多堆型核电厂地震停堆功能对比分析

广西防城港核电有限公司 阳勤文

1 引言

核电厂在厂址选择时，会充分评估厂址所在的地质条件和地震风险。从1956年世界上第一座商业化核电厂投运以来，发生多次核电厂因地震停堆的事件。核电厂在遇到强震发生时，通过监测地震信号实施停堆操作，以确保反应堆在破坏性地震发生前处于停堆状态。在2011年福岛事故发生后，世界各国核电厂都在重新评估核电厂设置地震自动停堆功能的必要性，国际原子能机构IAEA建议重点考虑增设自动停堆系统以应对超设计基准的严重事故。我国在《“十二五”期间新建核电厂安全要求》要求“宜设置地震自动停堆系统”[1]。因此，本文通过调研、分析和总结CPR1000、ACPR1000和HPR1000（第三代核电技术）采用的抗震保护功能及应用情况，为后续在建机组抗震保护设计提供参考和借鉴。

2 核电厂抗震保护方案

抗震保护功能主要通过地震仪表系统实现，地震仪表系统包括了地震监测系统和地震自动停堆触发系统。

我国在运的核电机组中，多数机组仅设置了地震监测系统，地震监测系统通过地震加速度传感器测量地震信号，由强震记录仪进行采集记录，并通过网络传输到地震监测系统机柜，如图1所示。由地震信号分析软件比较测量值与设定值以及相应反应谱，以判断是否超过报警限值。当地震加速度传感器任意一个轴向测量值超过预定值时，系统触发记录地震事件，向主控制室发出报警信号；当检测到的地震已经超过预先设定的超限判定准则时，地震监测系统将触发报警[2-3]，主控室操作人员手动触发停堆功能。通过提供地震后的分析数据，向震后应急行动提供重要基础数据。

图1 ACPR1000抗震保护系统架构原理

地震自动停堆触发系统主要通过布置在核岛反应堆厂房基础层的3组三轴向加速度传感器收集、记录地震数据。当X、Y、Z三个方向的任何一方向记录到发生超过预先设定的停堆阈值的地震事件时，在信号通过自检程序排除故障报警后，该通道闭合继电器产生输出停堆分信号。当3台加速度传感器中的2台及以上超阈值时，反应堆紧急停堆。

3 多机组抗震保护功能分析

3.1 CPR1000机组

CPR1000核电项目中，两台单元机组共用一套地震仪表系统，其功能等级为非安全级。当地震到来时，地震仪表可以为核电站即刻和将来的运行决策提供相关信息，必要的时候通过核反应堆操纵员手动触发反应堆紧急停堆的方式将核电站置于安全状态（仅包含地震监测系统，未包含地震自动停堆触发系统）。

该系统可分为两个不同的子系统，分别为电子子系统部分和机械子系统部分。电子子系统由7台数据采集记录系统和7个三轴向加速度传感器组成。在地震事件期间，7个三轴向加速度传感器上的21路信号存储到CF存储卡中，至少能保存30min的记录。地震过后，数据可转存到系统的硬盘上，其能提供本地的地震响应加速最大值。机械子系统由4台独立的PAR-400无源峰值加速度计组成，每台所记录的三个轴向加速度值分别刻画在三个金属记录板上，作为恒久记录。

系统主要完成两项功能，一是通过实时监测核电厂地震信息并及时地提供给操纵员报警信息，从而使其判断是否应采取即时的应急操作和核电厂的运行方式，必要时通过触发反应堆停堆以实现保护核电厂的安全；二是收集并记录地震相关信息用于核电厂安全状况的全面分析和评价[4]。

对于CPR1000核电站单台机组来说，7台三轴向加速仪分布在三个正交方向上完成绝对加速度的连续采集功能，可以将采集信息发送给仪控柜进行集中处理和记录。其中有2台三轴向加速仪设置了地震阈值报警，任意一台监测的地震加速度值超过预先设定的阈值（0.01g）后，就会在仪控柜和主控室发出报警。仪控柜收到报警后，启动地震数据记录，即使在地震结束后一定时间内还会持续记录。另外5台峰值加速计主要承担的功能是监测并记录峰值加速度，在地震结束后提供地震峰值加速度的相关信息。

