基于MAAP5的嚴(yán)重事故模擬機(jī)開發(fā)1)

(中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司,湖北 武漢 430223)

福島核事故后,我國核安全監(jiān)管機(jī)構(gòu)加強(qiáng)了對核電廠嚴(yán)重事故管理的重視力度,提出了針對在役核電廠的福島改進(jìn)項。同時,要求所有在役核電廠于2013年底前完成嚴(yán)重事故管理導(dǎo)則SAMG的編制,對于在建核電廠則要求在機(jī)組第一次裝料前也必須完成SAMG的編制。國家能源局核電司資審委發(fā)布的《福島核事故后核電廠操縱人員培訓(xùn)改進(jìn)項》中也要求“各營運(yùn)單位逐步建立在模擬機(jī)上實施嚴(yán)重事故培訓(xùn)和演練的能力”。為了滿足核安全當(dāng)局及國家能源局核電司資審委的各項要求,滿足核電廠運(yùn)行人員、嚴(yán)重事故管理人員和安全相關(guān)人員進(jìn)行嚴(yán)重事故處理及管理的培訓(xùn)需求,提高核電廠相關(guān)人員對嚴(yán)重事故現(xiàn)象的認(rèn)識及對事故工況預(yù)防緩解措施的處理能力,開發(fā)一套嚴(yán)重事故模擬機(jī)尤為必要。

1 嚴(yán)重事故仿真系統(tǒng)技術(shù)方案

現(xiàn)有核電廠全范圍模擬機(jī)以其完備的核電廠系統(tǒng)設(shè)備模型及逼真的操作環(huán)境,在核電廠操縱人員培訓(xùn)方面有著不可替代的作用。但由于FSS不包含嚴(yán)重事故模型,無法進(jìn)行嚴(yán)重事故的仿真模擬,因此也就無法進(jìn)行嚴(yán)重事故的相關(guān)培訓(xùn)。通過將成熟的一體化嚴(yán)重事故分析軟件與現(xiàn)有FSS集成,實現(xiàn)對嚴(yán)重事故階段模擬功能的擴(kuò)展,從而為核電廠相關(guān)工作人員提供EOP、SAMG、EDMG等的相關(guān)培訓(xùn)演練和考核提供有效的手段。

1.1 總體方案

嚴(yán)重事故分析軟件與模擬機(jī)集成技術(shù)是嚴(yán)重事故仿真系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)。收集核電廠設(shè)計數(shù)據(jù),基于MAAP5軟件建立核電廠嚴(yán)重事故模型,并將嚴(yán)重事故模型與模擬機(jī)進(jìn)行集成,形成能夠模擬核電廠正常運(yùn)行、設(shè)計基準(zhǔn)事故以及嚴(yán)重事故的嚴(yán)重事故仿真系統(tǒng)。在正常運(yùn)行工況及設(shè)計基準(zhǔn)事故時,由模擬機(jī)完成全部模型的計算,進(jìn)入嚴(yán)重事故時,MAAP負(fù)責(zé)堆芯、主系統(tǒng)、安全殼及乏池的計算,模擬機(jī)負(fù)責(zé)其他工藝系統(tǒng)模型計算,兩者通過通訊接口交互數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)中核電廠運(yùn)行狀態(tài)變化(壓力容器、安全殼和乏燃料水池等)的可視化界面和人機(jī)界面,具備3D效果。同時開發(fā)SAMG支持系統(tǒng),采集模型計算數(shù)據(jù),自動鏈接相關(guān)的操作,方便進(jìn)行SAMG的培訓(xùn)演練、應(yīng)急演習(xí)、規(guī)程驗證等功能。方案的總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 嚴(yán)重事故模擬機(jī)的總體架構(gòu)Fig.1 The configuration of severe accident simulator

1.2 嚴(yán)重事故模擬機(jī)通訊方案

在嚴(yán)重事故模擬機(jī)中,嚴(yán)重事故模型MAAP5、數(shù)字化SAMG以及3D畫面都運(yùn)行在Windows環(huán)境下,而全范圍模擬機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行在Linux環(huán)境下,兩者之間通過網(wǎng)絡(luò)通訊實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互,具體通訊方案如圖2所示。

圖2 嚴(yán)重事故模擬機(jī)通訊方案Fig.2 The communication interfaceof severe accident simulator

