华龙一号应急工况评价系统初步开发

杨亚鹏，冯宗洋，贾林胜，王 宁，王任泽，梁博宁，刘一宁

(中国辐射防护研究院，太原 030006)

核动力厂在采取种种预防性措施后，因失误或事故进入核事故应急状态的可能性虽然很小，但仍不能完全排除，核事故可能导致放射性物质大量释放，对工作人员、公众和环境造成危害。针对核事故应急，核安全导则HAD 002/01—2019[1]要求事故后需要及时开展监测、诊断和预测核动力厂事故状态，IAEA GSR Part7[2]指出必须根据所确定的危害和潜在后果，在应急准备阶段制定防护策略并使其正当和最优化。针对核动力厂，为了制定防护策略，以便在核应急中有效采取防护行动和其他响应行动，需要开展事故工况应急评价，评价和预测设施的异常工况，并分析计算放射性物质释放情况。开展堆芯损伤评价和释放源项计算就是为了满足上述要求，其分析计算结果可以作为应急缓解行动和应急状态分级的依据，并指导针对工作人员、应急响应人员和场外公众的防护行动和其他响应行动的策略制定。

华龙一号(HPR1000)是能动与非能动相结合安全特征的先进核电厂，具有177堆芯、大自由容积双层安全壳、CF3先进燃料组件和完善的严重事故预防和缓解措施[3]。本文介绍了华龙一号应急工况评价系统(ECAS-HPR1000)的开发方案，包括总体设计、平台开发和接口设计、模块开发等，该系统可以基于设施运行数据，进行堆芯应急工况的诊断，给出堆芯损伤定性和定量评价结果，以及在不同释放途径下的动态分阶段源项释放计算结果。

1 系统总体设计

总体设计包括业务流程分析、开发框架设计和软件结构设计。

1.1 业务流程分析

本系统主要包括的功能子系统有：基础数据采集子系统、堆芯损伤评价子系统、释放源项估算子系统、评价结果显示子系统和人员权限管理子系统，主要业务流程如图1所示。

图1 ECAS-HPR1000系统功能子系统及业务流程Fig.1 Functional subsystem and data flow of ECAS-HPR1000

(1)基础数据采集子系统

本系统所需要的主要基础数据包括机组运行动态数据、厂房辐射监测数据等，与应急辅助决策系统建立接口，实时采集相关基础数据并预处理后保存在本系统数据库中。

(2)堆芯损伤评价子系统

堆芯损伤评价主要基于基础数据采集模块提供的工况参数进行堆芯损伤状态和损伤程度的评价，其评价结果为释放源项估算子系统提供输入。

(3)释放源项估算子系统

释放源项估算基于堆芯损伤评价子系统和基础数据采集子系统提供的输入进行估算，其输出结果通过评价结果展示子系统显示。

(4)评价结果显示子系统

系统的输出结果包括两类：堆芯损伤评价结果和释放源项估算结果。

堆芯损伤评价结果包括定性和定量结果两类，定性结果包括堆芯损伤状态，如无损伤、包壳破损、堆芯熔化等；定量结果为堆芯损伤的程度。

释放源项估算结果包括释放到一回路、安全壳和环境的源项，向环境释放考虑多种途径，包括通过安全壳直接释放、双层安全壳环形空间释放、蒸汽发生器传热管破裂释放等，并给出释放到环境的总源项。释放结果按照核素名称和时间步长给出。

1.2 开发框架设计

考虑本系统自动化运行、实时数据采集、智能化判断等特点，结合项目组以前开发经验[4]，本系统采用B/S(浏览器/服务器)+C/S(客户端/服务器)相结合的系统运行框架，其中：

(1)服务器端(Server)主要用于基础数据采集、系统和数据库部署，实现堆芯损伤评价和释放源项计算系统的统一访问和服务；

(2)浏览器端(Browser)实现系统人机接口和运行，不需要对客户端进行配置，输入浏览器网址即可运行该系统；

(3)客户端(Client)实现系统相关服务在线运行，包括报警信号、启动信号等，实现与应急辅助决策系统连接，实现自动启动、实时监测和实时评估。

2 平台开发和接口设计

2.1 平台开发[5]

系统平台采用JAVA语言开发，应用目前主流SpringMVC+Spring+Mybatis(SSM)开发框架,具有易维护、扩展性强和安全性高的特点，数据库使用MySQL关系型数据库管理系统。

2.2 接口设计

接口包括用于系统各子系统和模块的内部接口，以及与应急辅助决策系统数据交互的外部接口。

本系统各功能模块内部接口采用动态链接库(dll)形式，平台通过调用各评价模型开展运算，涉及到的数据包括静态文件、输入文件和输出结果文件三类，其中静态文件列于表1。

