華龍一號(hào)應(yīng)急工況評(píng)價(jià)系統(tǒng)初步開發(fā)

楊亞鵬，馮宗洋，賈林勝，王 寧，王任澤，梁博寧，劉一寧

(中國輻射防護(hù)研究院，太原 030006)

核動(dòng)力廠在采取種種預(yù)防性措施后，因失誤或事故進(jìn)入核事故應(yīng)急狀態(tài)的可能性雖然很小，但仍不能完全排除，核事故可能導(dǎo)致放射性物質(zhì)大量釋放，對(duì)工作人員、公眾和環(huán)境造成危害。針對(duì)核事故應(yīng)急，核安全導(dǎo)則HAD 002/01—2019[1]要求事故后需要及時(shí)開展監(jiān)測、診斷和預(yù)測核動(dòng)力廠事故狀態(tài)，IAEA GSR Part7[2]指出必須根據(jù)所確定的危害和潛在后果，在應(yīng)急準(zhǔn)備階段制定防護(hù)策略并使其正當(dāng)和最優(yōu)化。針對(duì)核動(dòng)力廠，為了制定防護(hù)策略，以便在核應(yīng)急中有效采取防護(hù)行動(dòng)和其他響應(yīng)行動(dòng)，需要開展事故工況應(yīng)急評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)和預(yù)測設(shè)施的異常工況，并分析計(jì)算放射性物質(zhì)釋放情況。開展堆芯損傷評(píng)價(jià)和釋放源項(xiàng)計(jì)算就是為了滿足上述要求，其分析計(jì)算結(jié)果可以作為應(yīng)急緩解行動(dòng)和應(yīng)急狀態(tài)分級(jí)的依據(jù)，并指導(dǎo)針對(duì)工作人員、應(yīng)急響應(yīng)人員和場外公眾的防護(hù)行動(dòng)和其他響應(yīng)行動(dòng)的策略制定。

華龍一號(hào)(HPR1000)是能動(dòng)與非能動(dòng)相結(jié)合安全特征的先進(jìn)核電廠，具有177堆芯、大自由容積雙層安全殼、CF3先進(jìn)燃料組件和完善的嚴(yán)重事故預(yù)防和緩解措施[3]。本文介紹了華龍一號(hào)應(yīng)急工況評(píng)價(jià)系統(tǒng)(ECAS-HPR1000)的開發(fā)方案，包括總體設(shè)計(jì)、平臺(tái)開發(fā)和接口設(shè)計(jì)、模塊開發(fā)等，該系統(tǒng)可以基于設(shè)施運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)行堆芯應(yīng)急工況的診斷，給出堆芯損傷定性和定量評(píng)價(jià)結(jié)果，以及在不同釋放途徑下的動(dòng)態(tài)分階段源項(xiàng)釋放計(jì)算結(jié)果。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

總體設(shè)計(jì)包括業(yè)務(wù)流程分析、開發(fā)框架設(shè)計(jì)和軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1.1 業(yè)務(wù)流程分析

本系統(tǒng)主要包括的功能子系統(tǒng)有：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、堆芯損傷評(píng)價(jià)子系統(tǒng)、釋放源項(xiàng)估算子系統(tǒng)、評(píng)價(jià)結(jié)果顯示子系統(tǒng)和人員權(quán)限管理子系統(tǒng)，主要業(yè)務(wù)流程如圖1所示。

圖1 ECAS-HPR1000系統(tǒng)功能子系統(tǒng)及業(yè)務(wù)流程Fig.1 Functional subsystem and data flow of ECAS-HPR1000

(1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)

本系統(tǒng)所需要的主要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括機(jī)組運(yùn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、廠房輻射監(jiān)測數(shù)據(jù)等，與應(yīng)急輔助決策系統(tǒng)建立接口，實(shí)時(shí)采集相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)并預(yù)處理后保存在本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。

(2)堆芯損傷評(píng)價(jià)子系統(tǒng)

堆芯損傷評(píng)價(jià)主要基于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集模塊提供的工況參數(shù)進(jìn)行堆芯損傷狀態(tài)和損傷程度的評(píng)價(jià)，其評(píng)價(jià)結(jié)果為釋放源項(xiàng)估算子系統(tǒng)提供輸入。

(3)釋放源項(xiàng)估算子系統(tǒng)

釋放源項(xiàng)估算基于堆芯損傷評(píng)價(jià)子系統(tǒng)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)提供的輸入進(jìn)行估算，其輸出結(jié)果通過評(píng)價(jià)結(jié)果展示子系統(tǒng)顯示。

(4)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示子系統(tǒng)

系統(tǒng)的輸出結(jié)果包括兩類：堆芯損傷評(píng)價(jià)結(jié)果和釋放源項(xiàng)估算結(jié)果。

堆芯損傷評(píng)價(jià)結(jié)果包括定性和定量結(jié)果兩類，定性結(jié)果包括堆芯損傷狀態(tài)，如無損傷、包殼破損、堆芯熔化等；定量結(jié)果為堆芯損傷的程度。