2 MAAP5實時交互功能實現(xiàn)

對MAAP5軟件進(jìn)行改造,開發(fā)支持模擬機(jī)控制的實時交互版本,實現(xiàn)模擬機(jī)平臺對MAAP5的運(yùn)行控制,包括運(yùn)行/凍結(jié)、快照/復(fù)位/回溯、故障插入、就地操作、同步計算等。具體工作包括以下幾個方面：1)修改MAAP5的主程序,是的其運(yùn)行控制權(quán)交給模擬機(jī)平臺的管理,實現(xiàn)同步計算,運(yùn)行、凍結(jié)控制；2)修改MAAP5的文件寫入功能,使之按照平臺的要求保存初始條件,并按平臺要求讀入初始條件,實現(xiàn)IC/BC的報訊,及復(fù)位/回溯功能；3)修改數(shù)據(jù)管理工具,使得模擬機(jī)給出的值能直接傳入MAAP5程序的數(shù)據(jù)庫中,完成故障就就地操作,及模擬機(jī)接口變量的引入。

3 MAAP5與模擬機(jī)工藝系統(tǒng)接口方案

采用MAAP5和全范圍模擬機(jī)的優(yōu)勢模型進(jìn)行對接。主要原則是堆芯、乏池、安全殼、乏燃料池、放射性劑量等主要程序采用MAAP5,其他系統(tǒng)采用模擬機(jī)模型。

模型接口開發(fā)是將MAAP5與全范圍模擬機(jī)的模型變量進(jìn)行對接,主要分為以下四類：1)過程接口：指模擬機(jī)與被MAAP5替代的流體模型接口；2)邏輯接口：指MAAP5模擬設(shè)備與模擬機(jī)相關(guān)儀控信號的接口(如開啟泵或閥)；3)儀表接口： 指由MAAP5模型計算的壓力、溫度等傳感器參數(shù)值送二層人機(jī)界面顯示；4)故障接口： MAAP5模擬范圍內(nèi)的故障對接。接口關(guān)系示意如圖3所示。

圖3 MAAP5與模擬機(jī)工藝系統(tǒng)接口Fig.3 The interface between MAAP5 and FSS system

4 MAAP5與模擬機(jī)切換計算功能開發(fā)

模型切換,又叫過程中初始化,是嚴(yán)重事故模擬機(jī)的特殊需求,要求MAAP5程序直接從FSS提供的狀態(tài)進(jìn)行初始化,而不是常規(guī)的從穩(wěn)定條件進(jìn)行初始化。采用這種方案主要原因是：

1)嚴(yán)重事故模擬機(jī)在FSS基礎(chǔ)上進(jìn)行功能擴(kuò)充,但不能影響FSS原有功能(主要是在正常運(yùn)行、設(shè)計基準(zhǔn)事故時的表現(xiàn))；

2)進(jìn)行嚴(yán)重事故培訓(xùn),不是直接進(jìn)入嚴(yán)重事故,而是從設(shè)計基準(zhǔn)事故逐步地過渡到嚴(yán)重事故；

3)一般嚴(yán)重事故分析軟件關(guān)注的重點都在嚴(yán)重事故后的現(xiàn)象,往往對事故早期現(xiàn)象的模擬比較簡化,如MAAP5不能升降功率,熱工采用的也是均兩相勻流模型等。

在嚴(yán)重事故模擬機(jī)中,所有瞬態(tài)從FSS原有模型開始計算,FSS模擬嚴(yán)重事故前的事故過程,當(dāng)瞬態(tài)過程超出FSS模擬范圍時,切換到MAAP5繼續(xù)模擬,切換的難點在于過程中參數(shù)需要盡可能的平滑過渡。

切換計算的流程,在0時刻,模擬機(jī)運(yùn)行一步,同時調(diào)用MAAP5運(yùn)算一步完成穩(wěn)態(tài)計算初始化； 之后FSS運(yùn)行自己的計算,MAAP5進(jìn)入休眠； 到達(dá)切換點,FSS通過專門的切換函數(shù)喚醒MAAP5并傳遞切換數(shù)據(jù)； 切換之后MAAP5完成初始化繼續(xù)計算當(dāng)前瞬態(tài),FSS仍會運(yùn)行一段時間,期間FSS和MAAP5都在運(yùn)行。

