多堆型核電廠地震停堆功能對比分析

廣西防城港核電有限公司 陽勤文

1 引言

核電廠在廠址選擇時，會充分評估廠址所在的地質(zhì)條件和地震風(fēng)險。從1956年世界上第一座商業(yè)化核電廠投運以來，發(fā)生多次核電廠因地震停堆的事件。核電廠在遇到強(qiáng)震發(fā)生時，通過監(jiān)測地震信號實施停堆操作，以確保反應(yīng)堆在破壞性地震發(fā)生前處于停堆狀態(tài)。在2011年福島事故發(fā)生后，世界各國核電廠都在重新評估核電廠設(shè)置地震自動停堆功能的必要性，國際原子能機(jī)構(gòu)IAEA建議重點考慮增設(shè)自動停堆系統(tǒng)以應(yīng)對超設(shè)計基準(zhǔn)的嚴(yán)重事故。我國在《“十二五”期間新建核電廠安全要求》要求“宜設(shè)置地震自動停堆系統(tǒng)”[1]。因此，本文通過調(diào)研、分析和總結(jié)CPR1000、ACPR1000和HPR1000（第三代核電技術(shù)）采用的抗震保護(hù)功能及應(yīng)用情況，為后續(xù)在建機(jī)組抗震保護(hù)設(shè)計提供參考和借鑒。

2 核電廠抗震保護(hù)方案

抗震保護(hù)功能主要通過地震儀表系統(tǒng)實現(xiàn)，地震儀表系統(tǒng)包括了地震監(jiān)測系統(tǒng)和地震自動停堆觸發(fā)系統(tǒng)。

我國在運的核電機(jī)組中，多數(shù)機(jī)組僅設(shè)置了地震監(jiān)測系統(tǒng)，地震監(jiān)測系統(tǒng)通過地震加速度傳感器測量地震信號，由強(qiáng)震記錄儀進(jìn)行采集記錄，并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)降卣鸨O(jiān)測系統(tǒng)機(jī)柜，如圖1所示。由地震信號分析軟件比較測量值與設(shè)定值以及相應(yīng)反應(yīng)譜，以判斷是否超過報警限值。當(dāng)?shù)卣鸺铀俣葌鞲衅魅我庖粋€軸向測量值超過預(yù)定值時，系統(tǒng)觸發(fā)記錄地震事件，向主控制室發(fā)出報警信號；當(dāng)檢測到的地震已經(jīng)超過預(yù)先設(shè)定的超限判定準(zhǔn)則時，地震監(jiān)測系統(tǒng)將觸發(fā)報警[2-3]，主控室操作人員手動觸發(fā)停堆功能。通過提供地震后的分析數(shù)據(jù)，向震后應(yīng)急行動提供重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖1 ACPR1000抗震保護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)原理

地震自動停堆觸發(fā)系統(tǒng)主要通過布置在核島反應(yīng)堆廠房基礎(chǔ)層的3組三軸向加速度傳感器收集、記錄地震數(shù)據(jù)。當(dāng)X、Y、Z三個方向的任何一方向記錄到發(fā)生超過預(yù)先設(shè)定的停堆閾值的地震事件時，在信號通過自檢程序排除故障報警后，該通道閉合繼電器產(chǎn)生輸出停堆分信號。當(dāng)3臺加速度傳感器中的2臺及以上超閾值時，反應(yīng)堆緊急停堆。

3 多機(jī)組抗震保護(hù)功能分析

3.1 CPR1000機(jī)組

CPR1000核電項目中，兩臺單元機(jī)組共用一套地震儀表系統(tǒng)，其功能等級為非安全級。當(dāng)?shù)卣鸬絹頃r，地震儀表可以為核電站即刻和將來的運行決策提供相關(guān)信息，必要的時候通過核反應(yīng)堆操縱員手動觸發(fā)反應(yīng)堆緊急停堆的方式將核電站置于安全狀態(tài)（僅包含地震監(jiān)測系統(tǒng)，未包含地震自動停堆觸發(fā)系統(tǒng)）。

