基于MAAP5的严重事故模拟机开发1)

(中核武汉核电运行技术股份有限公司,湖北 武汉 430223)

福岛核事故后,我国核安全监管机构加强了对核电厂严重事故管理的重视力度,提出了针对在役核电厂的福岛改进项。同时,要求所有在役核电厂于2013年底前完成严重事故管理导则SAMG的编制,对于在建核电厂则要求在机组第一次装料前也必须完成SAMG的编制。国家能源局核电司资审委发布的《福岛核事故后核电厂操纵人员培训改进项》中也要求“各营运单位逐步建立在模拟机上实施严重事故培训和演练的能力”。为了满足核安全当局及国家能源局核电司资审委的各项要求,满足核电厂运行人员、严重事故管理人员和安全相关人员进行严重事故处理及管理的培训需求,提高核电厂相关人员对严重事故现象的认识及对事故工况预防缓解措施的处理能力,开发一套严重事故模拟机尤为必要。

1 严重事故仿真系统技术方案

现有核电厂全范围模拟机以其完备的核电厂系统设备模型及逼真的操作环境,在核电厂操纵人员培训方面有着不可替代的作用。但由于FSS不包含严重事故模型,无法进行严重事故的仿真模拟,因此也就无法进行严重事故的相关培训。通过将成熟的一体化严重事故分析软件与现有FSS集成,实现对严重事故阶段模拟功能的扩展,从而为核电厂相关工作人员提供EOP、SAMG、EDMG等的相关培训演练和考核提供有效的手段。

1.1 总体方案

严重事故分析软件与模拟机集成技术是严重事故仿真系统开发的基础。收集核电厂设计数据,基于MAAP5软件建立核电厂严重事故模型,并将严重事故模型与模拟机进行集成,形成能够模拟核电厂正常运行、设计基准事故以及严重事故的严重事故仿真系统。在正常运行工况及设计基准事故时,由模拟机完成全部模型的计算,进入严重事故时,MAAP负责堆芯、主系统、安全壳及乏池的计算,模拟机负责其他工艺系统模型计算,两者通过通讯接口交互数据。该系统中核电厂运行状态变化(压力容器、安全壳和乏燃料水池等)的可视化界面和人机界面,具备3D效果。同时开发SAMG支持系统,采集模型计算数据,自动链接相关的操作,方便进行SAMG的培训演练、应急演习、规程验证等功能。方案的总体架构如图1所示。

图1 严重事故模拟机的总体架构Fig.1 The configuration of severe accident simulator

1.2 严重事故模拟机通讯方案

在严重事故模拟机中,严重事故模型MAAP5、数字化SAMG以及3D画面都运行在Windows环境下,而全范围模拟机系统运行在Linux环境下,两者之间通过网络通讯实现数据交互,具体通讯方案如图2所示。

图2 严重事故模拟机通讯方案Fig.2 The communication interfaceof severe accident simulator

2 MAAP5实时交互功能实现

对MAAP5软件进行改造,开发支持模拟机控制的实时交互版本,实现模拟机平台对MAAP5的运行控制,包括运行/冻结、快照/复位/回溯、故障插入、就地操作、同步计算等。具体工作包括以下几个方面：1)修改MAAP5的主程序,是的其运行控制权交给模拟机平台的管理,实现同步计算,运行、冻结控制；2)修改MAAP5的文件写入功能,使之按照平台的要求保存初始条件,并按平台要求读入初始条件,实现IC/BC的报讯,及复位/回溯功能；3)修改数据管理工具,使得模拟机给出的值能直接传入MAAP5程序的数据库中,完成故障就就地操作,及模拟机接口变量的引入。

3 MAAP5与模拟机工艺系统接口方案

采用MAAP5和全范围模拟机的优势模型进行对接。主要原则是堆芯、乏池、安全壳、乏燃料池、放射性剂量等主要程序采用MAAP5,其他系统采用模拟机模型。

模型接口开发是将MAAP5与全范围模拟机的模型变量进行对接,主要分为以下四类：1)过程接口：指模拟机与被MAAP5替代的流体模型接口；2)逻辑接口：指MAAP5模拟设备与模拟机相关仪控信号的接口(如开启泵或阀)；3)仪表接口： 指由MAAP5模型计算的压力、温度等传感器参数值送二层人机界面显示；4)故障接口： MAAP5模拟范围内的故障对接。接口关系示意如图3所示。

图3 MAAP5与模拟机工艺系统接口Fig.3 The interface between MAAP5 and FSS system

4 MAAP5与模拟机切换计算功能开发

模型切换,又叫过程中初始化,是严重事故模拟机的特殊需求,要求MAAP5程序直接从FSS提供的状态进行初始化,而不是常规的从稳定条件进行初始化。采用这种方案主要原因是：

