某快堆工程反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)多樣性改造分析

劉興慶

(中核霞浦核電有限公司，福建 霞浦 355100)

反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的功能主要是保護(hù)三大核安全屏障(燃料包殼、一回路壓力邊界和安全殼)的完整性。當(dāng)運(yùn)行參數(shù)達(dá)到危及三大屏障完整性的閾值時(shí)，保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作，觸發(fā)停堆保護(hù)并啟動(dòng)專設(shè)安全設(shè)施。

HAF102要求，對(duì)于核安全相關(guān)系統(tǒng)，需滿足冗余性，以應(yīng)對(duì)共因故障，具體包括多重性、獨(dú)立性、多樣性，其中反應(yīng)堆停堆手段必須由至少兩個(gè)多樣化且獨(dú)立的系統(tǒng)組成，儀表應(yīng)采用功能多樣性、部件設(shè)計(jì)或工作原理的多樣性。[1]數(shù)字化反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)在硬件可靠性和診斷能力上有優(yōu)勢(shì)，但是容易因?yàn)椴豢深A(yù)測(cè)的軟件錯(cuò)誤或者硬件故障產(chǎn)生共因失效。為了應(yīng)對(duì)可能的共因失效，有必要針對(duì)反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行多樣性的設(shè)計(jì)，可以采取的方法包括傳感器多樣性、停堆保護(hù)控制系統(tǒng)多樣性和停堆回路多樣性。

1 水堆中的反應(yīng)性控制

反應(yīng)堆的反應(yīng)性相對(duì)于反應(yīng)堆某一個(gè)參數(shù)的變化率稱為該參數(shù)的反應(yīng)性系數(shù)，水堆中起主要作用的包括燃料溫度系數(shù)、慢化劑溫度系數(shù)、空泡系數(shù)及功率系數(shù)等。反應(yīng)性控制的方式包括控制棒(Ag-In-Cd)、可燃毒物(B-Gd)以及化學(xué)補(bǔ)償控制。

壓水堆中普遍使用化學(xué)補(bǔ)償+控制棒的方式對(duì)反應(yīng)性進(jìn)行控制。其中，M310機(jī)組的保護(hù)系統(tǒng)普遍按1套保護(hù)儀表、1套控制系統(tǒng)(帶冗余)、1套停堆斷路器(RTB，共8個(gè))設(shè)置，如圖1所示。

圖1 典型的壓水堆保護(hù)系統(tǒng)控制簡(jiǎn)圖Fig.1 Atypical reactor protection system of pressurized water reactor

2 國(guó)際其他快堆的設(shè)計(jì)

(1)中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆(CEFR)

中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆有兩套獨(dú)立的反應(yīng)堆停堆系統(tǒng)，每一套都可以使反應(yīng)堆安全停堆且滿足卡棒準(zhǔn)則。第一套反應(yīng)堆停堆系統(tǒng)由3組補(bǔ)償棒、2組調(diào)節(jié)棒以及相關(guān)的監(jiān)測(cè)、控制觸發(fā)單元和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。第二套反應(yīng)堆停堆系統(tǒng)由3組安全棒、相關(guān)的監(jiān)測(cè)、控制觸發(fā)單元和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。

(2)印度標(biāo)準(zhǔn)快堆(PFBR)

PFBR有兩套獨(dú)立且不同的停堆系統(tǒng)，對(duì)每個(gè)參數(shù)進(jìn)行3取2邏輯表決。

(3)美國(guó)先進(jìn)液態(tài)金屬堆(ALMR)

ALMR的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)分為四個(gè)相同的部分，分別對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行3取2表決，然后將信號(hào)輸出至兩個(gè)停堆斷路器，停堆斷路器按4取2邏輯動(dòng)作。

(4)韓國(guó)標(biāo)準(zhǔn)快堆

該反應(yīng)堆設(shè)計(jì)了兩套反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)，使用不同且多樣化的數(shù)字設(shè)備，其中一套采用基于安全級(jí)CPU的PLC(可編程邏輯控制器)組件，另一套采用基于FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)的PLC組件。為了實(shí)現(xiàn)更高的多樣性，每個(gè)反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的所有子系統(tǒng)從傳感器到停堆開關(guān)設(shè)備都與其他反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的子系統(tǒng)獨(dú)立。[2]

