核电厂厂址选择中飞机坠毁事件的评价程序及概率确定方法

　第30卷　第1期　2010年　3月核科学与工程

ChineseJournalofNuclearScienceandEngineering

Vol.30　No.1Mar.　2010

核电厂厂址选择中飞机坠毁事件的

评价程序及概率确定方法

郑启燕1,张力军12

(11,;,100037)

,以及在初步筛选评价和详细评价两个不同,除了考虑一般空运飞行、机场起落和空中走廊的飞机坠毁概率之外,还考虑了军用空域的军事训练导致的飞机坠毁概率。关键词:核电厂;厂址选择;飞机坠毁;概率

中图分类号:TL36　　文献标志码:A　　文章编号:025820918(2010)0120091206

Assessmentprocedureandprobabilitydeterminationmethods

ofaircraftcrasheventsinsitingfornuclearpowerplants

ZHENGQi2yan1,ZHANGLi2jun1,HUANGWei2qi1,YINQing2liao2

(1.DepartmentofNuclearDefence,InstituteofChemicalDefense,Beijing102205,China;2.ChinaNuclearEngineeringandConstructionCorporation,Beijing100037,China)

Abstract:Assessmentprocedureofaircraftcrasheventsinsitingfornuclearpowerplants,andthemethodsofprobabilitydeterminationintwodifferentstagesofprelimi2naryscreeninganddetailedevaluationareintroducedinthispaper.Exceptforgeneralairtraffic,airportoperationsandaircraftinthecorridor,theprobabilityofaircraftcrashbymilitaryoperationinthemilitaryairspacesisconsideredhere.Keywords:nuclearpowerplants;siting;aircraftcrash;probability

　　核电厂在进行厂址选择时需要考虑对核电厂安全有潜在影响的各种可能的外部人为事件,其中很重要的内容之一就是对飞机坠毁事件的考虑。根据相关法规的规定,对于所选定的厂址,应对包括飞机坠毁事件在内的外部人为事件根据一定的筛选标准进行初步筛选,低于初步筛选标准的事件可不必考虑,高于初步筛选标准的事件应进行详细评价,详细评价的

收稿日期:2008206227;修回日期:2008211226

),男,湖北荆州人,讲师,博士,从事核安全方面研究工作作者简介:郑启燕(1975—

91

结果如果高于设计基准概率值,则应确定相应的设计基准,以从设计上防止、缓解或控制此类事件对核电厂安全的影响,达不到目标的选址应予以放弃[1]。我国早期的核电厂都建在沿海地区,选址大多是选择尽量避开飞机坠毁的潜在危险,或根据简单的工程判断来确定设计基准[2]。随着我国核工业的快速发展,越来越多的内陆地区也开始了核电厂的建造规划,这些地区的航空事业(包括民用及军用航空)一般都比较发达,因而飞机坠毁事件的影响在核电厂选址中就成了需要慎重考虑的问题,价。选择中飞机坠毁事件评价的流程进行介绍,并对飞机坠毁事件的概率确定方法进行初步探讨。

1　评价程序

根据核安全法规《核电厂厂址选择的外部人为事件》的要求,核电厂厂址选择中飞机坠毁事件的评价可以分为三个阶段:、详细评价和危害评价[1]。时。,在评价之前(、空中交通走廊和飞))。核电厂厂址选择中的飞机坠毁事件评价流程如图1所示

。

图1　核电厂厂址选择中的飞机坠毁事件评价流程

Fig.1　Assessmentprocedureofaircraftcrasheventsinsitingfornuclearpowerplants

　　初步筛选评价有两种方法:筛选距离值法

和筛选概率水平法。筛选距离值法就是确定一个筛选距离值(SDV),该距离以外的可能发生飞机坠毁事件的潜在源可以不必考虑。筛选距92

离值是根据超出筛选距离之外的潜在危险在安全方面可以忽略不计来确定的,它是对坠机危害谱进行评价后得到的。核安全法所推荐的筛选距离值如下。

(1)在核电厂4km范围内经过的航线或

起落通道;

