模塊式小型堆反應堆保護系統設計

馮 威 俞 赟 尤 愷 羅 煒

（中國核動力研究設計院核反應堆系統設計技術重點實驗室，四川 成都 610041）

0 引言

反應堆保護系統是核電廠重要的安全系統。它對于限制核電廠事故的發展、減輕事故后果，保證反應堆及核電廠設備和人員的安全、防止放射性物質向周圍環境的釋放具有十分重要的作用。它監測電廠重要的參數，對安全信號進行必要的采集、計算、定值比較、符合邏輯處理，當選定的電廠參數達到安全系統整定值時，自動地觸發反應堆緊急停堆和/或驅動專設安全設施動作，以實現并維持電廠的安全停堆工況。

模塊式小型堆主要設計有緊急停堆功能、專設安全設施驅動等與安全有關的功能，為此設計的反應堆保護系統包含了緊急停堆系統和專設安全設施驅動系統兩個子系統。同時，為應對安全級DCS 發生共因故障和應對預期瞬態未停堆（ATWT）設置了多樣性驅動系統，其采用與反應堆保護系統不同的設備實現功能，驅動有關的驅動器。

1 系統設計

1.1 系統結構

保護系統由四重冗余的序列A、B、C、D 組成（見圖1），各序列之間以及安全系統與非安全級系統之間在物理、功能和電氣方面都是相互隔離的。反應堆停堆和專設安全設施驅動功能都在四個冗余的序列中執行。

四個冗余序列使用四套獨立的傳感器。每個序列從對應的傳感器/變送器采集信號，經必要的處理后再進行閾值比較，當超過閾值則產生“局部脫扣”信號。這些信號經過光纖I/O 總線被送往其它序列進行邏輯處理從而完成以下功能：反應堆緊急停堆，汽機剎車，啟動專設安全設施和支持系統。

總共有八個停堆斷路器（分為四組，分別由四個序列控制），布置成四取二邏輯，任何兩個序列同時產生停堆信號都將導致停堆。

1.2 緊急停堆和專設安全系統設計

反應堆保護系統按功能分為兩部分：

——觸發緊急停堆的部分；

——觸發專設安全設施動作的部分。

兩部分功能在同一I&C 系統中實現。

保護系統監測的每個保護參數（溫度、壓力等），由3 或4 個傳感器測量，它們在分隔的機柜中處理，并由不同的電源供電。

緊急停堆邏輯的邏輯處理在四個序列中實現，采用失電動作的原則。在每個序列內，對來自四個序列的“局部脫扣”信號進行2/4 邏輯處理，四個停堆序列的自動停堆信號作用于本序列對應的停堆斷路器的失壓線圈和分勵線圈上，從而打開停堆斷路器。在控制室設置兩個停堆按鈕用于觸發手動停堆指令。手動停堆信號同樣作用于停堆斷路器的失壓線圈和分勵線圈。

專設安全設施的邏輯處理也在四個序列中實現。在每個序列內，對來自四個序列的“局部脫扣”信號進行2/4 邏輯處理后產生一個系統級的專設安全設施驅動信號。這個信號被送往優先級邏輯處理模塊進行優先級處理后再輸出到對應的被驅動設備。

專設安全設施系統邏輯與緊急停堆邏輯相比，有兩點不同之處：

1）專設安全設施裝置的驅動器需要一個持續的保護動作觸發信號（維持觸發后的狀態）。而對于緊急停堆來說，只要停堆斷路器有極短時間的釋放，控制棒就能下落，停閉反應堆。在有些情況下，專設安全設施裝置的驅動器經過規定的時間以后，又允許恢復到觸發前的狀態，以便操縱員進行某些操作，使安全系統重新組態。

2）專設安全設施驅動系統送到驅動器的控制信號是有電動作的。專設安全設施驅動系統邏輯的輸出以及輸出到安全設施驅動器的控制信號采用的是有電動作的原則。采用有電動作的原則是因為專設安全設施驅動器的動作通常是需要有電源驅動的，同時也考慮到驅動器的虛假觸發可能會損壞設備。

反應堆保護系統的功能不僅有自動控制功能，也包含有關的手動控制功能。其中的自動控制功能在反應堆的各種工況條件下為反應堆提供保護和監測功能。在某些工況下，當某些保護參數不具備投入條件時，設計有運行旁通功能。同時，按照標準規范的要求，為每一個安全動作設計直接的手動操作裝置從而提供手動控制的能力。

2 技術特點

模塊式小型堆的設計以現有壓水堆技術為基礎，滿足現行有效的核安全法規及導則的要求，同時參照國際原子能機構所頒布的有效安全標準的要求，具備嚴重事故預防與緩解措施；同時吸收福島核電站事故的經驗反饋，考慮應對福島核電站事故的相關改進和措施。

綜合對國內M310 堆型以及AP1000 保護與安全監測系統的設計總結和比較，得出以下結論：M310 堆型保護系統設計結構嚴謹、可靠，但是其系統結構與采用第3 代核電技術的模塊式小型堆堆型的工藝系統不宜匹配；AP1000 是三代非能動電廠的典型代表，其保護系統結合了所采用的DCS 平臺的特點，在保護系統的結構和設計上有較大變化。它們有各自的特點，考慮到模塊式小型堆的堆型新增了三代核電廠的功能要求，所以在設計上更多的借鑒于AP1000。

在系統設計上，針對小堆自身特點，考慮在AP1000 的基礎上進行保護系統的設計，主要涉及保護參數的選取、保護系統結構的設計，保護邏輯的設計、系統接口設計等。考慮到模塊式小型堆堆型較小，相對于AP1000 的系統設計，模塊式小型堆的自動卸壓系統由四級卸壓改為了三級卸壓，并取消了對應的卸壓閥和隔離閥的設置。在停堆邏輯的設計上，對AP1000 三代核電技術的反應堆保護系統中停堆邏輯進行了改進，進一步完善了系統設計。

3 總結

模塊式小型堆反應堆保護系統設計充分利用了數字化技術所帶來的優勢，提高了整個電廠的安全性和經濟性，達到了三代核能系統的安全要求，并為我國數字化核電技術的發展打下了堅實的基礎。

［1］IEEE 603.IEEE Standard Criteria for Safety Systems for Nuclear Power Generating Stations [S].1998.