子通道分析軟件CORTH的驗證與確認方法

譚長祿 王嘯宇 劉余 楊小磊

【摘 要】子通道分析軟件CORTH可以分析一系列子通道在穩態和瞬態工況下的單相流動和兩相流動，能夠在反應堆熱工水力與安全分析領域發揮重要應用。工程設計軟件計算結果的可信度很重要，因此需要對CORTH軟件進行充分驗證與確認。本文介紹了CORTH軟件的驗證與確認方法，給出了驗證與確認的法規要求和關鍵步驟。核電廠堆芯出口溫度分布驗證計算結果表明CORTH軟件的計算精度較高，能夠滿足工程設計與分析需求。

【關鍵詞】子通道分析軟件;CORTH;驗證與確認

中圖分類號： TL33 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）07-0068-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.07.027

【Abstract】CORTH is a subchannel code， which is applicable to analysis of single-phase flow and two-phase flow under steady or unsteady condition inside subchannels， and it can play an important role in reactor thermal hydraulic and safety analysis. The reliability of analysis code is very important， so it is necessary to validate and CORTH. The method of CORTH verification and validation is introduced， then the verification and validation regulatory requirement and key steps are introduced. The nuclear power plant core outlet temperature validation result show the good accuracy of CORTH that meets the requirement of engineering design and analysis.

【Key words】Sub-channel analysis code;CORTH;Verification and validation

0 前言

子通道分析軟件是反應堆熱工水力設計與安全分析的重要工具，也是新型燃料組件設計與研發過程必不可少的計算工具，中國核動力研究設計院完成了自主化子通道分析軟件CORTH的研發[1]。同時，隨著子通道軟件在核電站工程設計和安全性能評估中的作用日益重要，為了提高軟件計算結果的可信度，國際上投入大量工作來改善軟件的物理模型，并對軟件計算結果的可信度進行評估。軟件的驗證與確認（Verification and Validation，V&V）工作就是評估和定量計算軟件可信度的主要過程。為了對CORTH軟件計算結果可信度進行評估，參照相關法規要求，形成了CORTH軟件的驗證與確認方法。

1 CORTH軟件簡介

CORTH軟件使用的是具有滑速比的四方程均勻流模型，其守恒方程包括混合焓能量守恒方程、液相能量守恒方程、質量守恒方程、軸向動量守恒方程以及橫向動量守恒方程。并在模型上進行了如下的假設[1]：

（1）以子通道的形式模擬堆芯，徑向上可劃分為多個分離或相連的子通道。

（2）忽略主流體中的熱傳導以及湍流擴散，橫向流動的湍流動力粘度和擴散系數由公式計算得到。

（3）通過引入格架阻力系數來計算局部壓降。

（4）通過經驗關系式計算單相和兩相條件下的壓降、傳熱和空泡份額。

（5）通過臨界熱流密度關系式來計算偏離泡核沸騰比（DNBR）。

同時為了提高程序可用性，設計了圖形化界面（如圖1）。用戶可通過圖形化界面來實現數據的輸入與輸出。

2 軟件驗證與確認要求

軟件V&V的要求起源于上世紀70年代美國導彈防御系統研發[2]，隨后在航空、航天、電子等行業得到了推廣，最早確定的標準有IEEE-1012-1986和IEEE-1059-1993。目前，在核能行業與軟件V&V相關的國外標準或法規主要有：

（1）ANS 10.4-2008：American National Standard Guidelines for the Verification and Validation of Scientific and Engineering Computer Programs for the Nuclear Industry，ANSI，2008.

（2）NUREG-1737：Software Quality Assurance Procedures for NRC Thermal Hydraulic Codes，USNRC，2000.

（3）No.NS-G-1.2：Safety Assessment and Verification for Nuclear Power Plants，IAEA，2001.

（4）No.SSG-2：Deterministic Safety Analysis for Nuclear Power Plants，IAEA，2009.

N286.7-99：Quality Assurance of Analytical， Scientific，and Design Computer Programs for Nuclear Power Plants， CSA，1999.

（5）REGDOC-2.4.1：Deterministic Safety Analysis， CNSC，2014.

