AP1000反應堆安全停堆可靠性分析

孫紅芳

摘 要：AP1000的保護與安全監測系統能夠根據電廠異常瞬態在事故情況下保證反應堆安全停堆，緩解事故后果。該文通過對反應堆停堆處理器、停堆邏輯矩陣以及停堆斷路器等硬件的分析，詳細研究了AP1000停堆觸發的實現過程，并對其可靠性和先進性進行了深入的分析。

關鍵詞：AP1000 停堆矩陣 停堆斷路器 可靠性

中圖分類號：TM58 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）05（c）-0051-02

AP1000反應堆保護系統在電廠工況達到安全限值時，觸發自動反應堆停堆功能，同時驅動相應的安全設施動作，限制設計基準事故的后果。該文通過對停堆處理器、停堆邏輯矩陣和停堆斷路器的分析，研究了反應堆停堆功能的觸發過程，同時對停堆可靠性進行了分析。

1 安全停堆分析

AP1000核電廠設計了20種停堆信號，主要包括核啟動停堆、超功率停堆、堆芯余熱導出停堆、反應堆超壓力保護停堆、失熱阱以及給水隔離停堆等幾大類，它們停堆的機制基本相同。總的來說，現場過程參數傳感器（如一回路溫度、壓力、蒸汽發生器液位、主泵轉速等）以及核探測器傳感器的信號首先采集后送入保護與安全監測系統（PMS）冗余的4個序列；信號在PMS中與給定參數的設定值做比較，將比較結果通過相應的處理器進行邏輯判斷與綜合分析，最終產生的停堆信號使得停堆斷路器斷開，此時，棒控電動發電機組供往控制棒驅動機構的電源被切斷，所有控制棒失電掉落堆芯，反應堆停堆。

1.1 安全停堆過程分析

下面將對AP1000核電廠安全停堆的實現過程進行詳細分析。涉及到停堆的現場過程參數傳感器有重要設備的壓力、溫度、液位，主泵轉速以及監測核功率的核探測器等，其中每一類傳感器一般設置為冗余的4個，信號采集后送往PMS對應A、B、C、D4個序列。傳感器信號首先進入對應序列BCC機柜中的BPL處理器，每個序列有兩個BCC機柜，標記為BCCX01和BCCX02（X代表ABCD），對應的BPL處理器標記為BPL-X1/X2，BPL處理器被稱為雙穩態邏輯處理器，也就是說此處理器輸出0和1兩種穩定狀態。每個序列設置有兩個冗余的BPL處理器。輸入信號在BPL中的PM646處理器中與給定的設定值進行計算比較，超過技術規格書的設定值時，雙穩態邏輯處理器輸出結果為1，否則輸出為0。例如：如果送往A序列的主泵1A的軸承水溫度傳感器采集值大于85 ℃的設定值，則此序列A的兩個BPL的輸出為1，這也意味著該序列產生了部分停堆信號。由于冗余設置，同一序列的兩個比較結果一般是相同的，不同則說明出現了軟件和硬件方面的故障。

BPL產生的部分停堆信號將送往該序列的兩個LCL處理器，標記為LCL-X1/X2，同時也通過高速數據鏈路HSL送往其他3個序列的LCL，也就是說，每一個LCL將接收到4個序列共8個BPL的輸出信號。LCL為局部符合邏輯處理器，用于對BPL的輸出信號進行表決、產生停堆信號和ESF系統級驅動信號，該文暫不分析ESF信號。LCL接收到BPL的信號后，將來自同一個序列的兩個BPL輸出經過或門處理融合成一個信號0或者1。

每個LCL將融合后的4個信號送入LCL中的兩個冗余停堆處理器，標記為RTX1/X3，RTX2/X4。每一個停堆處理器接收到4個局部RT信號后進行四取二邏輯判斷。如果4個局部RT信號中至少有兩個為1，此停堆處理器就會輸出高電平1，這個信號為該序列完整停堆信號。

