核电站地震监测系统及其开发进展

陈志高 黄 俊

1 中国地震局地震研究所（地震预警湖北省重点实验室），武汉市洪山侧路40号，430071

2 武汉地震科学仪器研究院有限公司，武汉市洪山侧路40号，430071

积极发展核电是中国能源的优先战略。安全经济的核电，契合了人类寻找高效能源的理念与需求，使其成为发展低碳经济、应对气候变化的理性选择。

核电虽然有许多优点，但也不同于其他的能源形式，对自然灾害的安全防范措施显得格外重要，尤其是地震［1］。2007－07－16日本新泻发生里氏6.8级地震，此次地震虽然对核电站造成强烈影响，但由于地震触发安全装置使4台运行的核反应堆自动停堆，核电站主体结构没有破坏，也没有发生灾难性的核泄露事故［2］。2011－03－11日本东北部海域发生9.0级强烈地震，共有11台核电机组发生自动停堆，停堆后反应堆的热功率迅速下降到4%。但由于这4%的余热处理不当，最终引起福岛核泄露事故［3］。这两次日本核事故证明，地震监测系统能在强地震中发挥重要作用。

中国是遭受地震危害最为严重的国家之一，约40%的国土面积处于Ⅶ度及以上的高地震烈度区［4］。为确保核电站构筑物、系统和设备的安全，特别是确保对人体健康和核安全有重要影响的设备的安全运行，所有核电站都必须设置地震监测系统［5］。

1 我国核电站地震监测系统及发展现状

我国核电站采用传统的抗震技术，核电站建立在完整的基岩上，这种“硬抗”的方式在在遇到突发强地震时，核电站可能出现安全事故［6］。

按照我国核电站设计标准要求，多数厂址考虑的地震水平低于0.2g，少数厂址的地震水平在0.2～0.3g［7］。若遇到如汶川这种地震烈度区划原属于Ⅶ区（0.1～0.15g）的地区发生强地震（汶川地震中记录的最大峰值加速度为957.7Gal，约0.977g）［8］，必然造成大灾难。国内外所有核电站都根据安全需要，毫无例外地设置了地震监测系统，实时监测随时可能发生的震动及核电站周边地区地震活动对核电站的影响，并有相应的地震对策。

核电站地震监测系统利用若干台加速度传感器测量自由场及结构体的震动加速度，监测并记录下地震发生时完整的地震事件数据。当地震事件发生时，系统快速产出综合信息，及时报警，为核电站的运行者判断是否需要进行控制提供重要的依据，以达到既避免无根据地停堆，又防止核电站在不安全状态下继续运行的目的。系统所获得的地震数据，可作为核电站承受过的地震基础数据长期保存，也为验证核电站的抗震设计提供宝贵资料。

2009年之前，国内的核电站安装的大多是法国和美国的地震监测系统，个别的由俄罗斯承建。近年来，中国地震局地震研究所对核电地震监测系统开展大量研究并研发出国产化的核电站地震监测系统［9－15］，由武汉地震科学仪器研究院有限公司实现产业化。

2 我国核电站地震监测系统依从的标准

由于我国核电站从整体上说是刚刚起步，走引进到自主设计的道路。在进行核电站地震监测系统设计时，除符合国家标准《核电厂抗震设计规范》［16］和行业标准《核电厂地震仪表准则》［17］、《核电厂地震仪表记录的处理和初步评估》［18］、《中国数字强震动台网技术规程》［19］以外，还执行了一些国外标准，包括《压水堆核电站核岛电气设备设计和建造规则》［20］、IEC6100系列电磁兼容性技术标准等。并且针对美国、俄罗斯、德国设计的核电站，分别执行相关国家的标准。

