地震震中附近大型核电厂的核安全技术核电复兴促仪器与控制数码_智能

引言多地震国家大规模建设核电厂时，地震减灾问题是必须格外重视的新技术问题。但是，地震预报的科学问题没有解决，因此，减灾工程技术就成了头等重要的问题，所以，本系列文章研究了机械、电气、仪器仪表与自动控制技术用于地震时预防核灾难的科学基础。主要集中在3点：（1）在地震震前，用仪器与方法对地位移场、地位移速度场、地应力场进行监测。（2）地震时的减灾，主要利用地震最先到达核电厂的地震初级波P波作为触发信号，它是地震体波中的纵波成分，无破坏力；P波通过传感器、FCS/DCS工业数字通信系统，在后到而有破坏力的次级波S波也就是体波中的横波来临之前，自动开启核反应堆控制棒系统，关闭核反应堆。（3）除核电厂建筑与装置的抗震、隔震外，由地震波传感器、能动性动力执行器、FCS/DCS系统来阻尼地震波造成的核电厂建筑与装置的强迫震动，避免发生核灾难性共振。从上述3个目标出发，在本系列文（VII）中，为地震减灾工程技术的阐述与讨论，先作了科学基础的准备，内容是：（1）对地基位移、位移速度、位移加速度及其对应的应力主要成分，作了弹性力学的数学描述。（2）对地震波的体波（P波、S波）、面波（R波、L波）成分作了弹性波的数学描述。（3）对地震减灾理念的核电复兴促仪器与控制数码-智能-IT/NT化（Ⅷ）NuclearSafetyTechofBigNPPNearbyEpicenterofSeismRevivalofNuclearPowerExpeditingIT/NTofDigitalI&C（Ⅷ）摘要：；，，P，I&C/FCS-DCS，S，，。2007潟6.89km8.2kMWe。关键词：I&CFCS/DCSAbstract：ThescientificprincipleofprotectingNPPagainstearthquakeisanalyzed.ThedynamicprincipleoffunctionalsafetyisdiscussedbythedisasterexperiencesofearthquakeinChina.ThePcomponentoftheseismicwavecanbeuseastriggeringsignaltoshotdownthenuclearpilethroughI&C/FCS-DCSbeforethecatastrophicSwavearrivaltoavoidthenuclearaccident.ThenuclearfunctionalsafetyoftheNPPisintroducedbymeansoftheKariwaKashiwazakiNiigataNPPtheworldbiggestNPP,whereisjust9kmnearbytheEpicenterof2007Ms6.8SeismatOkiisChuetsuNiigata.Keywords：DynamicfunctionalsafetySeismicsignaltriggeringemergencyshutdownNPPI&CFCS/DCS综述进化概括为：从静态抗震、动态隔震、发展到能动性的动力学控震；阐明了控震的仪器仪表、数字通信与自动控制的基本原理。这些基础理论对运行的核反应在地震时能自动安全停堆，避免核事故有重要意义。作为这种原理的一个世界性的典型案例，本文介绍2007年日本新潟6.8级强地震时，距震中9km处1家8.2kMWe的世界最大核电厂受损与事故的情况，其中的亮点是地震发生时，核电厂的自动控制系统立即自动关闭核反应堆，从而避免了核事故。先看一下世界核电的发展动力与中国地震的概况，也就是近期与未来世界最大的核电市场，同时也是世界最严重的地震灾情国中国的概况。2全球核电形势：“2008G8峰会是核电市场推进会”2008G8峰会期间的“经济大国能源安全和气候变化会议”，由美国总统小布什和日本前首相福田康夫共同主持，G8成员国、中国、印度等16国参加。