浅谈反应堆保护系统设计

王鹤云?沈莹

摘 要 为了科学利用核能，保障核电站的运行安全，确保其可靠性和安全性，在进行保护控制系统设计时，应充分考虑其发生故障的可能性。本文介绍了核电站数字化控制系统的保护系统的设计原则，并对其典型设计进行了分析研究。

关键词 核能；数字化控制系统；保护系统；可靠性

前言

核能是一种稳定的清洁能源，使用核能发电至今已有近70年的历史。然而，自日本福岛核事故发生以来，世界范围内核电项目受到了严重打击，中国政府立即暂停了已开工的核电项目，并对新上核电项目进行严格审批，直到近年才陆续重新开工。如何确保核电站的运行安全，如何使用好核能这把双刃剑，已成为决定整个核电行业发展的重中之重。随着微处理技术的发展，数字化控制系统已取代了传统模拟控制和保护系统，本文主要介绍了数字化控制系统中反应堆保护相关系统的架构与设计原则。

1 系统组成

1.1 核电站的基本构成

核电站是用核能生产电能的电厂，从生产角度上讲，核电站分为两大部分，一部分是通过核能放热产生蒸汽，称之为核岛；另一部分与常规电厂相同，利用蒸汽生产电能，称之为常规岛。

核岛系统由反应堆、主泵、稳压器、蒸汽发生器和相应管道组成，反应堆外壳是一个耐高压容器，主要用于将全部核放射限制在其范围之内、防止飞机撞击等事件，是放射物质与环境之间的第三道屏障。

但是，当反应堆出现异常时，如果不能及时调整或停止其核反应，堆芯温度将不断上升，进而导致核岛内压力不断升高，当压力高到容器无法承受时，最终会发生放射性物质外泄。

1.2 反应堆保护系统

（1）概述

反应堆保护系统的作用就是保护三大核安全屏障（即燃料包壳、一回路压力边界和安全壳）的完整性[1]。当核电站的某些设备发生故障时，通过设置在核电站各个设备、管道的压力、温度、流量传感器参数也会发生变化，当这种参数变化达到危及三大屏障完整性的阈值时，紧急停闭反应堆，必要时启动专设安全设施，通过淋水等方式进一步降低温度，保障公众生命财产安全。

（2）系统组成

核电站数字化控制系统主要由反应堆控制系统（标准DCS）和反应堆保护系统（RPS）等构成。为确保核电站不发生核泄漏事故，反应堆保护系统扮演了关键角色，其系统组成主要分为紧急停堆系统（RTS）和专设安全设施驱动系统。

核电站的数字化控制系统建设是一个系统工程，反应堆保护系统（RPS）是广义的反应堆保护系统的一部分，在它之外，还有着许多执行专门功能的被控系统，例如通过分布于反应堆压力容器外的一系列中子探测器进行测量的核仪表系统（RPN）和测量堆芯温度、中子注量率、压力容器水位的堆芯测量系统（RIC）。

在核电站运行发电的时候，数字化控制系统通过这些系统反馈的参数来监视反应堆的运转情况，并通过控制相关的泵、阀等执行机构来调整反应堆的运行状态。

2 设计原则

在核电站的运行过程中，按照其各种瞬时状态、发生事故的频率以及对公众的放射性影响将事件分成四类：工况I——正常运行和正常运行瞬态、工况II——中等频率故障、工况III——稀有事故、工况IV——极限事故。保护系统正是针对II、III、IV类工况设计的，考虑到设备存在失效的可能，为了最大限度提高其可靠性，在进行保护系统设计时，需符合以下准则：

单一故障准则：任何部位发生单一故障或单次事件引起的任何故障，保护系统仍能正常执行其功能。

冗余性和独立性：在设计上需广泛采用冗余設计，如保护系统在执行某一功能时，使用多个相同的设备来确保其一定会按要求执行其功能，同时为了避免这些设备发生共模故障、实现在线检验和维修，要求设计时在电气和结构上应相互独立。

多样性：在执行功能或采集数据时，应尽量采用不同的方式进行，在功能和设备上均有多样性，以克服共模故障[2]。

故障安全：在系统发生任何故障时，其导致的结果对于核电站而言属于安全状态。

逻辑符合：在采用保护动作前，必须有两个或两个以上的冗余信号相符合，增加可靠性。

可试验性和可维修性：保护系统的冗余设计使得整个系统的可靠性到了很高的程度，即发生一些故障后整个系统仍能正常工作，为了防止故障积累导致全系统故障，需通过定期试验发现和修理系统中故障的部分。

3 典型设计

反应堆保护系统结构复杂，涉及的设备数量庞大，现以某核电站蒸汽发生器内液位测量为例，介绍其数字化控制系统的典型设计。

某核电站共有三个蒸汽发生器，需实时监测这三个蒸汽发生器内的液位高度，在其过高或过低时，代表反应堆内相关设备或管道发生故障，应进行停堆。

设计时，为每一个蒸汽发生器配置了四个液位传感器，在可能的情况下，这四个传感器应使用不同的物理效应进行测量。使用数字化控制系统四个不同的通道分别对其进行实时模拟量采集，采集的结果在核电站主控室显示并记录。同时，针对每个传感器设置高、低两个阈值，当液位过高和过低时，发出信号，当四个传感器中的两个同时出现异常，且符合其它逻辑时，启动反应堆停堆断路器进行紧急停堆。

4 结束语

在福岛事件后，公众对核电存在一定的误解和偏见，在核电站建设过程中，很大一部分建设成本用于确保核电站的运行安全。纵观整个核电站的生命周期，对于每一个系统的设计、采购、制造、安装、调试、运行，核电人投入了大量精力保证其设计完善、质量可控，将风险降低至最低。本文旨在由反应堆保护系统设计的角度，简要介绍了其设计原理与典型设计实施方式，解释为什么核电站是安全的，提高公众对核电的信心。

参考文献

[1] 广东核电培训中心.900MW压水堆核电厂系统与设备[M].北京：原子能出版社，2007：179.

[2] 梁中起.核电厂保护系统多样性设计应用研究[J].自动化博览，2015，（12）：80-81.

作者简介

王鹤云，现就职单位：中国核电工程有限公司，研究方向：从事DCS采购工作。