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一种用于核电厂的商用大飞机撞击事件分析评价方法

阅读:607发布:2020-07-21

IPRDB可以提供一种用于核电厂的商用大飞机撞击事件分析评价方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本发明涉及一种用于核电厂的商用大飞机撞击事件分析评价方法,包括:结合核电厂具体设计,确定评估对象;确定飞机撞击工况;根据不同的撞击效应的评价方法,对所述评估对象进行撞击分析评价;判断不同撞击效应造成的损坏范围;判断系统或设备失效情况;进行撞击后果评价,确定所有撞击工况是否都能满足总体验收准则,如果满足则评价完成;如果不满足,则识别设计薄弱环节,采取必要的设计增强措施,重新进行分析评价。本发明针对各类撞击效应不同特点,提供了不同的评价方法,通过评价分析可识别出设计的薄弱环节,采取设计增强措施,提高核电厂应对此类极端外部事件的能力,降低其造成大量放射性释放的风险,满足核安全相关的法规导则要求。,下面是一种用于核电厂的商用大飞机撞击事件分析评价方法专利的具体信息内容。

1.一种用于核电厂的商用大飞机撞击事件分析评价方法,包括如下步骤:(1)结合核电厂具体设计,确定评估对象;

(2)确定飞机撞击工况;

(3)根据不同的撞击效应的评价方法,对所述评估对象进行撞击分析评价,所述撞击效应包括整体效应、局部效应、振动效应和火灾效应;

(4)判断不同撞击效应造成的损坏范围;

(5)判断系统或设备失效情况;

(6)进行撞击后果评价,确定所有撞击工况是否都能满足总体验收准则,如果满足则评价完成;如果不满足,则进入步骤(7);

(7)识别设计薄弱环节,采取必要的设计增强措施,并针对采取措施后的设计方案,重新进行分析评价。

2.如权利要求1所述的用于核电厂的商用大飞机撞击事件分析评价方法,其特征在于:步骤(1)中所述的评估对象包括确保安全壳和乏燃料池完整性、维持堆芯和乏燃料冷却的系统或设施所处的厂房或构筑物;评估对象的确定需要考虑在飞机撞击评估对象的飞行路径上,相邻或相近的厂房或构筑物以及厂址地形条件对识别出的撞击区域起到的遮挡或部分遮挡作用。

3.如权利要求1所述的用于核电厂的商用大飞机撞击事件分析评价方法,其特征在于:步骤(2)中所述的撞击工况包括撞击位置以及撞击角度,撞击位置选取评估对象的外部结构较为薄弱的位置或者附近有关键设施的关键位置;撞击角度以飞机垂直于被撞击点切面撞击为最不利工况。

4.如权利要求1所述的用于核电厂的商用大飞机撞击事件分析评价方法,其特征在于:步骤(3)中所述整体效应的分析评价,采用RIERA模型方法推导飞机的撞击力时程曲线,建立飞机和评价对象的三维有限元模型,分析二者的相互作用关系。

5.如权利要求1所述的用于核电厂的商用大飞机撞击事件分析评价方法,其特征在于:步骤(3)中所述局部效应的分析评价,采用纵深防御的评估准则,对于关键位置的结构,原则上不允许发生局部穿透;如果限于防护困难,无法避免发生局部穿透的可能,则应评估穿透发生后硬飞射物以及穿透过程中形成的碎甲对核安全重要物项的影响;对于局部撞击位置背面,若布置有核安全重要物项,应根据所产生碎甲的大小、质量和速度,评估造成的核安全重要物项损坏程度及对相关安全功能影响,其影响后果需满足总体验收准则。

6.如权利要求1所述的用于核电厂的商用大飞机撞击事件分析评价方法,其特征在于:步骤(3)中所述振动效应的分析评价,选取使振动传递路径尽可能短的撞击位置,接近目标关键设备或设施;分析方法采用荷载时程曲线模拟撞击荷载,或根据设备的中值易损度极限值,对不同易损度范围内的设备开发其振动安全距离值,然后结合具体布置情况进行评价。