得到序列停堆信號后，這4個數字量輸出分別控制各自對應的4個繼電器，通過繼電器控制該序列對應的反應堆停堆觸發和接口邏輯矩陣中的開關觸點。以A序列為例，RTA1處理器四取二后的輸出會將改變DO1CH0觸點的狀態。如果RTA1輸出為1，SIR1線圈上游的DO1CH1觸點會閉合使線圈得電，同時UIR1線圈上游的DO1CH0觸點斷開，使線圈斷電。SIR1線圈得電后，ST線圈（并聯跳閘線圈）停堆觸發邏輯矩陣中SIR1觸點就會閉合，同理UV線圈（低壓跳閘線圈）停堆觸發邏輯矩陣中UIR1觸點就會斷開，其他RT處理控制的觸點也會發生狀態改變，即UIR1/2/3/4觸點全部斷開以及SIR1/2/3/4觸點全部閉合。為了確保可靠動作，UIR1和UIR3串聯、UIR2和UIR4串聯；SIR1和SIR3并聯、SIR2和SIR4并聯。產生的結果使得控制反應堆停堆斷路器開關的線圈RTCBA1UV/2UV線圈失電，而RTCBA1ST/2ST線圈得電。

A序列的兩個UV線圈失電，兩個ST線圈得電，使得反應堆停堆斷路器A1和A2斷開。如果4個序列均發生上述動作，則8個停堆斷路器均斷開，此時，棒控電動發電機組供往控制棒驅動機構的電源就會切斷，導致所有控制棒掉落堆芯，反應堆停堆。

1.2 安全停堆可靠性分析

通過上述對AP1000反應堆停堆觸發過程的分析，總的來說，反應堆停堆系統的設計結構，首先保證了過程參數傳感器、各個處理器、停堆斷路器等硬件沒有故障時，均能夠實現四取二停堆；其次，當某一硬件發生故障時，通過冗余設計也能夠保證反應堆實現四取二停堆。具體而言，確保反應堆安全可靠停堆主要體現在以下幾個方面。

（1）看門狗計時器WDT的作用是當RT處理器出現硬件故障時，相應的觸點WDT1/2/3/4會發生狀態改變，使其下游對應的線圈得電或者失電，從而使ST線圈得電，UV線圈失電，最終停堆斷路器斷開。

（2）每個停堆斷路器都受到UV線圈（低壓跳閘線圈，線圈失電對應停堆斷路器斷開）和ST線圈（并聯跳閘線圈，線圈得電對應停堆斷路器斷開）控制。這種冗余多樣化的設置，能夠避免共因故障和共模故障，滿足單一故障準則。

（3）如果某一序列一個LCL內部的兩個RT處理器在正常運行時同時失效，它們對應的觸點狀態改變后并不能使得該序列的UV線圈和ST線圈狀態發生改變，從而不能斷開該序列的停堆斷路器，因此，降低了誤停堆的可能性。

（4）對于停堆斷路器而言，只要有兩個或兩個以上PMS序列對應的斷路器跳閘反應堆就會停堆，而不必使所有的8個斷路器全部跳閘。停堆斷路器的冗余設置也保證了斷路器本身故障時不誤觸發停堆。

（5）另外，停堆信號中還包括主控室硬操盤臺上手動反應堆停堆信號、手動ADS、S、CMT信號，手動觸發時會直接斷開UV線圈停堆觸發邏輯矩陣下游對應觸點，通過斷開UV線圈直接使反應堆停堆，不經過任何停堆邏輯判斷。

從以上分析中可以看出，保護系統的冗余設計是保證其可靠停堆的關鍵。同一參數儀表、PMS4個序列、序列內BPL與LCL處理器、停堆邏輯矩陣以及停堆斷路器均為冗余設置。采用大量的冗余偏安全、偏保守的決策，不論是自動停堆還是手動停堆都具有很高的可靠性。

2 結語

該文主要從AP1000保護系統中的反應堆停堆處理器、停堆觸發矩陣、停堆斷路器等硬件方面詳細分析了AP1000核電站如何實現安全停堆，并對其實現的可靠性進行了分析，旨在讓讀者加深對AP1000核電技術保護功能的理解以及為PMS系統工程師提供技術參考。

參考文獻

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