以进行详细的分析，以了解结构的完整性。

审查领域应包括：

• 结构/机械应力分析;
• 地震评估与结构耦合评估;
• 动态加载;
• 结构塑性变形;
• 疲劳和应力状态分析;
• 根据国际实践规范进行设计审查。

整理延长核设施运营时间的安全案例，涉及多个复杂的过程，涉及核电站的每个操作方面。

对于那些希望延长工厂预期运营时间的人来说，利用有限元分析和地震巡检方法制定一个清晰、深思熟虑的计划是非常有效的。