釋放源項(xiàng)估算結(jié)果包括釋放到一回路、安全殼和環(huán)境的源項(xiàng)，向環(huán)境釋放考慮多種途徑，包括通過安全殼直接釋放、雙層安全殼環(huán)形空間釋放、蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂釋放等，并給出釋放到環(huán)境的總源項(xiàng)。釋放結(jié)果按照核素名稱和時(shí)間步長給出。

1.2 開發(fā)框架設(shè)計(jì)

考慮本系統(tǒng)自動(dòng)化運(yùn)行、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、智能化判斷等特點(diǎn)，結(jié)合項(xiàng)目組以前開發(fā)經(jīng)驗(yàn)[4]，本系統(tǒng)采用B/S(瀏覽器/服務(wù)器)+C/S(客戶端/服務(wù)器)相結(jié)合的系統(tǒng)運(yùn)行框架，其中：

(1)服務(wù)器端(Server)主要用于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫部署，實(shí)現(xiàn)堆芯損傷評(píng)價(jià)和釋放源項(xiàng)計(jì)算系統(tǒng)的統(tǒng)一訪問和服務(wù)；

(2)瀏覽器端(Browser)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)人機(jī)接口和運(yùn)行，不需要對(duì)客戶端進(jìn)行配置，輸入瀏覽器網(wǎng)址即可運(yùn)行該系統(tǒng)；

(3)客戶端(Client)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)相關(guān)服務(wù)在線運(yùn)行，包括報(bào)警信號(hào)、啟動(dòng)信號(hào)等，實(shí)現(xiàn)與應(yīng)急輔助決策系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟動(dòng)、實(shí)時(shí)監(jiān)測和實(shí)時(shí)評(píng)估。

2 平臺(tái)開發(fā)和接口設(shè)計(jì)

2.1 平臺(tái)開發(fā)[5]

系統(tǒng)平臺(tái)采用JAVA語言開發(fā)，應(yīng)用目前主流SpringMVC+Spring+Mybatis(SSM)開發(fā)框架,具有易維護(hù)、擴(kuò)展性強(qiáng)和安全性高的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)庫使用MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。

2.2 接口設(shè)計(jì)

接口包括用于系統(tǒng)各子系統(tǒng)和模塊的內(nèi)部接口，以及與應(yīng)急輔助決策系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互的外部接口。

本系統(tǒng)各功能模塊內(nèi)部接口采用動(dòng)態(tài)鏈接庫(dll)形式，平臺(tái)通過調(diào)用各評(píng)價(jià)模型開展運(yùn)算，涉及到的數(shù)據(jù)包括靜態(tài)文件、輸入文件和輸出結(jié)果文件三類，其中靜態(tài)文件列于表1。

表1 靜態(tài)數(shù)據(jù)文件匯總表Tab.1 Summary of static data files

應(yīng)急輔助決策系統(tǒng)與本系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸是雙向的，堆芯損傷評(píng)價(jià)得到的源項(xiàng)數(shù)據(jù)，作為環(huán)境事故后果評(píng)價(jià)的依據(jù)數(shù)據(jù)，由應(yīng)急輔助決策系統(tǒng)將其傳輸?shù)江h(huán)境事故后果評(píng)價(jià)計(jì)算機(jī)。本系統(tǒng)通過API接口訪問應(yīng)急輔助決策系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，直接讀取DCS系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)供模型分析計(jì)算，并將堆芯損傷評(píng)價(jià)和釋放源項(xiàng)估算結(jié)果保存在應(yīng)急輔助決策系統(tǒng)MySQL數(shù)據(jù)庫中。

3 功能子系統(tǒng)和模塊開發(fā)

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)開發(fā)

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)堆芯損傷評(píng)價(jià)所需數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)獲取，滿足系統(tǒng)在線計(jì)算功能，解決傳統(tǒng)手動(dòng)輸入方法導(dǎo)致計(jì)算存在滯后性的問題。通過IOPConnect通訊服務(wù)接口連接到應(yīng)急決策系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，獲取實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)和歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，供堆芯損傷評(píng)價(jià)軟件調(diào)用數(shù)據(jù)參數(shù)。

獲取連接數(shù)據(jù)庫需要參數(shù)列于表2。

表2 連接數(shù)據(jù)庫參數(shù)和說明Tab.2 Parameters and description of database connection

3.2 堆芯損傷評(píng)價(jià)子系統(tǒng)開發(fā)[6-7]

本子系統(tǒng)采用三種方式進(jìn)行堆芯損傷評(píng)價(jià)，分別為：基于在線監(jiān)測儀表讀數(shù)綜合評(píng)價(jià)(系統(tǒng)默認(rèn))、基于堆芯裸露時(shí)間進(jìn)行評(píng)價(jià)和基于核素取樣評(píng)價(jià)。

基于在線監(jiān)測儀表讀數(shù)綜合評(píng)價(jià)模型的主要參數(shù)包括：

(1)基本參數(shù)，包括停堆時(shí)間、評(píng)價(jià)時(shí)間、堆芯是否有水注入、壓力容器水位是否低于堆芯出口、氫氣復(fù)合器狀態(tài)和氫氣消耗量等；