3 核电站地震监测系统的设计

3.1 核电站地震监测系统的功能要求

核电站地震监测系统的总体技术设计方案是根据核电站的实际要求编制的，目的是发生地震后为核电站运行提供相关信息，包括：

1）提供地震信号记录；

2）向控制室发出地震报警；

3）供运行人员快速查看数据，根据这些数据，运行人员可确定地震强度、决定应立即采取的操作；

4）若地震强度达到预定的限值，提供详细的分析数据。

3.2 核电站地震监测系统的硬件组成

依据核电站地震监测系统的功能要求，系统基本组成结构如图1所示。

图1 系统的基本组成结构Fig.1 System’s structure

系统的硬件组成包括如下部分。

1）三轴向加速度传感器

若干台三轴向加速度传感器布设于反应堆基础、核辅助建筑、电厂建筑以及自由场。这些测量数据通过电缆可靠地传送到中心信息处理系统。地震监测系统多为2堆共享。

2）触发和报警功能

三轴向加速度计采用触发方式记录地震数据，并提供逻辑信号驱动继电器向控制室报警（干触点），启动中心信息处理系统，存储和显示地震信息。

3）机械峰值加速度计（机械传感器）

机械峰值加速度计是一种冗余设计，它无需供电并提供可信赖的峰值加速度检测和恒久记录。

4）中心信息处理系统

中心信息处理系统位于电气建筑的仪器室，由计算机数据获取和处理设备、显示设备和打印设备组成。主要功能如下：

①接收来自传感器的测量信号；

②提供本地报警信号并直接传递到要求的控制室；

③一旦触发启动，对接收到的信息进行处理、采集并记录；

④需要时，进行地震反应谱分析。

3.3 核电站地震监测系统的软件设计

核电站地震监测系统的软件主要功能有：

1）实时监测地震加速度随时间的变化过程，并判别真伪地震。当地震信号超过报警阈值时，显示、记录地震加速度峰值并向主控室发出报警信号。

2）采集记录地震加速度反应时程数据，计算加速度响应谱和设计响应谱等。

系统选用wxWidgets平台进行软件设计，并按照功能进行模块设计，可跨平台运行，具有良好的稳定性和可扩充性。系统软件结构如图2所示。

图2 系统的软件结构Fig.2 System’s software structure

对于核电站地震监测系统而言，地震事件的准确触发和完整存储是整个系统稳定运行的关键，这使触发逻辑的设置与存储方式的选择显得尤为重要。地震事件的触发流程如图3所示。

为了记录完整的地震事件，软件采用先入先出栈的方式对数据进行记录存储。软件在内存中建立ns数据采样量的队列，地震数据在ns内未超过设定阈值，软件将用新数据包进行填充。一旦检测到超过阈值的地震数据，系统软件立即将本时刻点前ns的数据存储到缓冲区，同时实时记录地震事件。存储的地震事件可通过GUI进行查看，并进行CAV（cumulative absolute velocity）［21］等数据分析。

图3 地震事件触发流程Fig.3 Flow chart of seismic event trigger

4 系统测试

核电站地震监测系统设计完成之后，需通过相关试验方可应用于电站地震监测。这些试验包括：电磁兼容性试验（包括静电放电抗扰度试验、射频电磁场辐射抗扰度试验、浪涌抗扰度试验、射频场感应的传导骚扰抗扰度试验等）、高低温试验和抗震试验（抗震I类）。核电站地震监测系统必须在试验过程中及试验结束后均能保持正常检测与报警功能。本文所述的核电站地震监测系统均通过了规定测试。

5 核电站地震监测系统开发的趋势和要求

5.1 核电站地震监测系统的发展趋势

日本2011年发生的9级大地震引发重大核安全事故以后，核电站地震监测系统有以下发展趋势：

1）日本核电站地震监测系统在新泻里氏6.8级地震和东北部海域9.0级地震中都发出停堆命令，极大地减轻了地震灾害，但这两次地震仍然造成了核安全事件和核事故。因此，仅靠核电地震监测系统来减轻核电在强地震作用下的破坏是不够的，还需要提高核电站的安全标准，规范核电站的管理，避免人为因素造成事件扩大。

2）随着第3代核电站AP1000在我国的推进和新技术的发展，对安全性提出了更高要求，其中包括对地震监测的要求。目前2代核电站将峰值加速度值作为判断是否停堆的重要依据，可能引起近震小震这种非破坏性地震的误报。而3代核电站只有当反应谱参数和CAV 阈值同时超出规定的限值时才发出报警，可以有效地剔除近震小震这类对核电站没有破坏的地震干扰，避免因误报引起的经济损失［22］。另外，3代核电站AP1000设计成“非能动”冷却系统，可以在没有任何应急电源和人员干涉的情况下，对反应堆和安全壳进行长时间的冷却［23］，避免了核电站在强地震作用下反应堆停堆成功但冷却系统却失效引发的事故。

3）各国需要根据实际情况更新核电站地震监测的标准，在监测、数据处理、评估等方面提出新的要求。

4）目前世界上绝大多数核电站的地震监测系统只能对已经发生且强震动已经作用于核电站时才发出报警，应急处置时间较短。地震预警技术利用地震P波波速比S波快、电磁波速快于地震波速的特性，在地震发生之后，破坏性地震波尚未到达之前发出地震报警，能够提供数s至数10s的预警时间［24］。目前世界上唯一设置了地震预警系统的核电站是立陶宛的Ignalina核电站［25］。若能将地震预警技术应用于核电站的地震监测系统，则可以更快地发出地震报警，减小损失。另外GPS测站可以有效识别P波初至，因此利用GPS进行地震预警具有可行性，高精度的GPS网络不仅可以进行地震预警，还可以更加精确地评价地震灾害的等级［26］。但目前地震预警技术应用于核电站尚有不成熟之处，将地震预警技术有效地应用到核电站的地震监测系统，还需要进一步研究［27］。

5）目前的核电地震监测系统都是事后数h内由工作人员判断是否需要停堆，若系统能直接参与自动停堆操作，则能达到更好的地震减灾效果。

5.2 核电站地震监测系统发展的要求

为了确保在安全的基础上高效地发展核电，需要发展新的高品质核电站地震监测系统。

1）以我国引入3代核电站AP1000为契机，促进现有核电站地震监测系统的升级，包括硬件和软件应符合3代核电站地震监测系统标准，让设备在安全性、可靠性、抗震性能论证、电磁兼容、防护度、环境适应性、使用寿命等方面全面提高。

2）优化地震报警评估方法，改变由加速度峰值判别和加速度反应谱分析判断是否应当停堆的方法，采用加速度峰值判别和分段采用不同反应谱分析并结合累积绝对速度（CAV）计算的方法，分析地震强度是否达到停堆水平。同时，应加大对地震预警技术的研究，在保证报警的稳定性、可靠性的前提下，推进地震预警技术在核电地震监测中的应用。

3）提高核电站地震监测系统的可靠性和抗干扰能力，提高系统处理能力和速度。由核电站操作人员依据地震监测数据人工决定应采取的措施，升级到系统自动采取应急处置措施。

4）破坏性地震发生概率较小但对核电站危害极大，核电站地震监测系统操作人员应熟悉系统操作流程，并熟练处理系统日常记录的小震和远震等非破坏性地震数据，以便在遇到破坏性大震时可以从容应对，发挥系统应有的作用。

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