表1 静态数据文件汇总表Tab.1 Summary of static data files

应急辅助决策系统与本系统之间的数据传输是双向的，堆芯损伤评价得到的源项数据，作为环境事故后果评价的依据数据，由应急辅助决策系统将其传输到环境事故后果评价计算机。本系统通过API接口访问应急辅助决策系统的实时数据库，直接读取DCS系统实时监测数据供模型分析计算，并将堆芯损伤评价和释放源项估算结果保存在应急辅助决策系统MySQL数据库中。

3 功能子系统和模块开发

3.1 基础数据采集子系统开发

基础数据采集子系统可以实现堆芯损伤评价所需数据采集的实时获取，满足系统在线计算功能，解决传统手动输入方法导致计算存在滞后性的问题。通过IOPConnect通讯服务接口连接到应急决策系统的实时数据库，获取实时监测数据和历史监测数据，供堆芯损伤评价软件调用数据参数。

获取连接数据库需要参数列于表2。

表2 连接数据库参数和说明Tab.2 Parameters and description of database connection

3.2 堆芯损伤评价子系统开发[6-7]

本子系统采用三种方式进行堆芯损伤评价，分别为：基于在线监测仪表读数综合评价(系统默认)、基于堆芯裸露时间进行评价和基于核素取样评价。

基于在线监测仪表读数综合评价模型的主要参数包括：

(1)基本参数，包括停堆时间、评价时间、堆芯是否有水注入、压力容器水位是否低于堆芯出口、氢气复合器状态和氢气消耗量等；

(2)实时监测数据，包括安全壳氢气浓度(CH)、源量程监测读数(SRM)、安全壳辐射监测仪读数(CRM)、冷却剂压力(RCP)、一回路热端温度(RTD)；

(3)专设安全设施状态参数，包括安全注入系统(中压、低压)、硼注入和安全喷淋系统，分别获取各个通道的实时监测数据、总的流量；

(4)压力容器水位，本系统获取8个监测报警点位数据，包含2个通道、4个参数，分别是：低于上封头、低于热管段顶部、低于热管段底部和低于堆芯出口。

(5)堆芯出口热电偶温度CET图，本项目包括44个CET监测通道。

基于在线监测仪表读数综合评价模型的界面如图2所示。

图2 基于在线监测仪表读数综合评价模型的界面Fig.2 Integrated assessment interface based on real-time monitoring data

3.3 释放源项计算子系统开发[8]

本系统的释放源项估算方法包括四种，分别为：基于堆芯损伤状态的释放源项估算方法、基于冷却剂浓度的释放源项估算方法、基于安全壳空气取样的释放源项估算方法和基于流出物监测的释放源项估算方法。

基于堆芯损伤状态的释放源项估算方法基于堆芯损伤评价子系统的输出结果，是本系统的首选方法，其释放源项估算步骤包括：

(1)估算堆芯发生损伤放射性物质释放开始时刻堆芯积存量；

(2)基于堆芯损伤状态估算堆芯释放量；

(3)确定释放途径及减弱机制，计算放射性从堆芯向一回路、安全壳等的释放量；

(4)计算放射性向环境的释放量(释放源项)。

主要的输入参数分为通用参数、源项估算参数和释放途径参数三类：

(1)通用参数，包括事故类型、停堆时间、释放开始时间、释放结束时间和释放高度；

(2)源项估算参数，包括堆芯损伤状态、堆芯积存量计算；

(3)释放途径参数，释放途径包括安全壳泄漏、SGTR、安全壳旁通和直接环境释放，对于华龙一号双层安全壳，安全壳泄漏途径考虑向环形空间的泄漏。

基于堆芯损伤状态的释放源项估算方法计算界面如图3所示。

图3 基于堆芯损伤状态的释放源项估算方法界面Fig.3 Source term estimation interface based on core damage status

4 总结

本文介绍了针对华龙一号开发的堆芯损伤与释放源项计算系统，系统的开发考虑了华龙一号的特点，并结合已有M310系统开发经验，总结如下：

(1)本文介绍了系统总体设计方案，包括业务流程分析、开发框架和软件组织结构，是系统开发的依据；

(2)本文介绍了软件平台和数据接口的开发方案，采用跨操作系统平台和开源的开发平台，满足Linux和Windows不同版本系统运行环境要求，具有较大扩展性；

(3)本文也介绍了业务模块的开发方案，针对堆芯损伤和释放源项计算，以实时监测数据的评价方案为主，采样数据评价方案为辅助，满足参数采集和评价实时、快速的要求，并减少人工输入错误。

本系统目前已完成初版开发，下阶段将进行模块和系统平台性能测试和实时监测数据对接和现场部署。