在國內，相關的標準或法規正在逐步建立，主要有：

（1）核安全法規HAF102-2004[3]：核電廠設計安全規定。其中第5.9節要求“安全分析中應用的計算機程序、分析方法和核動力廠模型必須加以驗證和確認，并必須充分考慮各種不確定性。”

（2）核安全導則HAD102/17-2006[4]：核動力廠安全評價與驗證。其中第4.6.2節要求“在安全分析中使用的所有計算機程序都應予以確認和驗證。計算機程序采用的計算方法應該適合于使用目的，正確的物理控制方程和邏輯的關系式應該補充在計算機程序中。”

（3）核動力廠安全分析用計算機軟件開發與應用（試行）（國核安發〔2017〕323號）[5]，其中對安全分析相關軟件的V&V做了具體的要求。

3 CORTH軟件的驗證與確認方法

從計算科學與工程的角度，軟件驗證（verification）主要是通過檢查編碼分析軟件開發的正確性。根據是否運行軟件，可分為靜態測試和動態測試。靜態測試是在不運行軟件的條件下檢查編碼與標準的符合性，比如變量初始化、函數或子程序名稱錯誤、調用錯誤等。動態測試通常在靜態測試完成后開展，具體的方法包括白盒、黑盒與灰盒測試。

具體執行測試時，通常分為三個階段：第一階段是單元測試，測試各單元代碼對相應編碼規范的遵循情況;第二階段是集成測試，驗證軟件計算結果和人機界面的正確性;第三階段是系統測試，對軟件進行總體測試。

圖2給出了CORTH軟件單元測試階段的缺陷分布?？梢钥闯?，經過兩輪測試后，消除了所有已發現的編碼缺陷。最終的測試結果表明：CORTH軟件源代碼編寫規范，功能完整，界面友好，滿足設計要求。

根據相關標準或法規的要求，CORTH軟件的確認（validation）包括現象識別與排序表（Phenomena Identification and Ranking Table，PIRT）建立、數據收集、驗證矩陣構建、驗證計劃、驗證計算和確認報告六個環節。

首先是PIRT表的建立。PIRT表主要用于梳理軟件模擬的重要現象，根據CORTH軟件的計算功能、計算流程及物理模型，軟件涉及的重要現象和過程包括：

（1）流動換熱。

（2）冷卻劑流動阻力。

（3）橫向流動。

（4）子通道間交混。

（5）空泡份額模型。

（6）臨界熱流密度（CHF）關系式。

然后根據收集的理論解、基準題、實驗、電廠運行數據等建立驗證數據庫。對于數據庫中缺少的驗證數據，補充開展額外的驗證實驗。驗證數據庫的數據如表1所示。

根據CORTH軟件的特點和其他子通道軟件的驗證情況，建立了CORTH的驗證矩陣，如表2所示。CORTH軟件的驗證采用了多種算例，限于文章篇幅，表1中僅列舉了一些數據類型。

表2中的驗證矩陣能夠覆蓋CORTH軟件的基本計算功能和主要計算模型，并能涵蓋軟件所分析的現象和條件。

最后，根據驗證矩陣，制定了CORTH軟件的驗證計劃，在完成所有工況的驗證計算后編寫軟件驗證報告。

4 典型驗證結果-核電廠堆芯出口溫度分布

三環路核電站堆芯具有157組燃料組件。為了獲取核電廠相關實驗數據，對機組部分組件出口處的溫度分布進行了實驗測量，機組堆芯出口溫度測點分布如圖3所示。

采用CORTH軟件對機組堆芯進行全堆芯建模，以單個燃料組件為子通道進行通道劃分，子通道編號如圖4所示。

計算結果表明，CORTH軟件與實驗的對比偏差大部分在溫度測量偏差±2.5℃以內，測點處軟件計算結果與實驗對比如表3所示。

考慮到實驗測量中功率分布、流量的測量都有一定的不確定度，而這些參數都會直接影響到堆芯出口的溫度分布。另外在軟件建模中對堆芯入口處的流量分配采用了均勻分布，而實際的堆芯流量分配與反應堆的幾何結構以及堆芯內功率分布都有關，這也會影響到出口的溫度分布。因此可認為對于該工況，CORTH軟件的計算結果可信。

5 結論

CORTH軟件是適用于壓水堆堆芯熱工水力計算的子通道軟件，為了評估CORTH軟件計算結果的可信度，根據相關標準或法規要求，建立了CORTH軟件驗證與確認方法，并識別了CORTH軟件所模擬的關鍵現象和過程，建立了軟件的驗證與確認矩陣。典型驗證結果表明CORTH軟件的計算精度較高，能夠滿足核電站熱工水力設計與安全分析的需求。

【參考文獻】

[1]劉余等，子通道分析軟件CORTH的研發[J].核動力工程，2017，38（6）：157-162.

[2]Carl Stoots，Tom Larson，Richard Schultz，et al.Verification and Validation Strategy for LWRS Tools.INL/EXT-12-27066，2012.

[3]HAF102-2004，核電廠設計安全規定，國家核安全局，中國，2004.

[4]HAD102/17-2006，核動力廠安全評價與驗證，國家核安全局，中國，2006.

[5]核動力廠安全分析用計算機軟件開發與應用（試行），國家核安全局，中國，2017.