該系統(tǒng)可分為兩個不同的子系統(tǒng)，分別為電子子系統(tǒng)部分和機(jī)械子系統(tǒng)部分。電子子系統(tǒng)由7臺數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)和7個三軸向加速度傳感器組成。在地震事件期間，7個三軸向加速度傳感器上的21路信號存儲到CF存儲卡中，至少能保存30min的記錄。地震過后，數(shù)據(jù)可轉(zhuǎn)存到系統(tǒng)的硬盤上，其能提供本地的地震響應(yīng)加速最大值。機(jī)械子系統(tǒng)由4臺獨立的PAR-400無源峰值加速度計組成，每臺所記錄的三個軸向加速度值分別刻畫在三個金屬記錄板上，作為恒久記錄。

系統(tǒng)主要完成兩項功能，一是通過實時監(jiān)測核電廠地震信息并及時地提供給操縱員報警信息，從而使其判斷是否應(yīng)采取即時的應(yīng)急操作和核電廠的運行方式，必要時通過觸發(fā)反應(yīng)堆停堆以實現(xiàn)保護(hù)核電廠的安全；二是收集并記錄地震相關(guān)信息用于核電廠安全狀況的全面分析和評價[4]。

對于CPR1000核電站單臺機(jī)組來說，7臺三軸向加速儀分布在三個正交方向上完成絕對加速度的連續(xù)采集功能，可以將采集信息發(fā)送給儀控柜進(jìn)行集中處理和記錄。其中有2臺三軸向加速儀設(shè)置了地震閾值報警，任意一臺監(jiān)測的地震加速度值超過預(yù)先設(shè)定的閾值（0.01g）后，就會在儀控柜和主控室發(fā)出報警。儀控柜收到報警后，啟動地震數(shù)據(jù)記錄，即使在地震結(jié)束后一定時間內(nèi)還會持續(xù)記錄。另外5臺峰值加速計主要承擔(dān)的功能是監(jiān)測并記錄峰值加速度，在地震結(jié)束后提供地震峰值加速度的相關(guān)信息。

3.2 ACPR1000機(jī)組

ACPR1000機(jī)組主要是在CPR1000機(jī)組的基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)的機(jī)組，其進(jìn)一步完善了地震監(jiān)測系統(tǒng)。地震監(jiān)測系統(tǒng)主要用于收集、記錄地震數(shù)據(jù)，以數(shù)字格式存儲地震響應(yīng)數(shù)據(jù)，并在地震發(fā)生之后對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。當(dāng)發(fā)生地震事件，或者地震已超過預(yù)先設(shè)定的報警閾值，地震監(jiān)測系統(tǒng)通過接口將報警信號和峰值加速度值送到監(jiān)測機(jī)柜，并通知主控制室操縱員，由操縱員根據(jù)工況條件和規(guī)程要求判斷手動執(zhí)行反應(yīng)堆停堆操作。ACPR1000抗震保護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)原理如圖1所示。

3.3 HPR1000機(jī)組（華龍一號，第三代核電技術(shù)）

HPR1000每臺單元機(jī)組設(shè)置1套地震儀表系統(tǒng)，其包含了完整的兩個功能模塊：地震監(jiān)測子系統(tǒng)和地震自動停堆觸發(fā)子系統(tǒng)。每臺單元機(jī)組均包含7組三軸向加速度傳感器，其中4組負(fù)責(zé)地震監(jiān)測，3組負(fù)責(zé)地震自動停堆觸發(fā)。

監(jiān)測子系統(tǒng)的4組傳感器，每組傳感器將三個信號（三個軸向，其中2個為水平方向，1個為垂直方向）傳送到對應(yīng)的記錄儀，當(dāng)任意2組及以上發(fā)生地震觸發(fā)事件時（觸發(fā)閾值0.01g），啟動事件記錄。傳感器中任意2組及以上三軸向加速傳感器任一軸向測得的加速度信號超過其預(yù)設(shè)定值時，地震監(jiān)測系統(tǒng)開始向主控室發(fā)送低水平地震報警信號（0.1g）、安全停堆地震報警（SSE）。系統(tǒng)會記錄所有加速度傳感器測得的地震響應(yīng)數(shù)據(jù)，存儲的數(shù)據(jù)可覆蓋地震觸發(fā)事件前、整個地震過程中以及低于地震觸發(fā)事件閾值后的地震響應(yīng)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析。

