核電站地震監(jiān)測系統(tǒng)及其開發(fā)進展

陳志高 黃 俊

1 中國地震局地震研究所（地震預警湖北省重點實驗室），武漢市洪山側路40號，430071

2 武漢地震科學儀器研究院有限公司，武漢市洪山側路40號，430071

積極發(fā)展核電是中國能源的優(yōu)先戰(zhàn)略。安全經濟的核電，契合了人類尋找高效能源的理念與需求，使其成為發(fā)展低碳經濟、應對氣候變化的理性選擇。

核電雖然有許多優(yōu)點，但也不同于其他的能源形式，對自然災害的安全防范措施顯得格外重要，尤其是地震［1］。2007－07－16日本新瀉發(fā)生里氏6.8級地震，此次地震雖然對核電站造成強烈影響，但由于地震觸發(fā)安全裝置使4臺運行的核反應堆自動停堆，核電站主體結構沒有破壞，也沒有發(fā)生災難性的核泄露事故［2］。2011－03－11日本東北部海域發(fā)生9.0級強烈地震，共有11臺核電機組發(fā)生自動停堆，停堆后反應堆的熱功率迅速下降到4%。但由于這4%的余熱處理不當，最終引起福島核泄露事故［3］。這兩次日本核事故證明，地震監(jiān)測系統(tǒng)能在強地震中發(fā)揮重要作用。

中國是遭受地震危害最為嚴重的國家之一，約40%的國土面積處于Ⅶ度及以上的高地震烈度區(qū)［4］。為確保核電站構筑物、系統(tǒng)和設備的安全，特別是確保對人體健康和核安全有重要影響的設備的安全運行，所有核電站都必須設置地震監(jiān)測系統(tǒng)［5］。

1 我國核電站地震監(jiān)測系統(tǒng)及發(fā)展現(xiàn)狀

我國核電站采用傳統(tǒng)的抗震技術，核電站建立在完整的基巖上，這種“硬抗”的方式在在遇到突發(fā)強地震時，核電站可能出現(xiàn)安全事故［6］。

按照我國核電站設計標準要求，多數(shù)廠址考慮的地震水平低于0.2g，少數(shù)廠址的地震水平在0.2～0.3g［7］。若遇到如汶川這種地震烈度區(qū)劃原屬于Ⅶ區(qū)（0.1～0.15g）的地區(qū)發(fā)生強地震（汶川地震中記錄的最大峰值加速度為957.7Gal，約0.977g）［8］，必然造成大災難。國內外所有核電站都根據(jù)安全需要，毫無例外地設置了地震監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測隨時可能發(fā)生的震動及核電站周邊地區(qū)地震活動對核電站的影響，并有相應的地震對策。

核電站地震監(jiān)測系統(tǒng)利用若干臺加速度傳感器測量自由場及結構體的震動加速度，監(jiān)測并記錄下地震發(fā)生時完整的地震事件數(shù)據(jù)。當?shù)卣鹗录l(fā)生時，系統(tǒng)快速產出綜合信息，及時報警，為核電站的運行者判斷是否需要進行控制提供重要的依據(jù)，以達到既避免無根據(jù)地停堆，又防止核電站在不安全狀態(tài)下繼續(xù)運行的目的。系統(tǒng)所獲得的地震數(shù)據(jù)，可作為核電站承受過的地震基礎數(shù)據(jù)長期保存，也為驗證核電站的抗震設計提供寶貴資料。

2009年之前，國內的核電站安裝的大多是法國和美國的地震監(jiān)測系統(tǒng)，個別的由俄羅斯承建。近年來，中國地震局地震研究所對核電地震監(jiān)測系統(tǒng)開展大量研究并研發(fā)出國產化的核電站地震監(jiān)測系統(tǒng)［9－15］，由武漢地震科學儀器研究院有限公司實現(xiàn)產業(yè)化。

2 我國核電站地震監(jiān)測系統(tǒng)依從的標準

由于我國核電站從整體上說是剛剛起步，走引進到自主設計的道路。在進行核電站地震監(jiān)測系統(tǒng)設計時，除符合國家標準《核電廠抗震設計規(guī)范》［16］和行業(yè)標準《核電廠地震儀表準則》［17］、《核電廠地震儀表記錄的處理和初步評估》［18］、《中國數(shù)字強震動臺網(wǎng)技術規(guī)程》［19］以外，還執(zhí)行了一些國外標準，包括《壓水堆核電站核島電氣設備設計和建造規(guī)則》［20］、IEC6100系列電磁兼容性技術標準等。并且針對美國、俄羅斯、德國設計的核電站，分別執(zhí)行相關國家的標準。

