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條件和地震風險。從1956年世界上第一座商業化核電廠投運以來，發生多次核電廠因地震停堆的事件。核電廠在遇到強震發生時，通過監測地震信號實施停堆操作，以確保反應堆在破壞性地震發生前處于停堆狀態。在2011年福島事故發生后，世界各國核電廠都在重新評估核電廠設置地震自動停堆功能的必要性，國際原子能機構IAEA建議重點考慮增設自動停堆系統以應對超設計基準的嚴重事故。我國在《“十二五”期間新建核電廠安全要求》要求“宜設置地震自動停堆系統”[1]。因此，本文通過調研、分析和總結CPR1000、ACPR1000和HPR1000（第三代核電技術）采用的抗震保護功能及應用情況，為后續在建機組抗震保護設計提供參考和借鑒。

2 核電廠抗震保護方案

抗震保護功能主要通過地震儀表系統實現，地震儀表系統包括了地震監測系統和地震自動停堆觸發系統。

我國在運的核電機組中，多數機組僅設置了地震監測系統，地震監測系統通過地震加速度傳感器測量地震信號，由強震記錄儀進行采集記錄，并通過網絡傳輸到地震監測系統機柜，如圖1所示。由地震信號分析軟件比較測量值與設定值以及相應反應譜，以判斷是否超過報警限值。當地震加速度傳感器任意一個軸向測量值超過預定值時，系統觸發記錄地震事件，向主控制室發出報警信號；當檢測到的地震已經超過預先設定的超限判定準則時，地震監測系統將觸發報警[2-3]，主控室操作人員手動觸發停堆功能。通過提供地震后的分析數據，向震后應急行動提供重要基礎數據。

圖1 ACPR1000抗震保護系統架構原理

地震自動停堆觸發系統主要通過布置在核島反應堆廠房基礎層的3組三軸向加速度傳感器收集、記錄地震數據。當X、Y、Z三個方向的任何一方向記錄到發生超過預先設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生輸出停堆分信號。當3臺加速度傳感器中的2臺及以上超閾值時，反應堆緊急停堆。

3 多機組抗震保護功能分析

3.1 CPR1000機組

CPR1000核電項目中，兩臺單元機組共用一套地震儀表系統，其功能等級為非安全級。當地震到來時，地震儀表可以為核電站即刻和將來的運行決策提供相關信息，必要的時候通過核反應堆操縱員手動觸發反應堆緊急停堆的方式將核電站置于安全狀態（僅包含地震監測系統，未包含地震自動停堆觸發系統）。

該系統可分為兩個不同的子系統，分別為電子子系統部分和機械子系統部分。電子子系統由7臺數據采集記錄系統和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，數據可轉存到系統的硬盤上，其能提供本地的地震響應加速最大值。機械子系統由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。

系統主要完成兩項功能，一是通過實時監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采取即時的應急操作和核電廠的運行方式，必要時通過觸發反應堆停堆以實現保護核電廠的安全；二是收集并記錄地震相關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采集功能，可以將采集信息發送給儀控柜進行集中處理和記錄。其中有2臺三軸向加速儀設置了地震閾值報警，任意一臺監測的地震加速度值超過預先設定的閾值（0.01g）后，就會在儀控柜和主控室發出報警。儀控柜收到報警后，啟動地震數據記錄，即使在地震結束后一定時間內還會持續記錄。另外5臺峰值加速計主要承擔的功能是監測并記錄峰值加速度，在地震結束后提供地震峰值加速度的相關信息。

3.2 ACPR1000機組

ACPR1000機組主要是在CPR1000機組的基礎上進行技術改進的機組，其進一步完善了地震監測系統。地震監測系統主要用于收集、記錄地震數據，以數字格式存儲地震響應數據，并在地震發生之后對數據進行分析。當發生地震事件，或者地震已超過預先設定的報警閾值，地震監測系統通過接口將報警信號和峰值加速度值送到監測機柜，并通知主控制室操縱員，由操縱員根據工況條件和規程要求判斷手動執行反應堆停堆操作。ACPR1000抗震保護系統架構原理如圖1所示。

3.3 HPR1000機組（華龍一號，第三代核電技術）

HPR1000每臺單元機組設置1套地震儀表系統，其包含了完整的兩個功能模塊：地震監測子系統和地震自動停堆觸發子系統。每臺單元機組均包含7組三軸向加速度傳感器，其中4組負責地震監測，3組負責地震自動停堆觸發。

監測子系統的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）傳送到對應的記錄儀，當任意2組及以上發生地震觸發事件時（觸發閾值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設定值時，地震監測系統開始向主控室發送低水平地震報警信號（0.1g）、安全停堆地震報警（SSE）。系統會記錄所有加速度傳感器測得的地震響應數據，存儲的數據可覆蓋地震觸發事件前、整個地震過程中以及低于地震觸發事件閾值后的地震響應數據，并進行分析。

反應堆廠房基礎層上的3組三軸向加速傳感器測得的信號超過其預設的報警閾值時（0.13g），啟動自動停堆觸發信號檢測流程，進行通道檢查，在判斷報警通道組件工作狀態正常，數據信號有效后，經過核電廠多樣性驅動系統（KDS）三取二邏輯后執行反應堆自動停堆。3路自動停堆觸發信號通道是相互獨立工作的，一路通道觸發停堆信號，向外發送一個停堆信號，多路通道觸發信號，將發送多個停堆信號；三取二邏輯保證當其中一路出現故障時，不會影響系統的正常運行，其他通道可正常觸發反應堆自動停堆。同時系統通過硬接線向DCS傳送報警信號，如圖2所示。

圖2 HPR1000抗震保護系統架構原理

3.4 對比分析

本文將從安全分級、鑒定要求（抗震鑒定、環境鑒定、電磁兼容要求等），地震儀表設計，觸發表決邏輯，儀控系統接口等方面進行對比分析。

3.4.1 法規標準

對于核電站地震儀表系統來說，遵循的相關法規主要分為兩類。一是美國體系標準，即RG 1.12標準；二是法國體系標準，即RFS-1.3.b標準；此外我國的GB 50267在此基礎上對監測儀表的系統進行了補充細化說明。美國體系和法國體系標準之間的差異主要體現在地震儀表的布置要求上。CPR1000機組的抗震保護系統在遵循法國標準要求的基礎上，也同時進行了優化調整從而滿足美系和國標要求。華龍一號HPR1000機組在國標的基礎上，同時參考了行業標準NB/T 20076、NB/T 20077。

3.4.2 安全分級&抗震等級

地震停堆保護功能的安全等級主要從實現核電站安全功能的角度確定，由于地震停堆保護系統不會直接影響核電站的三大安全功能，因此多數核電站設置其為非安全系統。

所有地震停堆系統的抗震等級均為抗震I類。

3.4.3 停堆方式

根據對反應堆停堆信號的梳理發現，CPR1000機組的停堆信號中未設置由地震信號直接觸發的反應堆停堆信號和動作，因此在核電站發生地震且超過預先設定的閾值情況下，操縱員只能通過主控室報警判斷運行工況，然后進行手動停堆。除此以外，只有在地震同時引發相關停堆工藝參數達到滿足停堆條件時才能觸發自動停堆[5]。詳見表1。

表1 多機組抗震保護功能分析

4 結語

目前我國在運的（第二代核電技術）核電機組中，多數機組的抗震保護系統僅設置了地震監測系統，依靠操縱員手動觸發反應堆停堆。HPR1000機組（華龍一號，第三代核電技術）地震自動停堆觸發系統在發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有效干預的不確定度，縮短事件發生與人員干預之間的時間間隔，同時減輕了操縱員負擔。