7.如权利要求1所述的用于核电厂的商用大飞机撞击事件分析评价方法,其特征在于:步骤(3)中所述火灾效应的分析评价,需先判断整体效应和局部效应造成的物理损坏区域边界,再根据火灾蔓延准则判断出火灾可能抵达的防火区。

8.如权利要求7所述的用于核电厂的商用大飞机撞击事件分析评价方法,其特征在于:所述火灾蔓延准则包括:火灾可以通过常开或被破坏的门、通风管道、楼梯间以及其他孔洞向上、向下以及水平方向蔓延,若发生火灾的第一层防火区或防火空间边界能够承受超压火球的压力和耐火极限时间条件,则认为该防火空间可以阻止火灾蔓延,否则火灾继续蔓延至下一层相邻的防火区或防火空间;若火灾蔓延到的第二层防火区或防火空间能够满足于普通火的耐火极限时间条件,则认为第二层防火分区或防火空间可以阻止火灾进一步蔓延,否则进入下一层防火区或防火空间;火灾蔓延最多至第三层防火区或防火空间。

9.如权利要求1所述的用于核电厂的商用大飞机撞击事件分析评价方法,其特征在于:步骤(4)中所述损坏范围包括整体效应和局部效应造成的物理损坏区域、振动效应造成的振动损坏区域、火灾效应造成的火灾损坏区域。

10.如权利要求9所述的用于核电厂的商用大飞机撞击事件分析评价方法,其特征在于:步骤(5)中,针对物理损坏区域、振动损坏区域、火灾损坏区域分别判断系统或设备的失效情况。

11.如权利要求1所述的用于核电厂的商用大飞机撞击事件分析评价方法,其特征在于:步骤(7)中所述的设计增强措施包括:a)调整布置设计;

b)加强外部构筑物防护能力;

