一种核电站严重事故培训系统与培训方法

摘要

本发明涉及一种核电站严重事故培训系统和方法，所述系统包括主控室单元、教控台单元和服务器；其中所述服务器集成用于模拟严重事故的MAAP模型，与所述主控室单元、所述教控台单元相连接，用于运行严重事故模型；所述主控室单元，用于在所述服务器运行所述严重事故模型后，展示所述严重事故模型的状态，供学员判断是否进入严重事故状态，根据所述严重事故状态执行事故缓解措施；所述教控台单元，用于供教员插入严重事故序列，以及观察学员操作过程，并在特定状态下对所述主控室单元提供支援。本发明的技术方案，通过集成MAAP模型，扩展了模拟范围，能够完整模拟从事件触发到裂变产物环境释放完整的严重事故进程和现象，学员能够执行事故缓解措施。

说明书

技术领域

本发明涉及核电站培训领域，更具体地说，涉及一种核电站严重事故培训 系统与培训方法。

背景技术

全范围模拟机是核电厂重要设备之一，现有的全范围模拟机对于完整的从 事件触发到裂变产物环境释放完整的严重事故进程和现象则无法模拟。MAAP 程序(模块化的事故分析程序)是集总参数类型的分析程序，该程序广泛用于核 电厂，但目前，MAAP模型的一回路辅助系统、二回路系统和专设安全设施的 模型过于简单，不能精确模拟严重事故情况下各系统工况的实时状态，使教员 和学员对于严重事故进程的把握不清，不能有效满足培训需求。对于MAAP模 型，没有直观的展示或演示系统可以展示事故发展进程，对于主控室投入的缓 解措施的效果也无法直观展示，无法直接用于严重事故的培训。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的全范围模拟机的模拟范围 过小及模拟过程精确度低的缺陷，提供一种核电站严重事故培训系统与培训方 法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种核电站严重事故培 训系统与培训方法。

在本发明所述的核电站严重事故培训系统中，包括主控室单元、教控台单 元和服务器；其中

所述服务器集成用于模拟严重事故的MAAP模型，与所述主控室单元、所 述教控台单元相连接，用于运行严重事故模型；

所述主控室单元，用于在所述服务器运行所述严重事故模型后，展示所述 严重事故模型的状态，供学员判断是否进入严重事故状态，根据所述严重事故 状态执行事故缓解措施；

所述教控台单元，用于供教员插入严重事故序列，以及观察学员操作过程， 并在特定状态下对所述主控室单元提供支援。

优选地，所述培训系统还包括：

3D/2D单元，与所述服务器相连接，用于以3D和/或2D的方式展示所述 严重事故的进程。

优选地，所述3D/2D单元展示所述严重事故的进程包括堆芯各节块状态、 一回路热工水力、安全壳热工水力以及氢气分布、乏燃料熔化、场外剂量分布 中的一种或多种。

优选地，所述培训系统还包括：

远程停堆盘设备，用于在所述主控室单元处于不可用状态时，供操纵员在 其上进行应急操作；

技术支持中心，用于所述主控室单元处于事故工况时，令相关技术专家临 场，为所述主控室单元应急决策提供支持。

优选地，所述主控室还包括一回路操纵员站、二回路操纵员站、值长站、 安工站、大屏幕显示系统、备用操作盘。

优选地，所述服务器包括MAAP模型和全范围模拟机模型；

所述MAAP模型的模拟范围包括：堆芯、一回路冷却剂系统、蒸汽管线(到 蒸汽母管)、乏燃料池、燃料厂房、安全壳、放射性剂量中的一种或多种；

所述全范围模拟机模型的模拟范围包括：一回路辅助系统、二回路系统、 专设安全设施中的一种或多种。

优选地，所述MAAP模型包括RCS模型、安全壳模型、MAAP-DOSE模型。

在本发明所述的核电站严重事故培训方法中，包括：

通过教控台单元插入严重事故序列至集成MAAP模型的服务器；

通过所述服务器运行严重事故模型；

通过主控室单元判断当前是否进入严重事故状态，并在进入严重事故状态 时，根据所述严重事故状态执行事故缓解措施；

通过所述教控台单元观察学员操作过程，并供教员在特定状态下对所述主 控室单元提供支援。

优选地，所述服务器包括MAAP模型和全范围模拟机模型；

所述MAAP模型的模拟范围包括：堆芯、一回路冷却剂系统、蒸汽管线(到 蒸汽母管)、乏燃料池、燃料厂房、安全壳、放射性剂量中的一种或多种；

所述全范围模拟机模型的模拟范围包括：一回路辅助系统、二回路系统、 专设安全设施中的一种或多种。

优选地，所述MAAP模型包括RCS模型、安全壳模型、MAAP-DOSE模型。

实施本发明的核电站严重事故培训系统与培训方法，具有以下有益效果： 通过集成MAAP模型，扩展了模拟范围，能够完整模拟从事件触发到裂变产物 环境释放完整的严重事故进程和现象，学员能够执行事故缓解措施。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明核电站严重事故培训系统的结构示意图；

