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核电厂数字化反应堆保护系统结构与可靠性研究

周海翔  
【摘要】: 核能是解决现代社会能源问题的一个很重要的途经,而核反应堆是可控制地获得核能的唯一方式;反应堆保护系统是核电厂反应堆仪控系统的一个非常重要的组成部分,是反应堆稳定、可靠运行的有力保障。因此,对于核电厂反应堆保护系统自身的可靠性要求是非常高的。 核电厂数字化反应堆保护系统较传统基于模拟技术的反应堆保护系统具有很多优点,是核电厂反应堆保护系统发展的一个必然趋势。 本文描述了压水堆核电厂数字化反应堆保护系统的发展历史和现状,分析了目前世界各国核电厂数字化反应堆保护系统的技术特点,并遵循《核反应堆保护系统安全准则》等法规标准的要求,提出了一种单层通道结构的压水堆核电厂数字化反应堆保护系统的设计方案,通过各种试验和计算,证明了本设计方案在各种系统性能指标方面的优势。 本方案所设计的数字化反应堆保护系统和法国AREVA公司TXS系统基于同一硬件平台,是TXS系统的一种技术创新,主要创新点在于: (1)本方案将传统的通道分层结构改变成为单层结构,优化了系统通道内的结构,提高了信号触发的系统极端响应时间; (2)本方案将反应堆保护系统中两个子系统:反应堆停堆子系统和专设安全设施(ESFAS)子系统分开,分别采用两组处理器模块进行处理,提高了系统的处理速度和运算能力; (3)本方案所设计系统的处理器模块采用了“Master-Checker”对的结构形式,提高了系统数据的有效性,进一步减少了系统误触发率; (4)本方案所设计的系统还采用了冗余线形的网络拓扑结构进行系统通道之间的数据通信,实现了通道间数据通信连接的路径冗余,提高了系统的可靠性。 (5)本方案将反应堆保护系统断路器子系统的逻辑表决并入反应堆保护系统内进行,减少了系统的内部接口,提高了整个反应堆停堆子系统的系统响应速度。 通过对系统极端响应时间的分析和计算,论证了本方案所设计的系统在系统响应速度方面的优势,同时通过处理器模块CPU负荷试验和结果分析,证明了本设计方案在系统负荷方面的可行性。 本课题采用一种保守简化的可靠性手工计算方法对本方案所设计的系统和TXS系统进行不可用率的估算。估算结果表明:在同一硬件平台上,与TXS系统相比较,本方案所设计的数字化反应堆停堆子系统在系统不可用率方面具有较大的优势;而在专设安全设施子系统中,由于优选模块对系统不可用率的贡献较大,在两系统同时都采用此模块的情况下,本方案所设计的系统在不可用率方面的优势不十分明显,但综合整个系统性能来讲,本系统还是具有一定的优势。 最后,本课题对所设计的系统进行了详细的可靠性定性分析和定量计算。定性分析采用了故障模式与后果分析(FMEA)的方法,而定量分析是以故障树模型为基础利用最小割集法求解系统不可用率的布尔表达式,在计算中使用了“RISK SPECTRUM”可靠性分析程序,详细计算的结果再次证明了本方案所设计的系统在可靠性方面的优势。 本课题研究是国内压水堆核电厂数字化反应堆保护系统设计的一次有益的尝试,研究成果为国内压水堆核电厂数字化反应堆保护系统的自主化设备设计提供了参考。


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