c)加强安全重要物项本身的抵御能力。

说明书全文

一种用于核电厂的商用大飞机撞击事件分析评价方法

技术领域

[0001] 本发明属于核电厂的外部事件防护设计技术,具体为一种用于核电厂的商用大飞机撞击事件分析评价方法。

背景技术

[0002] 911事件后,国际上开始关注商用大飞机撞击国家关键基础设施建筑物的潜在可能,其中核电厂是潜在的撞击目标设施之一。商用大飞机撞击核电厂可能造成:1)厂房整体性的物理损坏;2)厂房局部结构的物理损坏,例如飞机发动机穿透墙体;3)撞击造成的短期高频振动效应;4)飞机燃油的爆炸和火灾效应。
[0003] 目前,国际上先进的三代压水堆核电技术大多把抵御商用大飞机蓄意撞击的能力作为重要技术指标,一般通过对包含关键设备的厂房构筑物设置加厚混凝土防护结构和/或冗余设计叠加一定的距离隔离措施,实现对撞击可能造成整体性的和局部的物理损坏的防护。然而,振动效应和火灾效应将大大扩大撞击造成物理损坏区域的范围,造成损坏区域范围内关键设备或设施的功能失效,进而影响事故后必须的安全功能的执行。因此,有必要结合商用大飞机撞击核电厂的事故后果,对核电厂设计进行全面的分析评价。
[0004] 国内核安全法规要求,对于商用飞机的恶意撞击事件,评价结果应表明核电厂设计可以维持反应堆堆芯的冷却或安全壳的完整性,以及乏燃料的冷却或乏燃料水池的完整性。在现有的核电厂商用大飞机撞击事件分析中,也一般是对核电厂的反应堆安全壳和屏蔽厂房进行物理损坏分析,如“飞机撞击反应堆安全壳的有限元分析”,“大型商用飞机撞击刚性墙及核电屏蔽厂房的撞击力分析”等,忽略了通过完整结构直接作用于设备的振动效应和可能通过缝隙或孔洞蔓延而造成更大范围损毁的火灾效应,评价四种效应导致的综合后果才是对商用大飞机撞击核电厂事件的完整评价。尽管法规给出了分析评价的总体验收准则,但目前并没有一套系统的全面的分析评价方法。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种系统的、全面的用于核电厂的商用大飞机撞击事件分析评价方法,通过应用该方法,有助于识别设计薄弱环节,从而保证核电厂设计满足核安全法规要求的总体验收准则。
[0006] 本发明的技术方案如下:一种用于核电厂的商用大飞机撞击事件分析评价方法,包括如下步骤:
[0007] (1)结合核电厂具体设计,确定评估对象;
[0008] (2)确定飞机撞击工况;
[0009] (3)根据不同的撞击效应的评价方法,对所述评估对象进行撞击分析评价,所述撞击效应包括整体效应、局部效应、振动效应和火灾效应;
[0010] (4)判断不同撞击效应造成的损坏范围;
[0011] (5)判断系统或设备失效情况;
[0012] (6)进行撞击后果评价,确定所有撞击工况是否都能满足总体验收准则,如果满足则评价完成;如果不满足,则进入步骤(7);
[0013] (7)识别设计薄弱环节,采取必要的设计增强措施,并针对采取措施后的设计方案,重新进行分析评价。
[0014] 进一步,如上所述的用于核电厂的商用大飞机撞击事件分析评价方法,步骤(1)中所述的评估对象包括确保安全壳和乏燃料池完整性、维持堆芯和乏燃料冷却的系统或设施所处的厂房或构筑物;评估对象的确定需要考虑在飞机撞击评估对象的飞行路径上,相邻或相近的厂房或构筑物以及厂址地形条件对识别出的撞击区域起到的遮挡或部分遮挡作用。