3 核電站地震監(jiān)測系統(tǒng)的設計

3.1 核電站地震監(jiān)測系統(tǒng)的功能要求

核電站地震監(jiān)測系統(tǒng)的總體技術設計方案是根據(jù)核電站的實際要求編制的，目的是發(fā)生地震后為核電站運行提供相關信息，包括：

1）提供地震信號記錄；

2）向控制室發(fā)出地震報警；

3）供運行人員快速查看數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)，運行人員可確定地震強度、決定應立即采取的操作；

4）若地震強度達到預定的限值，提供詳細的分析數(shù)據(jù)。

3.2 核電站地震監(jiān)測系統(tǒng)的硬件組成

依據(jù)核電站地震監(jiān)測系統(tǒng)的功能要求，系統(tǒng)基本組成結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的基本組成結構Fig.1 System’s structure

系統(tǒng)的硬件組成包括如下部分。

1）三軸向加速度傳感器

若干臺三軸向加速度傳感器布設于反應堆基礎、核輔助建筑、電廠建筑以及自由場。這些測量數(shù)據(jù)通過電纜可靠地傳送到中心信息處理系統(tǒng)。地震監(jiān)測系統(tǒng)多為2堆共享。

2）觸發(fā)和報警功能

三軸向加速度計采用觸發(fā)方式記錄地震數(shù)據(jù)，并提供邏輯信號驅動繼電器向控制室報警（干觸點），啟動中心信息處理系統(tǒng)，存儲和顯示地震信息。

3）機械峰值加速度計（機械傳感器）

機械峰值加速度計是一種冗余設計，它無需供電并提供可信賴的峰值加速度檢測和恒久記錄。

4）中心信息處理系統(tǒng)

中心信息處理系統(tǒng)位于電氣建筑的儀器室，由計算機數(shù)據(jù)獲取和處理設備、顯示設備和打印設備組成。主要功能如下：

①接收來自傳感器的測量信號；

②提供本地報警信號并直接傳遞到要求的控制室；

③一旦觸發(fā)啟動，對接收到的信息進行處理、采集并記錄；

④需要時，進行地震反應譜分析。

3.3 核電站地震監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設計

核電站地震監(jiān)測系統(tǒng)的軟件主要功能有：

1）實時監(jiān)測地震加速度隨時間的變化過程，并判別真?zhèn)蔚卣?。當?shù)卣鹦盘柍^報警閾值時，顯示、記錄地震加速度峰值并向主控室發(fā)出報警信號。

2）采集記錄地震加速度反應時程數(shù)據(jù)，計算加速度響應譜和設計響應譜等。

系統(tǒng)選用wxWidgets平臺進行軟件設計，并按照功能進行模塊設計，可跨平臺運行，具有良好的穩(wěn)定性和可擴充性。系統(tǒng)軟件結構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的軟件結構Fig.2 System’s software structure

對于核電站地震監(jiān)測系統(tǒng)而言，地震事件的準確觸發(fā)和完整存儲是整個系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關鍵，這使觸發(fā)邏輯的設置與存儲方式的選擇顯得尤為重要。地震事件的觸發(fā)流程如圖3所示。

為了記錄完整的地震事件，軟件采用先入先出棧的方式對數(shù)據(jù)進行記錄存儲。軟件在內存中建立ns數(shù)據(jù)采樣量的隊列，地震數(shù)據(jù)在ns內未超過設定閾值，軟件將用新數(shù)據(jù)包進行填充。一旦檢測到超過閾值的地震數(shù)據(jù)，系統(tǒng)軟件立即將本時刻點前ns的數(shù)據(jù)存儲到緩沖區(qū)，同時實時記錄地震事件。存儲的地震事件可通過GUI進行查看，并進行CAV（cumulative absolute velocity）［21］等數(shù)據(jù)分析。

圖3 地震事件觸發(fā)流程Fig.3 Flow chart of seismic event trigger

4 系統(tǒng)測試

核電站地震監(jiān)測系統(tǒng)設計完成之后，需通過相關試驗方可應用于電站地震監(jiān)測。這些試驗包括：電磁兼容性試驗（包括靜電放電抗擾度試驗、射頻電磁場輻射抗擾度試驗、浪涌抗擾度試驗、射頻場感應的傳導騷擾抗擾度試驗等）、高低溫試驗和抗震試驗（抗震I類）。核電站地震監(jiān)測系統(tǒng)必須在試驗過程中及試驗結束后均能保持正常檢測與報警功能。本文所述的核電站地震監(jiān)測系統(tǒng)均通過了規(guī)定測試。