会议宗旨在把原先属于G8的“温室气体减排任务”变成联合国成员的共同任务。一旦得以实施，那么，在全球范围内，核电就成主流。G8成员国中的美国、法国、日本是世界核电技术与设备最先进的3个发达国家。印度是极少数拒绝签署核不扩散条约的国家，且在核大国全面停止核试验后，到20世纪90年代还率先进行系列核试验，引发了巴基斯坦的系列核试验；于是美国对印度实施核禁运，但到2008年，世界石油冲破140美元/桶时，美国改变了20多年停止发展核电和在布什政府之初大力建设燃油火电（规划建设2000家火电厂）的政策，重新发展核电，同时，美国为了向印度出售核电站，不惜修改相关法律，准许美国的核技术出口印度。日本除了本国发展核电之外，一直期望扩大在中国市场的核电份额。日本媒体称：“2008G8峰会是核电市场推进会”。中国将在2020年前建成30kMWe和在建18kMWe核电站，规划造121座kMWe级核电机组站，届时达到现在日本与法国之和，超过美国，且多建在人口密集的发达区，这就不能不研究地震对策。世界核电三强之一的日本是世界地震最多且人口最密集的经济强国，我们应研究与学习日本的核电厂遭遇地震的经验，防范于未然，避免比震灾与工伤更严重的核爆炸或核泄露事故。仪器与控制（I&C）科学技术将发挥其新的领先作用，形成高新技术产业，前景远大。3地震灾难最严重国发展核电的基础安全问题中国陆地面积占全球的1/15，人口占全球的1/5，陆地地震中国竟占全球的1/3，地震死亡的人数占全球的1/2以上；因此，中国不是世界上地震最多的国家，但却是地震灾害最严重的国家。20世纪，全球大陆35％的7.0级以上地震发生在中国，全球因地震死亡120万人，中国占59万人。1920年甘肃海原地震死亡23万余人，1976年河北唐山地震死亡24万，2008年四川汶川地震死亡与失踪10万。20世纪6级以上地震近800次，遍布除贵州、浙江、香港、澳门以外所有的省、自治区、直辖市；中国大陆大部分地区位于地震烈度VI度以上区；50％的国土面积位于VII度以上区，包括23个省会城市和2/3的百万人口以上的大城市。现代中国大地震有：（1）1920年，宁夏海源8.6级，死亡20万人以上；（2）台湾：1951年台东两次7.3级、1972年火烧岛8.0级、1999年花莲西南7.6级；（3）渤海湾：1966年邢台6.8级，死亡8064人，3.8万人受伤；1969年渤海7.4级、1972年海城7.3级，1976年唐山7.8级，死亡242769人，重伤164000多人；（4）新疆：1955年乌恰7.0级，1985年乌恰7.4级；（5）甘肃：1954年山丹7.25级；（6）青海：1990年共和6.9级、2001年格尔木昆仑山口西8.1级；（7）云南：1970年通海7.7级，死亡15600多人；1974年大关7.1级、1976年龙陵7.4级、1988年澜沧7.6级、1988年耿马7.2级、1995年孟连7.3级；（8）四川：1933年川西7.5级、1955年康定7.5级、1973年炉霍7.9级，死亡2200人；1976年松潘-平武7.2级、1981年道孚6.9级，2008年5月12日汶川8.0级，截至6日12时，69196人遇难，失踪18379人，374176人受伤。2007年，辽宁大连瓦房店开建红沿河核电厂，1期工程建设和投运前5年由中广核牵头负责，中电投全面参与。该工程规划装机总容量4台1kMWe，估算总投资600亿元。年发电量为525.6亿kWh。工程建设工期年。其1期工程建设2×1kMWe核电机组。辽宁红沿河核电厂（左）福建福清核电厂与宁德核电厂（右）附近的地震环境2007年6月28日15时38分，离沈阳270km的渤海辽东湾东海岸，瓦房店市东岗镇温坨子，开建“红沿河核电站”，它三面环海，一面连接陆地；规划建设6台1kMWe级压水堆核电机组，位于1966年邢台6.8级、1969年渤海7.4级、1972年海城7.3级、1976年唐山7.8级地震带上。