圖4 FSS與MAAP5切換計算流程Fig.4 The calculation flow of switchbetween MAAP5 and FSS

5 測試驗證

嚴(yán)重事故由于本身的稀有性,很難獲得驗證數(shù)據(jù),其測試驗證一直是個的難題。對嚴(yán)重事故模擬機(jī)的測試驗證,主要是對開發(fā)路徑上的關(guān)鍵節(jié)點進(jìn)行測試,確保相關(guān)功能的實現(xiàn),以及相關(guān)改造不會改變原有軟件的計算性能,對于軟件本身的準(zhǔn)確性不在驗證范圍之內(nèi)。 按照過程嚴(yán)格按照嚴(yán)重事故模擬機(jī)的開發(fā)過程展開,其中重點測試驗證以下兩個步驟：

1)經(jīng)過模擬機(jī)交互功能改造后的MAAP5軟件測試,再對比改造前后的MAAP5的計算結(jié)果,確認(rèn)模擬機(jī)改造不會影響MAAP5的計算性能;

2)切換功能測試,確保切換計算時,參數(shù)的平滑過渡。

5.1 改造前后計算結(jié)果對比

選擇最劇烈的主系統(tǒng)熱管段雙端斷裂大破口事故為對象,測試對比改造前后的MAAP5的計算結(jié)果,確認(rèn)模擬機(jī)改造不會影響MAAP5的計算性能。如圖5～圖12所示。

圖5 一回路壓力Fig.5 Pressure of primary circuit

圖6 RVP水位Fig.6 RVP water level

圖7 蒸汽發(fā)生器液位Fig.7 Liquid level of steam generator

圖8 蒸汽發(fā)生器壓力Fig.8 Pressure of steam generator

圖9 蒸汽發(fā)生器氣溫Fig.9 Temperature of steam generator

圖10 堆芯產(chǎn)生的氫氣質(zhì)量Fig.10 Quality of hydrogen produced in core

圖11 安全殼壓力Fig.11 Containment pressure

圖12 安全殼氣溫Fig.12 Containment temperature

5.2 切換功能測試

切換功能測試主要是確保切換計算時,嚴(yán)重事故模擬機(jī)計算的各項參數(shù)能平滑過渡,不出現(xiàn)延遲及階躍的現(xiàn)象。由于篇幅原因,本文僅羅列了典型嚴(yán)重事故工況SBO疊加輔助給水失效工況下的計算結(jié)果。如圖13～圖18所示。

圖13 一回路壓力Fig.13 Pressure of primary circuit

圖14 穩(wěn)壓器氣相溫度Fig.14 Gas phase temperature ofpressurizer

圖15 冷卻劑溫度Fig.15 Coolant temperature

圖16 蒸汽發(fā)生器壓力Fig.16 Pressure of steam generator

圖17 核功率Fig.17 Nuclear power

圖18 蒸汽發(fā)生器下降段水位Fig.18 Water level of falling section of steam generator

6 結(jié) 論

通過廣泛調(diào)研核電業(yè)主及監(jiān)管部門對嚴(yán)重事故培訓(xùn)的要求,以及國內(nèi)外同行的相關(guān)開發(fā)經(jīng)驗,提出了嚴(yán)重事故模擬機(jī)的實現(xiàn)方案,并對其中的關(guān)鍵技術(shù)——FSS與MAAP5模型切換技術(shù)進(jìn)行了技術(shù)攻關(guān),成功解決了這一技術(shù)難題。其意義主要表現(xiàn)在以下幾方面：

1)將國際上權(quán)威機(jī)構(gòu)的嚴(yán)重事故工程分析軟件集成到模擬機(jī)上,包括了嚴(yán)重事故研究領(lǐng)域經(jīng)過驗證的最新的成果,涵蓋反應(yīng)堆廠房、乏燃料廠房以及廠外放射性大氣擴(kuò)散等嚴(yán)重事故過程,使得嚴(yán)重事故的模擬機(jī)培訓(xùn)成為可能；

2)實現(xiàn)RINSIM仿真平臺與MAAP5的完全耦合,過程模型平滑過渡和切換,既保證從正常工況到嚴(yán)重事故的連續(xù)完整的無擾計算,又能充分利用模擬機(jī)的控制、操作功能,通過設(shè)定、記錄場景,隨機(jī)插入多重疊加事故,以及操作干預(yù)等手段,顯著提高核電廠在嚴(yán)重事故下的培訓(xùn)、演練、事故分析及緩解措施驗證等的工作效率；

3)該模型切換方法,并不僅僅針對FSS與MAAP5的模型切換,任何類似的過程模型切換都可以參考該方法,這就為今后進(jìn)行其他程序的耦合提供了一種有效方案選擇。