核电厂数字化反应堆保护系统结构与可靠性研究

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。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

第1章绪论

1.1研究背景

1.2核电厂数字化反应堆保护系统的发展和研究现状

1.2.1美国核电厂数字化反应堆保护系统的发展

1.2.2德国核电厂数字化反应堆保护系统的发展

1.2.3法国核电厂数字化反应堆保护系统的发展

1.2.4核电厂数字化反应堆保护系统的研究现状

1.3论文研究的主要内容和方法

第2章核电厂数字化反应堆保护系统总体结构研究

2.1典型数字化反应堆保护系统结构与功能分析

2.1.1美国西屋公司的数字化反应堆保护系统IPS

2.1.2法国AREVA公司数字化反应堆保护系统TXS

2.1.3法国核电厂数字化反应堆保护系统SPIN

2.1.4典型数字化反应堆保护系统结构特点的总结

2.2核电厂反应堆保护系统的设计原则分析

2.3核电厂数字化反应堆保护系统保护通道逻辑分析

2.4所设计的数字化反应堆保护系统的总体结构

2.4.1所设计系统表决结构的确定

2.4.2所设计系统的总体结构方案和功能

2.5本章小结

附图

第3章核电厂数字化反应堆保护系统结构的详细设计与优化

3.1本方案数字化反应堆保护系统结构的详细设计

3.1.1系统信号输入与调整单元的设计

3.1.2系统采集处理与表决(APV)计算机单元的设计

3.1.3系统网络数据通信结构的设计

3.1.4所设计的数字化反应堆保护系统的网络拓扑图

3.2所设计的数字化反应堆保护系统与TXS系统的比较

3.2.1数字化反应堆保护系统通道内部结构的优化

3.2.2数字化反应堆保护系统各通道数据处理能力的提高

3.2.3数字化反应堆保护系统通道间数据传输的可靠性提高

3.2.4数字化反应堆保护系统误触发率的降低

3.2.5数字化反应堆保护系统与内部系统接口得到了简化

3.2.6数字化反应堆保护系统结构和设备的简化

3.3本章小结

第4章核电厂数字化反应堆保护系统可靠性初步估算

4.1系统可靠性的基本概念

4.2数字化反应堆保护系统不可用率估算的前提

4.3所设计的数字化反应堆保护系统的不可用率估算

4.3.1所设计系统的单个测量回路不可用率估算

4.3.2所设计系统的采集处理和表决计算机部分不可用率估算

4.3.3所设计系统的信号输出部分的不可用率估算

4.3.4所设计系统的不可用率估算汇总

4.4所设计的数字化反应堆保护系统的实例计算

4.4.1事例1“主给水/主蒸汽系统故障停堆”

4.4.2事例2“触发应急给水系统启动”

4.5法国AREVA公司TXS系统不可用率估算

4.5.1法国AREVA公司TXS系统的结构

4.5.2测量回路不可用率估算

4.5.3采集处理计算机部分不可用率估算

4.5.4表决器部分不可用率估算

4.5.5信号输出部分不可用率估算

4.5.6 TXS系统不可用率估算汇总

4.6法国AREVA公司TXS系统的实例计算

4.6.1事例1“主给水/主蒸汽系统故障停堆”

4.6.2事例2“触发应急给水系统启动”

4.7两种数字化反应堆保护系统可靠性估算结果比较

4.8本章小结

第5章核电厂数字化反应堆保护系统可靠性详细研究

5.1反应堆保护系统可靠性的定性分析方法

5.1.1 FMEA分析方法

5.1.2 FMEA工作步骤

5.2所设计的数字化反应堆保护系统的FMEA

5.2.1所设计的数字化反应堆保护系统结构的可靠性特点

5.2.2所设计的数字化反应堆保护系统的FMEA

5.2.3所设计的数字化反应堆保护系统FMEA表的结果分析

5.3所设计的数字化反应堆保护系统的共因故障分析

5.3.1共因故障的分类

5.3.2所设计的数字化反应堆保护系统的共因故障分析

5.4反应堆保护系统可靠性的定量分析方法

5.4.1故障树分析方法

5.4.2布尔代数

5.4.3故障树的数学描述

5.4.4最小割集计算方法

5.4.5采用最小割集求顶事件发生的概率

5.4.6数据获取和应用

5.5所设计的数字化反应堆保护系统的定量计算

5.5.1所设计数字化反应堆保护系统硬件模块组成和结构

5.5.2所设计的数字化反应堆保护系统的故障模式和输入数据

5.5.3所设计系统“高压安注动作”仪控功能可靠性的定量计算

5.5.4所设计系统“LOCA事件停堆”仪控功能可靠性的定量计算

5.6本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

个人简历

附录A

附录B

附录C（一）

附录C（二）