3 某快堆工程保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

快堆的負(fù)反應(yīng)性效應(yīng)主要包括溫度反應(yīng)性、功率反應(yīng)性和燃耗反應(yīng)性。由于沒有慢化劑，冷卻劑是高純液態(tài)鈉，不能向冷卻劑中添加其他化學(xué)毒物，因此反應(yīng)性控制只能采用控制棒控制的方式，包括安全棒、補(bǔ)償棒、調(diào)節(jié)棒以及非能動(dòng)棒，主要材料為碳化硼(B4C)。

快堆實(shí)現(xiàn)反應(yīng)性控制(安全停堆)的手段有兩種。一種為設(shè)置的兩套停堆系統(tǒng)，第一套為安全棒，第二套為補(bǔ)償棒和調(diào)節(jié)棒，考慮多樣性，第一套控制安全棒的電磁離合器，第二套控制補(bǔ)償棒和調(diào)節(jié)棒的主軸電機(jī)。另一種為堆內(nèi)設(shè)置的非能動(dòng)棒，用于反應(yīng)堆的輔助停堆，主要用來應(yīng)對(duì)失流事故工況，即使反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)不能緊急停堆，依舊能夠通過非能動(dòng)特性，插入非能動(dòng)棒，從而引入較大負(fù)反應(yīng)性，降低反應(yīng)堆功率。

停堆系統(tǒng)中，對(duì)于停堆邏輯層，設(shè)置了兩套停堆控制系統(tǒng)，兩套系統(tǒng)共用1組傳感器，停堆邏輯分別送2套停堆斷路器。對(duì)于停堆執(zhí)行層，設(shè)置了2套停堆斷路器。

除了保護(hù)系統(tǒng)，還設(shè)置了DAS系統(tǒng)停堆控制邏輯和DAS停堆斷路器，作為保護(hù)系統(tǒng)的后備。

總體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 某快堆工程的保護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)Fig 2 The overall architecture of RPS of a fast reactor

4 快堆保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化構(gòu)想

通過對(duì)比水堆的反應(yīng)性控制特性，并參考國(guó)外其他快堆保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，快堆工程反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)存在以下幾個(gè)方面的問題：

1)控制系統(tǒng)雖然有2套，但是傳感器只有1套，沒有實(shí)現(xiàn)完全獨(dú)立；

2)控制系統(tǒng)雖然有2套，但兩套使用相同的平臺(tái)和相同的控制邏輯，沒有實(shí)現(xiàn)完全獨(dú)立；

3)停堆斷路器雖然設(shè)計(jì)了2套，但采用同一廠家的同一型號(hào)產(chǎn)品，沒有實(shí)現(xiàn)完全獨(dú)立；

4)部分過程量的測(cè)量?jī)x表雖然有冗余，但是測(cè)點(diǎn)、測(cè)量原理并未完全實(shí)現(xiàn)多樣性。

針對(duì)當(dāng)前快堆工程保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和可靠性，從傳感器、停堆保護(hù)控制系統(tǒng)、停堆斷路器三個(gè)層級(jí)，提出了以下幾種設(shè)計(jì)優(yōu)化的構(gòu)想，以形成或接近滿足完全獨(dú)立的2套保護(hù)系統(tǒng)。

(1)傳感器端

1)采用完全不同的儀表原理，在工藝系統(tǒng)不同的測(cè)點(diǎn)，使用不同廠家生產(chǎn)的儀表采集數(shù)據(jù)。若如此做，兼顧經(jīng)濟(jì)性，可考慮將當(dāng)前的四取二邏輯改為雙三取二邏輯。

