AP1000核電廠增設地震自動停堆功能的改進方案

王進

摘 要：在地震條件下，核電廠的系統、設備等都可能受到破壞，甚至會影響到核電廠的安全運行。為應對這種情況，近年來一些國家先后要求其國內核電廠設置地震自動停堆功能。但AP1000作為第三代先進堆型，僅設計了地震監測系統，根據地震測量數據，進行手動停堆。本文中在充分利用AP1000標準設計基礎上，提出了在其地震監測系統上增設地震自動停堆功能的一種方案。

關鍵詞：AP1000；核電廠；地震；自動停堆

中圖分類號：TH218 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）22-0096-02

地震作為一種常見的自然災害，其特點是突發性強，很難提前預測；持續時間短，一般幾十秒就能造成很大的破壞。為防止地震帶來不利的影響，各國均要求核電廠通過監測地震數據，給出報警并提示操作員采取相應操作。AP1000標準電廠就是這種設計。

近些年來，一些國家對核電廠提出了更高要求——設置地震自動停堆功能；即當地震參數達到一定水平后反應堆自動停堆。目前，我國還未出臺相關的法規；在運的電廠中，也僅有田灣核電站設有地震自動停堆功能。

1 研究背景

日本福島事故之后，世界各個國家、地區、組織等均對核電廠在地震條件下的安全性與應對地震次生災害進行了深入的研究。其中，與核電廠抗震設防密切相關的地震自動停堆問題也得到了更多的探討和關注[1]。世界各國建議在核電廠設置地震自動停堆信號，作為重要的安全改進措施。

同樣，我國核安全監管機構也適時提出了更新、更高的要求。在《“十二五”期間新建核電廠安全要求（報批稿）》中，明確要求我國新建核電廠“宜設置地震自動停堆系統”。因此，為了更好地滿足核安全法規和安全評審要求，提高電廠的安全性[2]，應核電廠設計中，實現相應功能。

另外，地震作為一種破壞性極強的外部災害，當其強度超過一定限值后，會對系統運行穩定性造成破壞，同時還會造成操縱員緊張，進而增加誤操作概率[3]。NS-G-1.6中，將地震條件下操作員的信心和可靠性也作為了是否需要設置地震自動停堆的一個參考因素。

因此，應當在AP1000電廠中增設地震自動停堆功能，用來降低大地震條件下的人因失誤，避免因不能手動停堆而導致的可能事故。

2 現有設計情況

由于各個國家的相關法規要求不盡相同，不同核電廠為應對地震條件而采用的停堆方式也不盡相同。例如，美國的法規中僅要求核電站必須設有地震手動停堆功能，因此美國大部分核電廠并未設置自動停堆功能。源于美國的AP1000技術就是采用的地震手動停堆功能。

AP1000電廠中，地震監測系統通過不同位置的地震傳感器實時監測地震數據，并進行記錄與分析；當傳感器測量的地震數據超過運行基準地震（OBE）準則后，向主控室的運行人員報警；運行人員根據相關數據與報警進行手動停堆。雖然地震監測系統不執行安全功能，但為了保證在安全停堆地震（SSE）期間及之后保持其功能，該系統及設備應滿足IEEE344地震鑒定要求。

地震活動頻繁的日本和老牌的核電強國——俄羅斯，均很早就在核電廠的設計法規中要求：必須設計地震自動停堆功能。韓國和我國的臺灣地區，早期并無相關法規要求；均是在吸取了地震的教訓后，當局要求全部核電站進行整改，加裝地震自動停堆功能。中國大陸的在運核電站中，僅有源自于俄羅斯的VVER堆型同時設計了地震監測功能和自動停堆功能。目前我國也無明確法規要求，在核電站中必須設置自動停堆功能。

雖然一些國家和地區強制要求核電廠必須設置地震自動停堆功能，但具體規定又不盡相同。其主要差別在于該功能的安全分級、停堆參與，以及停堆閾值設置不同。表一就是對部分國家、地區和組織相關規定的簡單統計（表1）。

3 改進方案的提出

3.1 安全分級選擇

地震自動停堆功能的設置與否，并不會影響核電廠三大安全功能的執行。而且，地震自動停堆功作為防人因失誤的附加功能，可認為是為電廠提供了縱深防御功能，增加額外的保護措施。

因此，增設的地震停堆功能為非安全相關功能，可以在AP1000電廠地震監測系統中實現，而且改進方案的設計不用考慮冗余性、多樣性、故障安全的等安全級的設計準則。

3.2 停堆參數

雖然AP1000電廠采用判斷超出OBE需手動停堆的準則，包括反應譜和累積絕對速度（CAV）。但為了防止在嚴重地震條件下人因失誤而造成的停堆延誤，同時與上面統計表中地震自動停堆的參數選擇保持一致，本方案也選擇地震峰值加速度作為停堆參數。

3.3 停堆閾值

雖然世界上大部分核電站的地震自動停堆系統中的停堆整定值，其大小基本都設置在OBE附近；但國際原子能機構（IAEA）建議參考相當于SSE來確定停堆整定值。而且，將地震自動停堆系統設定為非安全級的韓國核電廠，其停堆整定值就是根據SSE來確定。

同時為了防止因低地震加速度、余震以及虛假地震等原因造成的系統自動誤停堆，同時也為了留給操作員判斷手動停堆充足的裕度，作為后備的自動停堆整定值應按SSE來進行確定。

3.4 停堆邏輯的執行

AP1000電廠的標準設計中，在不同位置設有多個地震傳感器。為對相應的測量數據進行合理運算，同時也保證系統的可靠性，需要在原地震監測系統中增加一個停堆邏輯處理單元。目的是將測量數據與停堆閾值比較后，在進行一定的符合邏輯運算，產生停堆信號。

為了保持地震條件下設備的功能完整性，要使新增的邏輯處理單元滿足IEEE344地震鑒定要求。

3.5 停堆驅動設備

停堆功能的實現，關鍵是要切斷從控制棒驅動機構的電源，然后控制棒依靠重力落棒停堆。在AP1000電廠中，有兩種方式來實現切斷棒控的電源；為與地震自動停堆功能的安全分級相對應，本方案選擇非安全級的停堆方式。觸發棒控電源組機柜中的出口斷路器動作，來進行地震自動停堆。但為了保證出口斷路器在地震條件下的功能性，要對出口斷路器進行重新鑒定，使其滿足抗震I類要求。

4 結語

此方案主要改動了AP1000電廠地震監測系統的兩部分：增加了停堆邏輯單元，對地震數據進行邏輯計算后產生停堆信號；停堆信號觸發棒控電源組的出口斷路器動作，落棒停堆。

在保證了原系統的報警和信息記錄功能的基礎上，本方案充分利用已有的系統設計，本著簡單可行、經濟可靠的原則，沒有過多地增加設備及設計的復雜性，實現了核電廠地震自動停堆功能。另外，改進方案采用多點信號的符合邏輯運算，以及高閾值判斷，提高了地震自動停堆功能的可靠性，進而降低在大地震條件下因人因失誤而不能停堆的潛在危害。

參考文獻

[1]畢道偉.核電廠地震自動停堆系統設計研究[J].儀器儀表用戶，2015，22（6）：15-18.

[2]杜德君，何慶鐳.核電廠地震自動停堆功能設計研究[J].自動化博覽，016.03：76-77.

[3]李虎偉，依巖，熊文彬，曹芳芳.核電廠地震概率安全分析研究現狀及展望，輻射防護通訊，2012，32（6）：6-10.