1)严重事故模拟机在FSS基础上进行功能扩充,但不能影响FSS原有功能(主要是在正常运行、设计基准事故时的表现)；

2)进行严重事故培训,不是直接进入严重事故,而是从设计基准事故逐步地过渡到严重事故；

3)一般严重事故分析软件关注的重点都在严重事故后的现象,往往对事故早期现象的模拟比较简化,如MAAP5不能升降功率,热工采用的也是均两相匀流模型等。

在严重事故模拟机中,所有瞬态从FSS原有模型开始计算,FSS模拟严重事故前的事故过程,当瞬态过程超出FSS模拟范围时,切换到MAAP5继续模拟,切换的难点在于过程中参数需要尽可能的平滑过渡。

切换计算的流程,在0时刻,模拟机运行一步,同时调用MAAP5运算一步完成稳态计算初始化； 之后FSS运行自己的计算,MAAP5进入休眠； 到达切换点,FSS通过专门的切换函数唤醒MAAP5并传递切换数据； 切换之后MAAP5完成初始化继续计算当前瞬态,FSS仍会运行一段时间,期间FSS和MAAP5都在运行。

图4 FSS与MAAP5切换计算流程Fig.4 The calculation flow of switchbetween MAAP5 and FSS

5 测试验证

严重事故由于本身的稀有性,很难获得验证数据,其测试验证一直是个的难题。对严重事故模拟机的测试验证,主要是对开发路径上的关键节点进行测试,确保相关功能的实现,以及相关改造不会改变原有软件的计算性能,对于软件本身的准确性不在验证范围之内。 按照过程严格按照严重事故模拟机的开发过程展开,其中重点测试验证以下两个步骤：

1)经过模拟机交互功能改造后的MAAP5软件测试,再对比改造前后的MAAP5的计算结果,确认模拟机改造不会影响MAAP5的计算性能;

2)切换功能测试,确保切换计算时,参数的平滑过渡。

5.1 改造前后计算结果对比

选择最剧烈的主系统热管段双端断裂大破口事故为对象,测试对比改造前后的MAAP5的计算结果,确认模拟机改造不会影响MAAP5的计算性能。如图5～图12所示。

图5 一回路压力Fig.5 Pressure of primary circuit

图6 RVP水位Fig.6 RVP water level

图7 蒸汽发生器液位Fig.7 Liquid level of steam generator

图8 蒸汽发生器压力Fig.8 Pressure of steam generator

图9 蒸汽发生器气温Fig.9 Temperature of steam generator

图10 堆芯产生的氢气质量Fig.10 Quality of hydrogen produced in core

图11 安全壳压力Fig.11 Containment pressure

图12 安全壳气温Fig.12 Containment temperature

5.2 切换功能测试

切换功能测试主要是确保切换计算时,严重事故模拟机计算的各项参数能平滑过渡,不出现延迟及阶跃的现象。由于篇幅原因,本文仅罗列了典型严重事故工况SBO叠加辅助给水失效工况下的计算结果。如图13～图18所示。

图13 一回路压力Fig.13 Pressure of primary circuit

图14 稳压器气相温度Fig.14 Gas phase temperature ofpressurizer

图15 冷却剂温度Fig.15 Coolant temperature

图16 蒸汽发生器压力Fig.16 Pressure of steam generator

图17 核功率Fig.17 Nuclear power

图18 蒸汽发生器下降段水位Fig.18 Water level of falling section of steam generator

6 结 论

通过广泛调研核电业主及监管部门对严重事故培训的要求,以及国内外同行的相关开发经验,提出了严重事故模拟机的实现方案,并对其中的关键技术——FSS与MAAP5模型切换技术进行了技术攻关,成功解决了这一技术难题。其意义主要表现在以下几方面：

1)将国际上权威机构的严重事故工程分析软件集成到模拟机上,包括了严重事故研究领域经过验证的最新的成果,涵盖反应堆厂房、乏燃料厂房以及厂外放射性大气扩散等严重事故过程,使得严重事故的模拟机培训成为可能；

2)实现RINSIM仿真平台与MAAP5的完全耦合,过程模型平滑过渡和切换,既保证从正常工况到严重事故的连续完整的无扰计算,又能充分利用模拟机的控制、操作功能,通过设定、记录场景,随机插入多重叠加事故,以及操作干预等手段,显著提高核电厂在严重事故下的培训、演练、事故分析及缓解措施验证等的工作效率；

3)该模型切换方法,并不仅仅针对FSS与MAAP5的模型切换,任何类似的过程模型切换都可以参考该方法,这就为今后进行其他程序的耦合提供了一种有效方案选择。