2)對(duì)于保護(hù)系統(tǒng)為應(yīng)對(duì)同一事故工況所采用的多樣化的保護(hù)參數(shù)，應(yīng)放置在不同的保護(hù)子組中。例如針對(duì)一回路流量的主泵旁路流量計(jì)和主泵轉(zhuǎn)速計(jì)算流量計(jì)，要分別放入2套停堆保護(hù)系統(tǒng)中。這樣，當(dāng)發(fā)生流量低工況疊加某個(gè)保護(hù)系統(tǒng)機(jī)柜故障時(shí)，仍能保證針對(duì)該工況的保護(hù)能生效。

3)控制系統(tǒng)可考慮進(jìn)行三通道冗余，即每個(gè)保護(hù)信號(hào)同時(shí)送3張模擬量輸入卡，每張模擬量輸入卡里分別設(shè)置2個(gè)獨(dú)立的電路通道進(jìn)行交叉計(jì)算。

快堆中使用的保護(hù)參數(shù)主要有：核測(cè)量信號(hào)、一回路流量、主容器液位、堆芯出口鈉溫、蒸汽發(fā)生器出口鈉溫、蒸汽發(fā)生器出口流量以及主泵停運(yùn)、停機(jī)且旁排不可用、地震，其中：

1)核測(cè)量信號(hào)采用堆內(nèi)和堆外核測(cè)系統(tǒng)，堆外核測(cè)分三個(gè)量程，分別使用等比計(jì)數(shù)管、裂變室和補(bǔ)償電離室，具備多樣性。

2)一回路流量信號(hào)采用主泵轉(zhuǎn)速計(jì)算流量和主泵旁路流量，具備多樣性。但是主泵旁路流量計(jì)中的4個(gè)保護(hù)通道，其實(shí)是一個(gè)磁鋼帶4塊表，因此存在共因故障風(fēng)險(xiǎn)。

3)主容器鈉液位共4塊表，同時(shí)送第一和第二套控制系統(tǒng)，可考慮增加多樣性的4塊鈉液位計(jì)，分別送往第一和第二停堆控制系統(tǒng)。堆芯出口鈉溫同理。

4)蒸發(fā)器有兩個(gè)環(huán)路，每個(gè)環(huán)路8臺(tái)，共16臺(tái)。每臺(tái)蒸汽發(fā)生器各設(shè)4個(gè)鈉溫監(jiān)測(cè)，可考慮分別分配至第一和第二套控制系統(tǒng)，如此對(duì)當(dāng)前保護(hù)系統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì)需作少量修改。蒸汽發(fā)生器出口流量同理。

5)主泵停運(yùn)、停機(jī)且旁排不可用、地震，由于是從其他設(shè)備采集的干結(jié)點(diǎn)，均可考慮設(shè)置多樣性的采集方式。

由于鈉冷快堆的固有特性，冷卻劑鈉溫有較大的停堆安全裕量，因此除了泄漏事故(包括主容器、一回路鈉凈化系統(tǒng)和蒸汽發(fā)生器傳熱管)之外，其余事故(包括反應(yīng)性變化、一二回路冷卻能力異常減小或增大、三回路喪失熱阱、三回路排熱能力異常增大)分析中，鈉溫都可作為其他保護(hù)參數(shù)的冗余。

(2)停堆保護(hù)控制系統(tǒng)端

使用兩套來自不同廠家的安全級(jí)DCS系統(tǒng)(帶冗余控制器)，其控制中心可考慮分別采用CPU和FPGA。引入第二套停堆系統(tǒng)的好處有：

1)可以引入其他安全級(jí)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)多樣性，增加人員的技術(shù)儲(chǔ)備；

2)培養(yǎng)后續(xù)機(jī)組的潛在供應(yīng)商，打破壟斷，提高議價(jià)能力；

3)小型化的停堆控制系統(tǒng)可以降低成本，甚至可以取代DAS系統(tǒng)，將DAS的功能也集成在這個(gè)平臺(tái)。

更進(jìn)一步，可考慮在停堆保護(hù)控制系統(tǒng)端，另搭一套純繼電器控制的硬回路系統(tǒng)(傳感器和停堆斷路器與軟件共用)作為軟件失效的后備。