(2)實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括安全殼氫氣濃度(CH)、源量程監(jiān)測讀數(shù)(SRM)、安全殼輻射監(jiān)測儀讀數(shù)(CRM)、冷卻劑壓力(RCP)、一回路熱端溫度(RTD)；

(3)專設(shè)安全設(shè)施狀態(tài)參數(shù)，包括安全注入系統(tǒng)(中壓、低壓)、硼注入和安全噴淋系統(tǒng)，分別獲取各個(gè)通道的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)、總的流量；

(4)壓力容器水位，本系統(tǒng)獲取8個(gè)監(jiān)測報(bào)警點(diǎn)位數(shù)據(jù)，包含2個(gè)通道、4個(gè)參數(shù)，分別是：低于上封頭、低于熱管段頂部、低于熱管段底部和低于堆芯出口。

(5)堆芯出口熱電偶溫度CET圖，本項(xiàng)目包括44個(gè)CET監(jiān)測通道。

基于在線監(jiān)測儀表讀數(shù)綜合評(píng)價(jià)模型的界面如圖2所示。

圖2 基于在線監(jiān)測儀表讀數(shù)綜合評(píng)價(jià)模型的界面Fig.2 Integrated assessment interface based on real-time monitoring data

3.3 釋放源項(xiàng)計(jì)算子系統(tǒng)開發(fā)[8]

本系統(tǒng)的釋放源項(xiàng)估算方法包括四種，分別為：基于堆芯損傷狀態(tài)的釋放源項(xiàng)估算方法、基于冷卻劑濃度的釋放源項(xiàng)估算方法、基于安全殼空氣取樣的釋放源項(xiàng)估算方法和基于流出物監(jiān)測的釋放源項(xiàng)估算方法。

基于堆芯損傷狀態(tài)的釋放源項(xiàng)估算方法基于堆芯損傷評(píng)價(jià)子系統(tǒng)的輸出結(jié)果，是本系統(tǒng)的首選方法，其釋放源項(xiàng)估算步驟包括：

(1)估算堆芯發(fā)生損傷放射性物質(zhì)釋放開始時(shí)刻堆芯積存量；

(2)基于堆芯損傷狀態(tài)估算堆芯釋放量；

(3)確定釋放途徑及減弱機(jī)制，計(jì)算放射性從堆芯向一回路、安全殼等的釋放量；

(4)計(jì)算放射性向環(huán)境的釋放量(釋放源項(xiàng))。

主要的輸入?yún)?shù)分為通用參數(shù)、源項(xiàng)估算參數(shù)和釋放途徑參數(shù)三類：

(1)通用參數(shù)，包括事故類型、停堆時(shí)間、釋放開始時(shí)間、釋放結(jié)束時(shí)間和釋放高度；

(2)源項(xiàng)估算參數(shù)，包括堆芯損傷狀態(tài)、堆芯積存量計(jì)算；

(3)釋放途徑參數(shù)，釋放途徑包括安全殼泄漏、SGTR、安全殼旁通和直接環(huán)境釋放，對(duì)于華龍一號(hào)雙層安全殼，安全殼泄漏途徑考慮向環(huán)形空間的泄漏。

基于堆芯損傷狀態(tài)的釋放源項(xiàng)估算方法計(jì)算界面如圖3所示。

圖3 基于堆芯損傷狀態(tài)的釋放源項(xiàng)估算方法界面Fig.3 Source term estimation interface based on core damage status

4 總結(jié)

本文介紹了針對(duì)華龍一號(hào)開發(fā)的堆芯損傷與釋放源項(xiàng)計(jì)算系統(tǒng)，系統(tǒng)的開發(fā)考慮了華龍一號(hào)的特點(diǎn)，并結(jié)合已有M310系統(tǒng)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)如下：

(1)本文介紹了系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，包括業(yè)務(wù)流程分析、開發(fā)框架和軟件組織結(jié)構(gòu)，是系統(tǒng)開發(fā)的依據(jù)；

(2)本文介紹了軟件平臺(tái)和數(shù)據(jù)接口的開發(fā)方案，采用跨操作系統(tǒng)平臺(tái)和開源的開發(fā)平臺(tái)，滿足Linux和Windows不同版本系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境要求，具有較大擴(kuò)展性；

(3)本文也介紹了業(yè)務(wù)模塊的開發(fā)方案，針對(duì)堆芯損傷和釋放源項(xiàng)計(jì)算，以實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)的評(píng)價(jià)方案為主，采樣數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)方案為輔助，滿足參數(shù)采集和評(píng)價(jià)實(shí)時(shí)、快速的要求，并減少人工輸入錯(cuò)誤。

本系統(tǒng)目前已完成初版開發(fā)，下階段將進(jìn)行模塊和系統(tǒng)平臺(tái)性能測試和實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)接和現(xiàn)場部署。