(2)厂区10km范围内的机场;

(3)厂区16km范围内,每年设计起落大于193d2次的机场和16km范围外设计年起落大于386d2的机场(这里的d是以km为单位的离厂区的距离);

(4)厂区30km范围内的军事设施或轰炸演习区之类的空域。

一些国家对于上述第三条的筛选距离值采取的值为厂区16km于500d2的机场和16km于1000d2的机场[3]平(SPL),低于此概率水平,则所选厂址可以不必考虑飞机坠毁事件的影响。特定区域的飞机年坠毁概率要考虑以下三部分概率:全国一般空运飞行在厂区的年坠毁概率、由于飞机在机场起落而在厂区的坠毁概率、在主要空中走廊内和在高事故率的特定地点的飞机在厂区的坠毁概率。由于通常将10-7/堆・年作为具有严重放射性后果的影响事件概率值的可接受限值,所以核安全法推荐的飞机坠毁事件的筛选概率水平值为10000m2面积上飞机年坠毁概率10-7。

对于采用筛选距离值法未能满足条件的厂址需采用筛选概率水平法进行评价,采用筛选概率水平法仍未能满足条件的厂址需要对飞机坠毁事件进行详细评价。

详细评价就是对每一类型的飞机(小型、中型和大型民用及军用飞机)确定在该地区一架飞机坠毁的概率,结果以每年单位面积坠毁次数的形式表示,在此基础上估算对核电厂有影响的飞机坠毁概率,可用每年单位面积坠毁次数乘以受损坏安全重要物项的有效面积的形式确定。有效面积的大小,取决于飞机坠落轨迹与水平面的平均夹角、相应构筑物的平面面积及其高度,与安全重要物项有关的其他面积以及为飞机大小所留的裕量。将评价结果与设计基准概率值(DBPV)进行比较,如果考虑厂址有效面积的飞机年坠毁概率低于DBPV,则可以不做进一步分析,由国家核安全部门决定是

否要确定设计基准事件;如果等于或超过DB2PV,应确定设计基准事件,对可能在厂内产生最严重后果的飞机坠毁事件提供防护。国内在建的核电厂大部分是法国M310改进型核电厂,详细评价飞机撞击遵照的是法国的RCC2P中的评价方法,RCC2P中关于飞机坠落几率的说明为:,在厂区范10-6/,,对,取事件发生几率的10-7/机组・年[4]。

当飞机坠毁概率等于或大于DBPV时,应确定后果的严重性,即进行危害评价。对于包括一组可能情景的参考飞机坠毁的确定性假设,对造成的影响进行详细分析,并考虑局部构筑物影响、一次飞射物和二次飞射物的直接破坏、诱发振动和燃料造成的影响。确定是否能通过工程设计或行政措施来有效地限制飞机坠毁事件对核电厂的影响,如果影响可以被有效防止、缓解或控制,则建立设计基准,若不能被有效防止、缓解或控制,则应放弃所选厂址。

2　飞机坠毁概率的确定方法

在飞机坠毁事件的初步筛选评价和详细评价过程中均需要确定飞机坠毁的概率,但这是两种不同的概率,前者所需确定的是厂址所在地区的飞机年坠毁概率,后者所需确定的是对核电厂安全有影响的飞机年坠毁概率,也就是飞机撞击到核安全意义上的重要建筑物上的年坠毁概率。飞机坠毁概率的确定需要考虑以下4类事件:

第1类事件:一般空中交通造成的飞机坠毁。

第2类事件:飞机在机场的起飞或降落造成的坠毁。

第3类事件:由于空中走廊(包括民用和军用)的空中交通造成的飞机坠毁。

第4类事件:军用空域的军事训练造成的飞机坠毁。

第3类和第4类事件同属于上节所提到的在主要空中走廊和在高事故率的特定地点的飞

93

机坠毁事件,但由于确定坠毁概率方法的不同,在这里作为两类事件分析。211　初步筛选评价中的飞机坠毁概率21111　第1类事件的发生概率

初步筛选评价中的飞机坠毁概率主要来源于以往飞机坠毁事故的统计。对于第1类事件,为了避免出现与全国其他地区毫无差别的结果,可以将厂址地区看作一个以核电厂为中心、半径为100～200km的圆形区域[2],统计该区域内n年内的一般空运飞行的飞机坠毁次数m1,由下式计算第1类事件的发生概率:

P1=

式中:γ为与飞机类型有关的衰减常数,x为离航线的垂直距离。采用指数修正的第3类事件的发生概率为:

γ

-d

P3=n・L・W2

　　当d值接近4km时,采用指数修正的边

1个数量级[8]。

211　第n年内因m4,由下式计算:

n・Ad

R2

式中:R21112　SDV内的机场n年内因飞机起落事故造成的飞机坠毁次数m2,由下式计算第2类事件的发生概率:

P2=m2・D/n

式中:D为系数[5]:

起飞时,D=exp-exp-d着陆时,D=exp-exp-d2.θ为起飞或着陆点至核电厂连线与跑道间的式中:

夹角;d为机场离核电厂之间的距离(km)。21113　第3类事件的发生概率

统计位于SDV内的航线上n年内的飞机坠毁次数m3,由下式计算第3类事件的发生概率:

P3=

n・L・W

P4=

式中:Ad为军事训练空域的面积(km2)。

如果在核电厂厂区上空划定一定范围的禁飞区,禁止军事训练的飞机进入该区域,则禁飞区内的飞机坠毁事件只能源于禁飞区外的飞机失事。当飞机在禁飞区外训练飞行时发生故障或出现意外,飞机在坠落的过程中将失控飞行一段水平距离,如果失控飞行的距离足够远,就可能坠入禁飞区内,甚至坠落到位于禁飞区中心位置的核电厂厂区。

假设禁飞区的半径为R,失事飞机最后失控飞行的水平距离为r。根据历年的统计数据可以得到不同r的飞机失事次数,从而得到以

r为变量的飞机失事概率密度函数f(r),且

满足:

f(r)dr=1∫

∞

式中:L为航线长度(km),W为航线宽度(km)。当航线在厂区以外时,考虑到航线外的飞机坠毁事件将明显减少,对上式做以下修正[6]:

P3=

n・L・(W+2d)

　　对位于禁飞区中心位置的地面上的面积元

δA(如图2所示),如果不考虑禁飞区的影响,则在其上的飞机坠毁概率等于整个军事训练空域内的飞机坠毁概率。

δA内可能会有在足够长的时间段T内,来自各个方向的失事飞机的坠落,这些失事飞

机的失控飞行水平距离r可能是各种不同的值,则在δA内发生飞机坠毁事件的总次数为:

δA・M=P4・T・

f(r)dr=

∫

式中:d为航线边缘到厂区的距离(km)。

航线的边缘效应还可以采用一种指数修正,即认为随着离航线垂直距离的变化,飞机坠毁概率存在一种指数分布,概率分布函数为[7]:

-γx

f(x)=e

294

∞

δAP4T

　　当考虑禁飞区的影响后,显然只有那些

r≥R的失事飞机才可能坠落到δA内(δA的半径远小于R,从而忽略其对r的影响),则此

下[9]:

F=

i,j,k

6N

ijk

・Pijk・fijk(x,y)・Aij

式中:F为飞机坠毁到核电厂建筑物上的年坠毁概率(1/a);i为飞行状态标识:i=1,2,3(起飞,飞行,降落);j为飞机类型标识:j=1,2,…(商用飞机、大型或小型军用飞机等);k为飞行

图2　禁飞区示意图

Fig.2　OutlineofFlight2ForbiddenAirspace

源标识:k=1,2,…(机场、军用空域等);Nijk(次/年)k(次);fijk

y)情形下在δA内T数为:

A・M′=PTR

(km2),或叫位置条件概率;Aij为核(km2)。

对于一般空运飞行、航线飞行等非机场因素的厂区位置单位面积上的飞机坠毁概率NPf(x,y)可由统计资料根据上节方法对不同

)r

δA内的飞机坠毁

概率为:

P′4=

δAT・

δAP4T

=

∞

类型的飞机分别计算得到。对于由机场因素引起的飞机坠毁,使用位置条件概率f(x,y)可以得到更为准确的飞机坠毁概率。

飞机在机场起降坠毁的位置条件概率

f(x,y)与坠落点的位置有关,(x,y)是在以跑

TA

R

δ

R

∞

f(r)dr

=P4=

4

f(r)dr∫P1-f(r)d∫

道中心为圆点所建立的正交坐标系中的坐标,因而f(x,y)在机场附近存在一定的分布。不同类型的飞机因起飞或降落坠毁的f(x,y)分布不同,该分布根据机场的事故统计资料计算。表1为美国一般飞机起飞坠毁的位置条件概率(表中坐标单位为英里)。

由表1可以看出,越靠近跑道中心,

f(x,y)值越大,在远离跑道一定距离的位置,

-5

f(x,y)小于10就不再考虑。使用四因子公

=P41-F(R)

　　对位于禁飞区内的核电厂,如果厂区等效园半径为R′,则厂区的飞机坠毁概率为:

)]P′4=P4[1-F(R-R′

212　详细评价中的飞机坠毁概率

详细评价是在确定厂址区域飞机坠毁概率的基础上进一步考虑坠落飞机与建筑物的相互作用,即确定飞机坠落到厂区且撞击到核电厂重要建筑物上的概率。此概率可以由厂址地区的飞机年坠毁概率与建筑物的有效面积相乘得到,建筑物的有效撞击面积与建筑物的尺寸、飞机撞击角度、飞机类型等因素有关[9],所以详细评价中的飞机坠毁概率要针对不同类型的飞机分别确定。

详细评价中的飞机坠毁概率也可以使用“四因子公式”计算,它包括四个部分:①操作架次(包括起降和飞行),②单次操作的飞机坠毁概率,③每次坠毁落到厂区单位面积上的条件概率,④建筑物的有效撞击面积。公式如

式计算我国特定区域的飞机坠毁概率时,需要根据我国机场的统计数据计算不同类型飞机起降坠毁的位置条件概率分布。

3　结束语

在核电厂厂址选择中为了对飞机坠毁事件进行评价,必须收集厂址周围地区的机场、空中走廊和军用空域的位置、飞机的类型和特性、飞机的起飞降落和飞行频度以及飞机事故的统计资料,这些资料需要从民航管理部门和相关军事单位获取,所以飞机坠毁事件的评价需要由多方合作完成。基于统计资料的飞机坠毁概率

95

评价所反映的是过去的飞行水平,有必要在此基础上根据本地区的航空业发展速度对未来若干年的飞行水平做出预测,以使评价结果在相当长的时期内都有一定的适用性。

表1　美国一般飞机起飞坠毁的位置条件概率[9]

Table1　CrashlocationprobabilityforgeneralaviationaircrafttakeoffintheUS[9]

x

y

-4,-3-3,-2-2,-1-1,0112E-5

0,1118E-4111E-3115E-2210E-1119E-11-2117E-4216E-5

1,2412E-4212E-3110E-2721-1-3416E-4414E-4115E-5

2,3117E-4914410E-32E-211E-3110E-3112E-3413E-5

3,411-5411E410E3612E-3512E-4512E-4518E-4210E-5

4,55,66,77,8

3,42,31,20,1-1,0-2,-1-3,-2-4,-3-5,-4

111E-5

117E-5315E-4419E-4-111E-5612E-4711E-3814E-1-31-5

116E-4814E-3115E-1-1-11-4

11-3312E41-3414E-3218E-4810E-4210E-4

641-3416E-3415E-3319E-4117E-3314E-4

611E-4

115E-3117E-4115E-3117E-4114E-4110E-5611E-4317E-5113E-4

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