某快堆工程反应堆保护系统多样性改造分析

刘兴庆

(中核霞浦核电有限公司，福建 霞浦 355100)

反应堆保护系统的功能主要是保护三大核安全屏障(燃料包壳、一回路压力边界和安全壳)的完整性。当运行参数达到危及三大屏障完整性的阈值时，保护系统动作，触发停堆保护并启动专设安全设施。

HAF102要求，对于核安全相关系统，需满足冗余性，以应对共因故障，具体包括多重性、独立性、多样性，其中反应堆停堆手段必须由至少两个多样化且独立的系统组成，仪表应采用功能多样性、部件设计或工作原理的多样性。[1]数字化反应堆保护系统在硬件可靠性和诊断能力上有优势，但是容易因为不可预测的软件错误或者硬件故障产生共因失效。为了应对可能的共因失效，有必要针对反应堆保护系统进行多样性的设计，可以采取的方法包括传感器多样性、停堆保护控制系统多样性和停堆回路多样性。

1 水堆中的反应性控制

反应堆的反应性相对于反应堆某一个参数的变化率称为该参数的反应性系数，水堆中起主要作用的包括燃料温度系数、慢化剂温度系数、空泡系数及功率系数等。反应性控制的方式包括控制棒(Ag-In-Cd)、可燃毒物(B-Gd)以及化学补偿控制。

压水堆中普遍使用化学补偿+控制棒的方式对反应性进行控制。其中，M310机组的保护系统普遍按1套保护仪表、1套控制系统(带冗余)、1套停堆断路器(RTB，共8个)设置，如图1所示。

图1 典型的压水堆保护系统控制简图Fig.1 Atypical reactor protection system of pressurized water reactor

2 国际其他快堆的设计

(1)中国实验快堆(CEFR)

中国实验快堆有两套独立的反应堆停堆系统，每一套都可以使反应堆安全停堆且满足卡棒准则。第一套反应堆停堆系统由3组补偿棒、2组调节棒以及相关的监测、控制触发单元和执行机构组成。第二套反应堆停堆系统由3组安全棒、相关的监测、控制触发单元和执行机构组成。

(2)印度标准快堆(PFBR)

PFBR有两套独立且不同的停堆系统，对每个参数进行3取2逻辑表决。

(3)美国先进液态金属堆(ALMR)

ALMR的反应堆保护系统分为四个相同的部分，分别对数据进行3取2表决，然后将信号输出至两个停堆断路器，停堆断路器按4取2逻辑动作。

(4)韩国标准快堆

该反应堆设计了两套反应堆保护系统，使用不同且多样化的数字设备，其中一套采用基于安全级CPU的PLC(可编程逻辑控制器)组件，另一套采用基于FPGA(现场可编程门阵列)的PLC组件。为了实现更高的多样性，每个反应堆保护系统的所有子系统从传感器到停堆开关设备都与其他反应堆保护系统的子系统独立。[2]

3 某快堆工程保护系统的设计

快堆的负反应性效应主要包括温度反应性、功率反应性和燃耗反应性。由于没有慢化剂，冷却剂是高纯液态钠，不能向冷却剂中添加其他化学毒物，因此反应性控制只能采用控制棒控制的方式，包括安全棒、补偿棒、调节棒以及非能动棒，主要材料为碳化硼(B4C)。

快堆实现反应性控制(安全停堆)的手段有两种。一种为设置的两套停堆系统，第一套为安全棒，第二套为补偿棒和调节棒，考虑多样性，第一套控制安全棒的电磁离合器，第二套控制补偿棒和调节棒的主轴电机。另一种为堆内设置的非能动棒，用于反应堆的辅助停堆，主要用来应对失流事故工况，即使反应堆保护系统不能紧急停堆，依旧能够通过非能动特性，插入非能动棒，从而引入较大负反应性，降低反应堆功率。

停堆系统中，对于停堆逻辑层，设置了两套停堆控制系统，两套系统共用1组传感器，停堆逻辑分别送2套停堆断路器。对于停堆执行层，设置了2套停堆断路器。

除了保护系统，还设置了DAS系统停堆控制逻辑和DAS停堆断路器，作为保护系统的后备。

总体架构如图2所示。

图2 某快堆工程的保护系统架构Fig 2 The overall architecture of RPS of a fast reactor

4 快堆保护系统的设计优化构想

通过对比水堆的反应性控制特性，并参考国外其他快堆保护系统的设计，快堆工程反应堆保护系统的设计存在以下几个方面的问题：

1)控制系统虽然有2套，但是传感器只有1套，没有实现完全独立；

2)控制系统虽然有2套，但两套使用相同的平台和相同的控制逻辑，没有实现完全独立；

3)停堆断路器虽然设计了2套，但采用同一厂家的同一型号产品，没有实现完全独立；

4)部分过程量的测量仪表虽然有冗余，但是测点、测量原理并未完全实现多样性。

针对当前快堆工程保护系统的设计，综合考虑经济性和可靠性，从传感器、停堆保护控制系统、停堆断路器三个层级，提出了以下几种设计优化的构想，以形成或接近满足完全独立的2套保护系统。