[0015] 进一步,如上所述的用于核电厂的商用大飞机撞击事件分析评价方法,步骤(2)中所述的撞击工况包括撞击位置以及撞击角度,撞击位置选取评估对象的外部结构较为薄弱的位置或者附近有关键设施的关键位置;撞击角度以飞机垂直于被撞击点切面撞击为最不利工况。
[0016] 进一步,如上所述的用于核电厂的商用大飞机撞击事件分析评价方法,步骤(3)中所述整体效应的分析评价,采用RIERA模型方法推导飞机的撞击力时程曲线,建立飞机和评价对象的三维有限元模型,分析二者的相互作用关系。
[0017] 进一步,如上所述的用于核电厂的商用大飞机撞击事件分析评价方法,步骤(3)中所述局部效应的分析评价,采用纵深防御的评估准则,对于关键位置的结构,原则上不允许发生局部穿透;如果限于防护困难,无法避免发生局部穿透的可能,则应评估穿透发生后硬飞射物以及穿透过程中形成的碎甲对核安全重要物项的影响;对于局部撞击位置背面,若布置有核安全重要物项,应根据所产生碎甲的大小、质量和速度,评估造成的核安全重要物项损坏程度及对相关安全功能影响,其影响后果需满足总体验收准则。
[0018] 进一步,如上所述的用于核电厂的商用大飞机撞击事件分析评价方法,步骤(3)中所述振动效应的分析评价,选取使振动传递路径尽可能短的撞击位置,接近目标关键设备或设施;分析方法采用荷载时程曲线模拟撞击荷载,或根据设备的中值易损度极限值,对不同易损度范围内的设备开发其振动安全距离值,然后结合具体布置情况进行评价。
[0019] 进一步,如上所述的用于核电厂的商用大飞机撞击事件分析评价方法,步骤(3)中所述火灾效应的分析评价,需先判断整体效应和局部效应造成的物理损坏区域边界,再根据火灾蔓延准则判断出火灾可能抵达的防火区。
[0020] 所述火灾蔓延准则包括:火灾可以通过常开或被破坏的门、通风管道、楼梯间以及其他孔洞向上、向下以及水平方向蔓延,若发生火灾的第一层防火区或防火空间边界能够承受超压火球的压力和耐火极限时间条件,则认为该防火空间可以阻止火灾蔓延,否则火灾继续蔓延至下一层相邻的防火区或防火空间;若火灾蔓延到的第二层防火区或防火空间(空间满足超压火球的压力消散)能够满足于普通火的耐火极限时间条件,则认为第二层防火分区或防火空间可以阻止火灾进一步蔓延,否则进入下一层防火区或防火空间;火灾蔓延最多至第三层防火区或防火空间。
[0021] 进一步,如上所述的用于核电厂的商用大飞机撞击事件分析评价方法,步骤(4)中所述损坏范围包括整体效应和局部效应造成的物理损坏区域、振动效应造成的振动损坏区域、火灾效应造成的火灾损坏区域。
[0022] 进一步,如上所述的用于核电厂的商用大飞机撞击事件分析评价方法,步骤(5)中,针对物理损坏区域、振动损坏区域、火灾损坏区域分别判断系统或设备的失效情况。
[0023] 进一步,如上所述的用于核电厂的商用大飞机撞击事件分析评价方法,步骤(7)中所述的设计增强措施包括:
[0024] a)调整布置设计;
[0025] b)加强外部构筑物防护能力;
[0026] c)加强安全重要物项本身的抵御能力。
[0027] 本发明的有益效果如下:本发明对商用大飞机撞击核电厂可能造成的各类撞击效应进行了全面的、系统的评价分析,具体的评价分析方法实用性强,针对各类撞击效应不同特点,提供了不同的评价方法,而且通过评价分析可以识别出设计的薄弱环节,采取设计改善或增强措施,提高核电厂应对此类极端外部事件的能力,降低其造成核电厂大量放射性释放的风险,满足核安全相关的法规导则要求。