反應(yīng)堆廠房基礎(chǔ)層上的3組三軸向加速傳感器測得的信號超過其預(yù)設(shè)的報警閾值時（0.13g），啟動自動停堆觸發(fā)信號檢測流程，進(jìn)行通道檢查，在判斷報警通道組件工作狀態(tài)正常，數(shù)據(jù)信號有效后，經(jīng)過核電廠多樣性驅(qū)動系統(tǒng)（KDS）三取二邏輯后執(zhí)行反應(yīng)堆自動停堆。3路自動停堆觸發(fā)信號通道是相互獨立工作的，一路通道觸發(fā)停堆信號，向外發(fā)送一個停堆信號，多路通道觸發(fā)信號，將發(fā)送多個停堆信號；三取二邏輯保證當(dāng)其中一路出現(xiàn)故障時，不會影響系統(tǒng)的正常運行，其他通道可正常觸發(fā)反應(yīng)堆自動停堆。同時系統(tǒng)通過硬接線向DCS傳送報警信號，如圖2所示。

圖2 HPR1000抗震保護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)原理

3.4 對比分析

本文將從安全分級、鑒定要求（抗震鑒定、環(huán)境鑒定、電磁兼容要求等），地震儀表設(shè)計，觸發(fā)表決邏輯，儀控系統(tǒng)接口等方面進(jìn)行對比分析。

3.4.1 法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)

對于核電站地震儀表系統(tǒng)來說，遵循的相關(guān)法規(guī)主要分為兩類。一是美國體系標(biāo)準(zhǔn)，即RG 1.12標(biāo)準(zhǔn)；二是法國體系標(biāo)準(zhǔn)，即RFS-1.3.b標(biāo)準(zhǔn)；此外我國的GB 50267在此基礎(chǔ)上對監(jiān)測儀表的系統(tǒng)進(jìn)行了補(bǔ)充細(xì)化說明。美國體系和法國體系標(biāo)準(zhǔn)之間的差異主要體現(xiàn)在地震儀表的布置要求上。CPR1000機(jī)組的抗震保護(hù)系統(tǒng)在遵循法國標(biāo)準(zhǔn)要求的基礎(chǔ)上，也同時進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整從而滿足美系和國標(biāo)要求。華龍一號HPR1000機(jī)組在國標(biāo)的基礎(chǔ)上，同時參考了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 20076、NB/T 20077。

3.4.2 安全分級&抗震等級

地震停堆保護(hù)功能的安全等級主要從實現(xiàn)核電站安全功能的角度確定，由于地震停堆保護(hù)系統(tǒng)不會直接影響核電站的三大安全功能，因此多數(shù)核電站設(shè)置其為非安全系統(tǒng)。

所有地震停堆系統(tǒng)的抗震等級均為抗震I類。

3.4.3 停堆方式

根據(jù)對反應(yīng)堆停堆信號的梳理發(fā)現(xiàn)，CPR1000機(jī)組的停堆信號中未設(shè)置由地震信號直接觸發(fā)的反應(yīng)堆停堆信號和動作，因此在核電站發(fā)生地震且超過預(yù)先設(shè)定的閾值情況下，操縱員只能通過主控室報警判斷運行工況，然后進(jìn)行手動停堆。除此以外，只有在地震同時引發(fā)相關(guān)停堆工藝參數(shù)達(dá)到滿足停堆條件時才能觸發(fā)自動停堆[5]。詳見表1。

表1 多機(jī)組抗震保護(hù)功能分析

4 結(jié)語

目前我國在運的（第二代核電技術(shù)）核電機(jī)組中，多數(shù)機(jī)組的抗震保護(hù)系統(tǒng)僅設(shè)置了地震監(jiān)測系統(tǒng)，依靠操縱員手動觸發(fā)反應(yīng)堆停堆。HPR1000機(jī)組（華龍一號，第三代核電技術(shù)）地震自動停堆觸發(fā)系統(tǒng)在發(fā)生地震工況下能夠不依賴于操縱人員的主觀判斷和人員技能，減少因地震對人的行為影響而不能實現(xiàn)有效干預(yù)的不確定度，縮短事件發(fā)生與人員干預(yù)之間的時間間隔，同時減輕了操縱員負(fù)擔(dān)。