5 核電站地震監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)的趨勢和要求

5.1 核電站地震監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

日本2011年發(fā)生的9級大地震引發(fā)重大核安全事故以后，核電站地震監(jiān)測系統(tǒng)有以下發(fā)展趨勢：

1）日本核電站地震監(jiān)測系統(tǒng)在新瀉里氏6.8級地震和東北部海域9.0級地震中都發(fā)出停堆命令，極大地減輕了地震災害，但這兩次地震仍然造成了核安全事件和核事故。因此，僅靠核電地震監(jiān)測系統(tǒng)來減輕核電在強地震作用下的破壞是不夠的，還需要提高核電站的安全標準，規(guī)范核電站的管理，避免人為因素造成事件擴大。

2）隨著第3代核電站AP1000在我國的推進和新技術的發(fā)展，對安全性提出了更高要求，其中包括對地震監(jiān)測的要求。目前2代核電站將峰值加速度值作為判斷是否停堆的重要依據(jù)，可能引起近震小震這種非破壞性地震的誤報。而3代核電站只有當反應譜參數(shù)和CAV 閾值同時超出規(guī)定的限值時才發(fā)出報警，可以有效地剔除近震小震這類對核電站沒有破壞的地震干擾，避免因誤報引起的經濟損失［22］。另外，3代核電站AP1000設計成“非能動”冷卻系統(tǒng)，可以在沒有任何應急電源和人員干涉的情況下，對反應堆和安全殼進行長時間的冷卻［23］，避免了核電站在強地震作用下反應堆停堆成功但冷卻系統(tǒng)卻失效引發(fā)的事故。

3）各國需要根據(jù)實際情況更新核電站地震監(jiān)測的標準，在監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理、評估等方面提出新的要求。

4）目前世界上絕大多數(shù)核電站的地震監(jiān)測系統(tǒng)只能對已經發(fā)生且強震動已經作用于核電站時才發(fā)出報警，應急處置時間較短。地震預警技術利用地震P波波速比S波快、電磁波速快于地震波速的特性，在地震發(fā)生之后，破壞性地震波尚未到達之前發(fā)出地震報警，能夠提供數(shù)s至數(shù)10s的預警時間［24］。目前世界上唯一設置了地震預警系統(tǒng)的核電站是立陶宛的Ignalina核電站［25］。若能將地震預警技術應用于核電站的地震監(jiān)測系統(tǒng)，則可以更快地發(fā)出地震報警，減小損失。另外GPS測站可以有效識別P波初至，因此利用GPS進行地震預警具有可行性，高精度的GPS網(wǎng)絡不僅可以進行地震預警，還可以更加精確地評價地震災害的等級［26］。但目前地震預警技術應用于核電站尚有不成熟之處，將地震預警技術有效地應用到核電站的地震監(jiān)測系統(tǒng)，還需要進一步研究［27］。

5）目前的核電地震監(jiān)測系統(tǒng)都是事后數(shù)h內由工作人員判斷是否需要停堆，若系統(tǒng)能直接參與自動停堆操作，則能達到更好的地震減災效果。

5.2 核電站地震監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展的要求

為了確保在安全的基礎上高效地發(fā)展核電，需要發(fā)展新的高品質核電站地震監(jiān)測系統(tǒng)。

1）以我國引入3代核電站AP1000為契機，促進現(xiàn)有核電站地震監(jiān)測系統(tǒng)的升級，包括硬件和軟件應符合3代核電站地震監(jiān)測系統(tǒng)標準，讓設備在安全性、可靠性、抗震性能論證、電磁兼容、防護度、環(huán)境適應性、使用壽命等方面全面提高。

2）優(yōu)化地震報警評估方法，改變由加速度峰值判別和加速度反應譜分析判斷是否應當停堆的方法，采用加速度峰值判別和分段采用不同反應譜分析并結合累積絕對速度（CAV）計算的方法，分析地震強度是否達到停堆水平。同時，應加大對地震預警技術的研究，在保證報警的穩(wěn)定性、可靠性的前提下，推進地震預警技術在核電地震監(jiān)測中的應用。

3）提高核電站地震監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，提高系統(tǒng)處理能力和速度。由核電站操作人員依據(jù)地震監(jiān)測數(shù)據(jù)人工決定應采取的措施，升級到系統(tǒng)自動采取應急處置措施。

4）破壞性地震發(fā)生概率較小但對核電站危害極大，核電站地震監(jiān)測系統(tǒng)操作人員應熟悉系統(tǒng)操作流程，并熟練處理系統(tǒng)日常記錄的小震和遠震等非破壞性地震數(shù)據(jù)，以便在遇到破壞性大震時可以從容應對，發(fā)揮系統(tǒng)應有的作用。

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