附图说明

[0028] 图1为本发明所提供的核电厂商用大飞机撞击事件分析评价方法的流程图。
[0029] 图2为本发明具体实施例中筛选评估对象的最低标高方法示意图。
[0030] 图3为本发明具体实施例中撞击损坏区域的平面示意图。

具体实施方式

[0031] 下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
[0032] 如图1所示,本发明所提供的一种用于核电厂的商用大飞机撞击事件分析评价方法,包括以下步骤:
[0033] (1)结合核电厂布置和防护大型商用飞机撞击策略来筛选需要进行评估的对象(或区域)。重点关注确保安全壳和乏燃料池完整性、维持堆芯和乏燃料冷却的系统或设施所处的厂房或构筑物。
[0034] 对于一个典型的压水堆核电厂,以下厂房或构筑物需要进一步的分析:
[0035] --反应堆厂房(安全壳)
[0036] --燃料厂房
[0037] --主控室
[0038] 以下厂房或结构可能需要进一步分析(一般安全系统设计具有冗余性和多样性,需结合具体设计判断在某撞击工况中是否需要相应安全功能投入及该安全功能是否完全失效):
[0039] --含安全系统的厂房或构筑物
[0040] --含安全支持系统(冷却、通风、电源、仪控)的厂房或构筑物
[0041] 另外,筛选评估对象需考虑在飞机撞击评估对象的飞行路径上,相邻或相近厂房构筑物(如辅助厂房、冷却塔)以及厂址地形条件(如附近的山坡)可能对识别出的撞击区域起遮挡或部分遮挡作用。被厂房构筑物(或地形条件)遮挡的高度可以通过相近厂房构筑物(或地形条件)的高度和相对距离来计算。
[0042] 如图2所示,评估对象可能被撞击到的最底标高hp:
[0043] hp=Ho-D×GS
[0044] 输入参数:
[0045] Ho为周边构筑物(或地形条件)的高度;
[0046] D为周边构筑物(或地形条件)到评估对象的距离;
[0047] GS为滑翔斜率,指每飞行单位水平距离所下降的高度。通常由于商用大飞机的潜在滑行角度在水平0-10°范围,因此该GS值可保守认为10°角的正切值,即GS=tanα=tan10°
[0048] (2)确定飞机撞击工况,撞击工况包括撞击位置以及撞击角度等。
[0049] 商用大飞机撞击核电厂的发生位置有极大的不确定性,所有暴露在外的位置均有被撞击的可能。通常选取评估对象的外部结构较为薄弱的位置或者附近有关键设施的关键位置进行分析,且假设飞机垂直于被撞击点切面撞击的最不利工况。本实施例中的评估对象为某核电厂电气厂房某标高层3个并排设置的跨岛电缆孔洞,假设大飞机垂直于电气厂房立面墙撞击,撞击位置在该层中间标高。
[0050] (3)根据不同撞击效应的分析准则,对评估对象进行撞击分析评价,撞击效应包括整体效应、局部效应、振动效应和火灾效应。
[0051] 3a)整体效应
[0052] 通常采用RIERA模型方法推导大飞机的撞击力时程曲线,建立飞机和评价对象的三维有限元模型,分析二者的相互作用关系。RIERA模型方法由J.D.Riera提出,为本领域的公知方法。本实施例中电气厂房外侧设置有抗大飞机撞击壳,通过结构有限元分析表明该壳在受到大飞机撞击时不会导致结构整体坍塌,最大位移小于抗大飞机撞击壳与内部厂房墙体的间距。
[0053] 3b)局部效应
[0054] 本发明对于局部效应的分析评价采用纵深防御的评估准则,对于关键位置的结构,原则上不允许发生局部穿透;如果限于防护困难,无法避免发生局部穿透的可能,则应评估穿透发生后硬飞射物以及穿透过程中形成的碎甲对核安全重要物项(属于某一安全组合的一部分,其失效或故障可能导致厂区人员或公众的辐射照射物项)的影响;对于局部撞击位置背面,若布置有核安全重要物项,应根据所产生碎甲的大小、质量和速度,评估造成的核安全重要物项损坏程度及对相关安全功能影响,其影响后果需满足总体评估准则。
[0055] 飞机发动机是硬飞射物,其穿透是最主要的局部效应。对评估对象的局部穿透分析通常采用经验公式法计算硬飞射物撞击评估对象墙体的穿透速度或穿透厚度,或采用飞射物—靶标相互作用的三维有限元模拟分析,这些经验公式法或三维有限元模拟分析均为结构分析的公知方法,例如,“Local Damage to Reinforced Concrete Structures Caused by Aircraft Engine Missiles:Part2.Evaluation of Test Results,”T.Sugano,et al.,Nuclear Engineering and Design,Volume 140,pp.407-423,1993.。如果发动机的初始速度超过了墙体的穿透速度,则需要考虑发动机在穿透该墙体后继续与内部结构或设施发生的二次撞击。发动机在穿透墙体之后,将损失一部分质量,被压成了一个半实心结构,并且在随后的二次撞击过程中仍然能够压缩变形。
[0056] 本实施例中同一层的三个跨岛电缆孔洞相距较近,撞击时极易造成局部穿透,直接损坏厂房内部的位于孔洞相邻房间(L610)内的仪控机柜。
[0057] 3c)振动效应