(3)停堆斷路器端

使用兩套來自不同廠家的核級(jí)停堆斷路器。更進(jìn)一步，可考慮斷路器交叉控制，即第一、第二套停堆控制系統(tǒng)分別同時(shí)控制第一、第二套停堆斷路器，這樣，即便失去其中一個(gè)控制系統(tǒng)，第一、第二套停堆斷路器均能同時(shí)受控。此外，在停堆斷路器端，可考慮另設(shè)一套停堆斷路器系統(tǒng)，用于直接切斷棒電源系統(tǒng)的供電，實(shí)現(xiàn)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)供電回路控制的多樣性。

理想的具備完全獨(dú)立的多樣性保護(hù)系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 理想的具備完全獨(dú)立的多樣性保護(hù)系統(tǒng)Fig.3 The ideal diversified RPS with complete independence

5 快堆工程保護(hù)系統(tǒng)的改造思路

從當(dāng)前實(shí)際出發(fā)，綜合經(jīng)濟(jì)性方面的考慮，可考慮從以下三個(gè)階段逐步過渡。

第一步，將當(dāng)前某一套停堆斷路器的廠家更換為另一家，在停堆斷路器側(cè)保持多樣性。由于停堆斷路器的設(shè)計(jì)壽命為40年(不可更換部分40年，可更換部分10年)，因此可考慮將1號(hào)機(jī)的第16～32臺(tái)停堆斷路器換至2號(hào)機(jī)使用。

可行性分析：設(shè)計(jì)接口稍有變化，進(jìn)度方面需考慮采購(gòu)的另一廠家需重新取證。

經(jīng)濟(jì)性分析：停堆斷路器為較為成熟的產(chǎn)品，經(jīng)濟(jì)性上無重大影響。

第二步，在第一步的基礎(chǔ)上，將第二套的停堆保護(hù)控制系統(tǒng)更換為另一個(gè)國(guó)產(chǎn)廠家的安全級(jí)DCS平臺(tái)。當(dāng)前可供選擇的平臺(tái)包括浙江中控的ECS-900、國(guó)核自儀的和睿保護(hù)系統(tǒng)NuPAC、廣利核的和睦系統(tǒng)FirmSys等。

可行性分析：設(shè)計(jì)接口方面，對(duì)于第二套控制系統(tǒng)，需參照第一套重新設(shè)計(jì)，但軟件設(shè)計(jì)已較為成熟，無重大影響，硬件接口受各廠商產(chǎn)品不同，接口會(huì)有變化，但大體相同。進(jìn)度方面需考慮采購(gòu)的另一廠家需重新取證，重新取證預(yù)計(jì)需12個(gè)月，需提前統(tǒng)籌考慮。

經(jīng)濟(jì)性分析：除需重新取證的費(fèi)用外，國(guó)內(nèi)其他廠家的安全級(jí)平臺(tái)競(jìng)爭(zhēng)較為充分，經(jīng)濟(jì)性上無重大影響。

第三步，在前兩步的基礎(chǔ)上，將上游傳感器中一回路流量、主容器液位、堆芯出口鈉溫以及主泵停運(yùn)、停機(jī)且旁排不可用、地震等保護(hù)參數(shù)增加一路多樣性的測(cè)點(diǎn)，此問題由于涉及工藝系統(tǒng)、工藝管道、取樣點(diǎn)的設(shè)計(jì)，還需進(jìn)一步詳細(xì)分析。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文通過對(duì)比水堆的反應(yīng)性控制特性，并參考國(guó)外其他快堆保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提出了某快堆工程反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)在傳感器多樣性、停堆保護(hù)控制系統(tǒng)多樣性、停堆回路多樣性等三個(gè)優(yōu)化方向，供后續(xù)機(jī)組設(shè)計(jì)或機(jī)組技術(shù)改造參考。由于保護(hù)系統(tǒng)的重要性，對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)的改造尚需取得監(jiān)管部門的許可和認(rèn)證，對(duì)于改造過程中的技術(shù)細(xì)節(jié)和可能遇見的工程問題尚需結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際進(jìn)一步分析。