中國先進研究堆高溫高壓試驗回路數字化保護系統設計

賈玉文，段 曉，張明葵，徐啟國，李 松

（中國原子能科學研究院，北京 102413）

0 引言

中國先進研究堆（China Advanced Research Reactor，CARR）是一座多用途高性能研究堆，可用于中子散射和核物理研究、核燃料和反應堆材料輻照試驗、放射性同位素輻照生產、中子活化分析、中子照相等[1,2]。CARR高溫高壓試驗回路是CARR實驗研究平臺之一，目的是利用CARR開展反應堆燃料元件和結構材料的輻照性能研究。試驗回路模擬壓水堆燃料元件運行的高溫、高壓、水化學等條件，可為壓水堆燃料組件、反應堆燃料元件的穩態綜合輻照考驗和瞬態性能試驗提供基本的試驗條件[1,2]。

試驗回路由主回路系統、二回路系統、三回路系統、安全注水系統、事故余熱排出及噴淋系統、噴淋水再循環系統、設備冷卻系統等12個子系統組成。CARR設計有保護系統，用于保護反應堆的安全[3]。運行工況參照核動力廠，運行和事故狀態分為正常運行、預計運行事件和事故工況，根據試驗回路事故分析，專門設置獨立于中國先進研究堆保護系統（下文簡稱CARR保護系統）的試驗回路保護系統（下文簡稱保護系統），既能保護試驗回路又能保護反應堆，對可能引起預計運行事件/事故的假設始發事件設置了相應的保護變量。當所監測的保護變量超過整定值時，自動給出觸發信號，觸發相應的保護動作，用來防止試驗回路工況超過安全限值，中止事故發展或緩解事故引起的后果，使反應堆（CARR）與試驗回路進入安全狀態。

1 系統功能

保護系統主要實現觸發CARR停堆、觸發專設安全設施和事故監測功能。

1.1 觸發CARR停堆功能

當所監測的保護變量（主回路流量、主回路壓力、主回路溫度）超過保護動作整定值時，自動給出觸發信號。該信號作為CARR保護系統輸入的停堆保護變量，分別送往CARR堆保護系統的A、B、C 3個通道，觸發反應堆停堆保護動作。

1.2 觸發專設安全設施功能

保護系統具有觸發6個專設安全設施的功能，用于中止和緩解試驗回路事故的后果。專設安全設施觸發功能如下：

1.2.1 啟動處于備用狀態的主回路主泵

當主回路主泵發生故障時，主回路流量降低。為防止主回路流量低導致的輻照燃料棒束熱量無法有效帶出，當主回路流量降至低整定值時，除給出觸發停堆的保護動作信號外，還給出專設安全設施觸發信號，觸發啟動處于備用狀態的主回路主泵，將輻照燃料棒束的釋熱帶出。

1.2.2 啟動事故余熱排出

CARR堆ATWS，僅通過排重水進行事故緩解，正常供電喪失。此時二三回路泵停運，主回路溫度升高。當二回路流量低于低整定值且同時主回路溫度高于高整定值時，保護系統將觸發關閉正常冷卻閥，截斷主回路換熱器二回路冷卻劑的冷卻通道；同時啟動余熱排出泵，開啟余熱排出閥，驅動冷卻水流經主回路熱交換器二次側，為主回路系統提供緊急冷卻，實現事故余熱排出功能，保證CARR和試驗回路安全停運。

1.2.3 啟動主回路工藝間噴淋發生LOCA事故時，主回路系統失水，穩壓器壓力、主泵出口壓力迅速下降，同時伴隨主回路工藝間壓力迅速升高。房間壓力升高至整定值時，保護系統將觸發噴淋閥開啟降溫降壓，保證主工藝間的完整性。

1.2.4 停止中壓安注

發生LOCA事故時，主回路系統失水，穩壓器壓力、主泵出口壓力迅速下降。當安注水箱壓力下降至4.0MPa時，安全注入系統（中壓安注）非能動自動投入。安注水箱中的水全部進入主回路后，安注水箱壓力下降到低整定值，此時安注水箱水量接近為零。為防止高壓氣體進入主回路系統中影響傳熱，保護系統此時觸發關閉中壓安注閥，停止中壓安注。