3.2 ACPR1000机组

ACPR1000机组主要是在CPR1000机组的基础上进行技术改进的机组，其进一步完善了地震监测系统。地震监测系统主要用于收集、记录地震数据，以数字格式存储地震响应数据，并在地震发生之后对数据进行分析。当发生地震事件，或者地震已超过预先设定的报警阈值，地震监测系统通过接口将报警信号和峰值加速度值送到监测机柜，并通知主控制室操纵员，由操纵员根据工况条件和规程要求判断手动执行反应堆停堆操作。ACPR1000抗震保护系统架构原理如图1所示。

3.3 HPR1000机组（华龙一号，第三代核电技术）

HPR1000每台单元机组设置1套地震仪表系统，其包含了完整的两个功能模块：地震监测子系统和地震自动停堆触发子系统。每台单元机组均包含7组三轴向加速度传感器，其中4组负责地震监测，3组负责地震自动停堆触发。

监测子系统的4组传感器，每组传感器将三个信号（三个轴向，其中2个为水平方向，1个为垂直方向）传送到对应的记录仪，当任意2组及以上发生地震触发事件时（触发阈值0.01g），启动事件记录。传感器中任意2组及以上三轴向加速传感器任一轴向测得的加速度信号超过其预设定值时，地震监测系统开始向主控室发送低水平地震报警信号（0.1g）、安全停堆地震报警（SSE）。系统会记录所有加速度传感器测得的地震响应数据，存储的数据可覆盖地震触发事件前、整个地震过程中以及低于地震触发事件阈值后的地震响应数据，并进行分析。

反应堆厂房基础层上的3组三轴向加速传感器测得的信号超过其预设的报警阈值时（0.13g），启动自动停堆触发信号检测流程，进行通道检查，在判断报警通道组件工作状态正常，数据信号有效后，经过核电厂多样性驱动系统（KDS）三取二逻辑后执行反应堆自动停堆。3路自动停堆触发信号通道是相互独立工作的，一路通道触发停堆信号，向外发送一个停堆信号，多路通道触发信号，将发送多个停堆信号；三取二逻辑保证当其中一路出现故障时，不会影响系统的正常运行，其他通道可正常触发反应堆自动停堆。同时系统通过硬接线向DCS传送报警信号，如图2所示。

图2 HPR1000抗震保护系统架构原理

3.4 对比分析

本文将从安全分级、鉴定要求（抗震鉴定、环境鉴定、电磁兼容要求等），地震仪表设计，触发表决逻辑，仪控系统接口等方面进行对比分析。

3.4.1 法规标准

对于核电站地震仪表系统来说，遵循的相关法规主要分为两类。一是美国体系标准，即RG 1.12标准；二是法国体系标准，即RFS-1.3.b标准；此外我国的GB 50267在此基础上对监测仪表的系统进行了补充细化说明。美国体系和法国体系标准之间的差异主要体现在地震仪表的布置要求上。CPR1000机组的抗震保护系统在遵循法国标准要求的基础上，也同时进行了优化调整从而满足美系和国标要求。华龙一号HPR1000机组在国标的基础上，同时参考了行业标准NB/T 20076、NB/T 20077。

3.4.2 安全分级&抗震等级

地震停堆保护功能的安全等级主要从实现核电站安全功能的角度确定，由于地震停堆保护系统不会直接影响核电站的三大安全功能，因此多数核电站设置其为非安全系统。

所有地震停堆系统的抗震等级均为抗震I类。

3.4.3 停堆方式

根据对反应堆停堆信号的梳理发现，CPR1000机组的停堆信号中未设置由地震信号直接触发的反应堆停堆信号和动作，因此在核电站发生地震且超过预先设定的阈值情况下，操纵员只能通过主控室报警判断运行工况，然后进行手动停堆。除此以外，只有在地震同时引发相关停堆工艺参数达到满足停堆条件时才能触发自动停堆[5]。详见表1。

表1 多机组抗震保护功能分析

4 结语

目前我国在运的（第二代核电技术）核电机组中，多数机组的抗震保护系统仅设置了地震监测系统，依靠操纵员手动触发反应堆停堆。HPR1000机组（华龙一号，第三代核电技术）地震自动停堆触发系统在发生地震工况下能够不依赖于操纵人员的主观判断和人员技能，减少因地震对人的行为影响而不能实现有效干预的不确定度，缩短事件发生与人员干预之间的时间间隔，同时减轻了操纵员负担。