福建宁德核电站位于福建省宁德市辖福鼎市秦屿镇的备湾村，距福鼎市区南32km，东临东海，北临晴川湾。规划6台1kMWe级压水堆核电机组，一期工程用中广核具有自主品牌的CPR1000技术，主体工程于2008年2月18日开工，首台机组计划于2012年投产。福建福清核电站位于与福州毗邻的福清市三山镇前薛村岐尾山，三面环海。主体工程计划于2008年11月动工，2台1kMWe级压水堆核电机组分别在2013年、2014年投入商业运行。4核电厂地质安全监控的科学原理—地壳基运动速度与加速度场的GPS观测根据观测，印度板块现正以50mm/yr的速度向亚洲俯冲。这种地块活动在造成青藏高原隆升的同时，还向东侧滑动。但东侧的四川和鄂尔多斯自1.6亿年以前的晚侏罗纪以来，就深深地扎根于地球的深部，地块比较稳定，青藏高原东流在这个稳定地块受阻，在两个地块接触地带发生应力集中和变形。汶川地震就发生在这个应力活动最复杂的龙门山断裂带上，巨大挤压应力能量积累释放造成地震。中国科学院最近发表的GPS观测的地壳运动速度分布场与加速度分布场。速度矢量表示相对于稳定的欧亚参考系的中国大陆，加速度的大小以色度表示。现今地壳运动速度场与历史上记载的地震学上划出的24个地震带相吻合。这一遥感技术可被研发成核电厂地基运动监控系统。设地壳位移u,,uuvwi/^h，位移速度为：d,,,duuruijxyzriijtittj22=+=固体的应力与应变的关系是Hooke定律，其广义的张量表达是：,,,,,,Heijlmxxyyzzxyyzzxlmijlmij==v其中：lmv为应力，单位为（kg•m-2）；6维的矢量，其中lm分别是正应变,,xxyyzz，切变,,xyyzzx；eij为应变，量纲为零；6维的矢量，其中ij分别是正变,,xxyyzz，切变,,xxyzzx；Hijlm为Hooke模量，36分量的张量。中国地壳运动的加速度场分布5地震时核电厂自动安全停堆—利用地震波的不同组成特性5.1体波纵波方程及其标量解对弹性介质运动的Lame方程进行:V运算，得体变的标量方程即纵波方程：Ft2222VViai-=:纵波速度2=+atmn5.2体波横波方程及其矢量解对弹性介质运动的Lame方程进行V#运算，得切变的矢量方程即横波方程：Ft222#2-=~b~VV横波速度=btn（1）（2）（3）（4）（5）（6）综述波（R波）与Love波（L波）面波是波在分层介质中传播到分界面时的波动形式，它是一种沿地球表面附近传播的弹性波。面波传播的速度都比体波慢。最重要的面波有两种：Rayleigh波（R波）和Love波（L波）。引入位移势标量{、}：up=V{us=}V（7）引入力势标量U、W：F#VVUW=+得纵向与横向波动方程t2222-={a{UVt2222-=}b}WV求如下形式的表面波解sinaetxVrzR=-{~-^hsinbetxVszR=-}~-^h面波的方程仍与体波一样，只是波矢量与y坐标无关，而是一个平面问题。rVVsVV11RRRR2222~a=-=-~b式中：α为上述体波纵波速度；β为体波横波速度；VR是表面波沿x方向传播的视速度，其值小于体波横波的速度。Rayleigh波传播时，质点在沿着波传播方向的垂直的平面做逆时针的椭圆运动，波到来时，地面的运动和水面上的波浪运动一样。Love波（L波）传播时，质点水平运动，而且运动方向与波传播的方向垂直。Rayleigh波能量占优势。两种波在地面上质点的运动最大，越往地下运动的幅度越小。这3种波的传播速度是不同的，P波是纵波，速度最快，最先到，S波是横波次之，后到，最后是表面波，是以剪切方式推进的Love波和以卷动方式前进的Rayleigh波。图中纵轴是地震动的位移（μm），横轴是时间流（hr:m:s）。6在破坏性地震S波到达前