表1 保護變量及其信號類型Table 1 Protection viable and signal type

1.2.5 啟動低壓安注

發生LOCA事故時，主回路壓力繼續下降至低低整定值時，保護系統觸發啟動事故余熱排出及噴淋系統中余熱排出泵，同時觸發開啟低壓安注閥，向主回路緊急注水。

1.2.6 啟動小流量安注

當主回路溫度降至低低整定值后，保護系統觸發開啟小流量安注閥，開始小流量安注，此時僅靠小流量便能保證系統的安全。

1.3 事故后監測功能

事故后監測系統用來監測試驗回路事故期間和事故后保護變量的變化，使運行人員掌握和跟蹤事故的進程，為分析事故和評價事故提供依據。

保護系統6個保護變量的信號進入保護系統之前，被隔離分配出一路信號送往安裝在控制室控制臺上冗余的兩臺安全級事故后監測記錄儀，該信號具備事故期間和事故后監測功能。

2 保護變量、假設始發事件與保護邏輯

2.1 保護變量

保護系統設有6個保護變量，其類型見表1。

2.2 假設始發事件與保護邏輯

保護系統假設始發事件與保護變量的對應關系，以及保護系統做出的保護動作見表2。

表2 試驗回路保護動作控制邏輯Table 2 Control logic of the test loop protect action

3 系統結構

保護系統由A、B、C 3個獨立的保護通道組成。

單個通道完成各個保護變量的測量、定值比較后，將本通道的閾值比較結果通過點對點網絡通訊傳送給其他兩個通道進行局部2/3符合后，生成變量級觸發信號；各個保護變量再進行1/N總體符合，生成通道級觸發信號；通道級觸發信號通過IO設備輸出到由繼電器搭建的硬邏輯進行通道級的2/3邏輯符合，最終輸出系統級的觸發信號送出保護系統，驅動停堆。

至于專設安全設施的觸發，單個通道完成各個保護變量的測量、定值比較后，將本通道的閾值比較結果通過點對點網絡通訊傳送給其他兩個通道進行局部2/3符合后，生成變量級觸發信號。因絕大部分專設僅一個保護變量，故不必再進行1/N總體符合（對于事故余熱排出專設，主回路溫度高與二回路流量低還需進行與邏輯），生成通道級觸發信號；通道級觸發信號通過IO設備輸出到A、B通道，由繼電器搭建的硬邏輯進行通道級的2/3邏輯符合，最終A、B通道輸出系統級的觸發信號分別送往A序列專設安全設施電氣驅動電路和B序列專設安全設施電氣驅動電路。

保護系統采用數字化技術，保護系統每個通道采用單機柜配置，每個機柜配置交直流轉換設備、信號調理分配單元、信號采集單元、邏輯處理單元以及光電轉換單元等，柜內控制站為熱備冗余結構設計，系統的基本架構如圖1所示。

信號調理分配單元接收試驗回路保護變量傳感器的信號，并對信號進行調理和擴展分配。其中，一路信號送往保護系統，一路信號送往監控系統，一路信號送往事故后記錄儀（送記錄儀信號的僅A、B通道，C通道不送），以上信號均以硬接線形式連接。

圖1 數字化保護系統結構示意圖Fig.1 Sketch of digital protection system

信號采集單元負責保護系統的信號的輸入和輸出，邏輯處理單元采用雙MPU設計，主要實現邏輯判斷、報警、系統控制等功能。MPU可通過專用通訊網絡連接，維護計算機完成相關設備的維護工作。

光電轉換單元用于實現3個通道機柜之間信號傳輸功能，3個通道之間信號傳輸以安全級網絡為主，光電轉換單元實現了通道間的物理隔離，實現了保護系統通道間獨立性的要求。僅系統級觸發信號，因需要繼電器搭建硬邏輯而采用硬接線的形式進行連接，同樣實現了通道間的物理隔離。

4 手動觸發

為避免試驗回路保護系統由于共因故障失效，除自動觸發外，還設置手動觸發功能。在試驗回路控制室內兩個獨立的控制臺上，各設有一個“手動觸發保護”按鈕，只要按動其中任何一個按鈕，則直接觸發停堆信號，同時給出報警信號。

手動觸發保護信號送監控系統進行記錄。

5 系統報警

當所監測的保護變量越限或觸發保護動作時，在控制臺提供相應的聲光報警信號，給予操縱員相應提示。聲光報警指示由試驗回路監控系統采用軟件方式實現。

1）參數警告報警：所有輸入的保護變量均通過信號調理分配單元擴展出標準電信號，經電氣隔離送往監控系統。當保護變量中任一變量測量值達到相應的報警定值時，由監控系統給出警告報警信號。

2）事故停堆報警：當保護系統觸發事故停堆保護動作信號時，系統擴展隔離輸出各保護變量的事故停堆信號及系統級停堆信號，由監控系統給出事故停堆報警信號。

3）專設觸發報警：當保護系統觸發專設保護動作信號時，系統擴展隔離輸出專設觸發信號，由監控系統給出專設觸發信號。

6 系統設備

系統有3臺冗余、獨立的保護系統機柜A、B、C，內部安裝執行系統功能要求的全部單元部件。機柜底部安裝有機柜基礎支架，保護系統及其底座支架做成的整體滿足抗震I類的要求。

試驗回路保護系統3個機柜分別布置在3個相互獨立的3個房間，滿足獨立性要求。

7 總結

隨著核電行業進入數字化時代，基于數字化技術，針對CARR高溫高壓試驗回路設計了一套全數字化保護系統，該保護系統采用三通道系統架構，具備觸發CARR停堆功能、觸發專設安全設施功能和事故后監測功能，具有可靠性高，維護、試驗方便等優點。設計滿足保護系統導則標準對于獨立性、單一故障準則等方面的要求。