[0058] 本发明对于振动效应的分析评价,选取使振动传递路径尽可能短的撞击位置,接近目标关键设备或设施,该振动传递路径为撞击中心点通过连续的结构到达目标关键设备或设施最短的传递路径;分析方法采用荷载时程曲线模拟撞击荷载,或根据设备的中值易损度极限值(Median fragility limit,是由设备高频振动试验所得的振动破坏极限值乘以一个特定的“放大系数”得到),对不同易损度范围内的设备开发其振动安全距离值,然后结合具体布置情况进行评价。具体来说,就是要通过研究振动传播特性,利用大量数据拟合出楼板振动谱加速度与距离之间的衰减关系曲线,得到不同易损度设备对应的振动安全距离值。
[0059] 本实施例中电气厂房外侧有抗大飞机撞击壳,撞击产生的振动仅通过抗大飞机撞击壳向下传递至共用筏基,大大降低了内部厂房的飞机撞击振动反应谱,不会造成厂房内部设备损坏或功能失效。另外,对于外侧没有独立设置抗大飞机撞击壳的厂房,则通过安全重要设备至撞击点的振动传递路径与该设备的振动安全距离对比,确定该设备是否失效,再评价该设备失效后的影响。
[0060] 3d)火灾效应
[0061] 本发明对于火灾效应的分析评价,需先判断整体效应和局部效应造成的物理损坏区域边界,再根据火灾蔓延准则判断出火灾可能抵达的防火区。
[0062] 所述火灾蔓延准则包括:火灾可以通过常开或被破坏的门、通风管道、楼梯间以及其他孔洞(如栅门、栅格等)向上、向下以及水平方向蔓延,若发生火灾的第一层防火区或防火空间边界能够承受超压火球的压力和耐火极限时间条件,则认为该防火空间可以阻止火灾蔓延,否则火灾继续蔓延至下一层相邻的防火区或防火空间;若火灾蔓延到的第二层防火区或防火空间(空间满足超压火球的压力消散)能够满足于普通火的耐火极限时间条件,则认为第二层防火分区或防火空间可以阻止火灾进一步蔓延,否则进入下一层防火区或防火空间;火灾蔓延最多至第三层防火区或防火空间。
[0063] 本实施例中,根据3a)和3b)分析结论,该实施例中物理损坏区域为硬飞射物穿透孔洞后的相邻房间(L610)。飞机燃油通过被穿透的洞口飞溅进入L610,并发展成为内部超压火球。火球将导致L610房间的三个防火门超压失效,火灾将蔓延至相邻防火区5SFSL0680A(L609、L611和L612)、5SFSL0682A(L613)和5SFS0683A(L614),如图3所示,使这些房间内的重要仪控电子机柜丧失功能。鉴于电气厂房内部设置有较多的电缆等易燃物,火灾载荷较大,更增大了火灾进一步蔓延的风险,可能威胁位于该层的远程停堆站。
[0064] (4)判断各类撞击效应造成的损坏范围。
[0065] 根据步骤(3)的分析结果,整体效应和局部效应造成的物理损坏区域在孔洞相邻的房间L610;振动效应不造成振动损坏区域;火灾效应造成的火灾损坏区域在L609、L611、L612、L613和L614。这些区域的和集作为该工况下的大飞机撞击损坏区域图,如图3所示。
[0066] (5)判断系统或设备失效情况。
[0067] 对于物理损坏区域,该区域内的任何设备和设施立即失效,本实施例中主要是A列的仪控机柜;对于振动效应,不同易损度范围的设备或设施类型对应不同的振动损坏区域,本实施例中没有振动损坏的设备;对于火灾损坏区域,该区域内的电缆和电气设备有5分钟的运行时间裕度,本实施例中火灾蔓延的房间L609、L611、L612、L613和L614内布置有A列仪控机柜、反应堆保护系统第I组和第III组的机柜以及相关电缆等。
[0068] (6)根据总体验收准则进行撞击后果评价。
[0069] 根据上述分析得出撞击后剩余安全系统或设施,分析是否满足总体验收准则。如果通过上述评价所有撞击工况都能满足总体验收准则,则不需要进一步动作,评价完成,形成分析成果文件;如果不满足,则继续下一步动作。本实施例中,重要控制机柜的丧失会导致用于维持堆芯冷却的安全功能不能及时投入,且鉴于电气厂房的特殊性,火灾载荷较大,必须对本实施例中的三个跨岛电缆孔洞进行防护。
[0070] (7)识别设计薄弱环节,采取必要的设计增强措施。
[0071] 通常增强设计措施有以下几种:
[0072] a)调整布置设计。
[0073] b)加强外部构筑物防护能力。
[0074] c)加强安全重要物项本身抵御能力,包括增加冗余度、多样性、实体隔离。
[0075] 本实施例中,考虑设计成本,采取在洞口外设置与抗大飞机撞击壳相连的混凝土防护罩,来抵御局部穿透效应和火灾效应。对采取了设计增强措施的方案重新进行分析评价,所有撞击工况都能满足总体验收准则。
[0076] 显然,本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样,倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内,则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
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