(1)传感器端

1)采用完全不同的仪表原理，在工艺系统不同的测点，使用不同厂家生产的仪表采集数据。若如此做，兼顾经济性，可考虑将当前的四取二逻辑改为双三取二逻辑。

2)对于保护系统为应对同一事故工况所采用的多样化的保护参数，应放置在不同的保护子组中。例如针对一回路流量的主泵旁路流量计和主泵转速计算流量计，要分别放入2套停堆保护系统中。这样，当发生流量低工况叠加某个保护系统机柜故障时，仍能保证针对该工况的保护能生效。

3)控制系统可考虑进行三通道冗余，即每个保护信号同时送3张模拟量输入卡，每张模拟量输入卡里分别设置2个独立的电路通道进行交叉计算。

快堆中使用的保护参数主要有：核测量信号、一回路流量、主容器液位、堆芯出口钠温、蒸汽发生器出口钠温、蒸汽发生器出口流量以及主泵停运、停机且旁排不可用、地震，其中：

1)核测量信号采用堆内和堆外核测系统，堆外核测分三个量程，分别使用等比计数管、裂变室和补偿电离室，具备多样性。

2)一回路流量信号采用主泵转速计算流量和主泵旁路流量，具备多样性。但是主泵旁路流量计中的4个保护通道，其实是一个磁钢带4块表，因此存在共因故障风险。

3)主容器钠液位共4块表，同时送第一和第二套控制系统，可考虑增加多样性的4块钠液位计，分别送往第一和第二停堆控制系统。堆芯出口钠温同理。

4)蒸发器有两个环路，每个环路8台，共16台。每台蒸汽发生器各设4个钠温监测，可考虑分别分配至第一和第二套控制系统，如此对当前保护系统逻辑设计需作少量修改。蒸汽发生器出口流量同理。

5)主泵停运、停机且旁排不可用、地震，由于是从其他设备采集的干结点，均可考虑设置多样性的采集方式。

由于钠冷快堆的固有特性，冷却剂钠温有较大的停堆安全裕量，因此除了泄漏事故(包括主容器、一回路钠净化系统和蒸汽发生器传热管)之外，其余事故(包括反应性变化、一二回路冷却能力异常减小或增大、三回路丧失热阱、三回路排热能力异常增大)分析中，钠温都可作为其他保护参数的冗余。

(2)停堆保护控制系统端

使用两套来自不同厂家的安全级DCS系统(带冗余控制器)，其控制中心可考虑分别采用CPU和FPGA。引入第二套停堆系统的好处有：

1)可以引入其他安全级平台，实现多样性，增加人员的技术储备；

2)培养后续机组的潜在供应商，打破垄断，提高议价能力；

3)小型化的停堆控制系统可以降低成本，甚至可以取代DAS系统，将DAS的功能也集成在这个平台。

更进一步，可考虑在停堆保护控制系统端，另搭一套纯继电器控制的硬回路系统(传感器和停堆断路器与软件共用)作为软件失效的后备。

(3)停堆断路器端

使用两套来自不同厂家的核级停堆断路器。更进一步，可考虑断路器交叉控制，即第一、第二套停堆控制系统分别同时控制第一、第二套停堆断路器，这样，即便失去其中一个控制系统，第一、第二套停堆断路器均能同时受控。此外，在停堆断路器端，可考虑另设一套停堆断路器系统，用于直接切断棒电源系统的供电，实现控制棒驱动机构供电回路控制的多样性。

理想的具备完全独立的多样性保护系统如图3所示。

图3 理想的具备完全独立的多样性保护系统Fig.3 The ideal diversified RPS with complete independence

5 快堆工程保护系统的改造思路

从当前实际出发，综合经济性方面的考虑，可考虑从以下三个阶段逐步过渡。

第一步，将当前某一套停堆断路器的厂家更换为另一家，在停堆断路器侧保持多样性。由于停堆断路器的设计寿命为40年(不可更换部分40年，可更换部分10年)，因此可考虑将1号机的第16～32台停堆断路器换至2号机使用。

可行性分析：设计接口稍有变化，进度方面需考虑采购的另一厂家需重新取证。

经济性分析：停堆断路器为较为成熟的产品，经济性上无重大影响。

第二步，在第一步的基础上，将第二套的停堆保护控制系统更换为另一个国产厂家的安全级DCS平台。当前可供选择的平台包括浙江中控的ECS-900、国核自仪的和睿保护系统NuPAC、广利核的和睦系统FirmSys等。

可行性分析：设计接口方面，对于第二套控制系统，需参照第一套重新设计，但软件设计已较为成熟，无重大影响，硬件接口受各厂商产品不同，接口会有变化，但大体相同。进度方面需考虑采购的另一厂家需重新取证，重新取证预计需12个月，需提前统筹考虑。

经济性分析：除需重新取证的费用外，国内其他厂家的安全级平台竞争较为充分，经济性上无重大影响。

第三步，在前两步的基础上，将上游传感器中一回路流量、主容器液位、堆芯出口钠温以及主泵停运、停机且旁排不可用、地震等保护参数增加一路多样性的测点，此问题由于涉及工艺系统、工艺管道、取样点的设计，还需进一步详细分析。

6 结束语

本文通过对比水堆的反应性控制特性，并参考国外其他快堆保护系统的设计，提出了某快堆工程反应堆保护系统设计在传感器多样性、停堆保护控制系统多样性、停堆回路多样性等三个优化方向，供后续机组设计或机组技术改造参考。由于保护系统的重要性，对系统架构的改造尚需取得监管部门的许可和认证，对于改造过程中的技术细节和可能遇见的工程问题尚需结合项目实际进一步分析。