图2是本发明核电站严重事故培训系统的全范围模拟机与MAAP的集成方 案示意图；

图3是本发明核电站严重事故培训方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和具 体实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处描述的具体实施 例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，在本发明的核电站严重事故培训系统中，包括主控室单元 101、教控台单元102、服务器103、3D/2D单元104。其中：

该服务器103为严重事故模拟机服务器，是本发明的核电站严重事故培训 系统的核心，通过网络把模拟机各其它功能块连接在一起，运行严重事故模拟 机主程序。该服务器103集成用于模拟严重事故的MAAP模型，与主控室单元 101、教控台单元102相连接，用于运行严重事故模型。该服务器103运行的 严重事故模型包括MAAP模型和全范围模拟机模型。其中MAAP模型的模拟范围 包括但不限于：堆芯、一回路冷却剂系统、蒸汽管线(到蒸汽母管)、乏燃料 池、燃料厂房、安全壳、放射性剂量；全范围模拟机模型的模拟范围包括但不 限于：一回路辅助系统、二回路系统、专设安全设施。

MAAP模型耦合了热工水力学计算以及裂变产物释放和迁移计算的一体化 程序，可以模拟严重事故的全部进程，从初始事件开始，既可以向安全、稳定、 可冷却的反应堆状态发展，也可以向安全壳结构失效最终导致裂变产物向环境 释放的事故状态发展。该程序广泛用于核电厂特定的薄弱环节检查(IPE)、严 重事故管理导则(SAMG)制定和事故管理对策评估。其最新的程序版本能够实 现堆芯、反应堆冷却剂系统、安全壳响应的最佳估算分析(包括敏感性分析)。 该程序经过了独立设计审查和美国核管会(NRC)的审查，长期作为美国核电 厂严重事故管理(SAM)的主要评价分析工具，应用范围包括安全分析、执照 申请、运行支持、事故管理决策制定等各个方面。

进一步的，该MAAP模型包括但不限于RCS模型、安全壳模型、MAAP-DOSE 模型、乏燃料池、安全专设系统及相关二回路模型。

具体的，对于RCS模型，在MAAP程序中RCS流体包括蒸汽、水、熔融物、 氢气其它不可凝气体；流道包括管道、波动管、贯穿管和释放阀。程序对每个 控制容积独立求解质量守恒和能量守恒方程，这些方程是集总参数型、非线性、 耦合的常微分方程组。

对于安全壳模型，用户可以自己划分安全壳节点，以每个隔间中水和气的 质量和能量，程序计算出热力学特性，然后计算隔间之间气和水的流动，与内 部和边界热阱之间的热交换，冷凝与汽化等现象。

程序还模拟了安全壳内专设安全设施，包括喷淋、冷却风扇、热交换器、 以及氢气点火器和复合器。常闭流道用来表示安全壳的薄弱环节，在用户定义 的条件下失效，安全壳的泄漏采用常开流道来模拟。对于MAAP-DOSE模型， MAAP-DOSE是MAAP用于放射性后果评估的子程序，能即时地将MAAP计算的裂 变产物释放转化为辐射剂量，可以计算MAAP所包含的剂量和剂量率以及辅助 设施的节点，也可以计算在释放点规定距离处的厂区外的剂量和剂量率。

在本发明的核电站严重事故培训系统中，MAAP模型与全范围模拟机模型 的集成方案如图2所示。由图中可以看出3D/2D单元104为由ROSE(一种组态 软件)变量和非ROSE变量与MAAP相关变量通过接口程序进行对点，在3D/2D 单元上显示；MAAP模型与全范围模拟机模型通过各程序集成在模拟机主程序 上，通过模拟机主程序进行调用。

该主控室单元101，用于在服务器运行严重事故模型后，展示严重事故模 型的状态，供学员判断是否进入严重事故状态，根据严重事故状态执行事故缓 解措施。其中，如图1所示，主控室单元101还包括一回路操纵员站1011、 二回路操纵员站1012、值长站1013、安工站1014、大屏幕显示系统1015、备 用操作盘1016。其中，一回路操纵员站1011、二回路操纵员站1012、值长站 1013、安工站1014属于操纵员工作站，本发明实施例为四个。可以理解的， 本发明实施例的操纵员工作站的个数不局限于四个。备用操作盘1016为后备 盘，在系统故障的情况下，可以对核电站进行操作，保证核电站的安全停运。 大屏幕显示系统1015，用于显示电厂主要系统状态。除此之外，本发明实施 例的培训系统的主控室单元还可以包括ECP盘，用于紧急停堆、跳泵等操作。

该教控台单元102，用于供教员插入严重事故序列，以及观察学员操作过 程，并在特定状态下对主控室单元101提供支援。具体的，本发明实施例的教 控台单元102包括两个教员站：教员站1021和教员站1022。两个教员站可以 完全相同、相互替代，也可以根据需要分配不同的功能。对此本发明不作限定。 教员能够在教员站中加载和保存培训初始条件，插入严重事故序列，以及观察 学员操作过程，并在特定状态下对主控室单元提供支援。本发明实施例的特定 状态包括但不限于：当学员操作失误，教员可以暂停、冻结、回朔严重事故模 型；或当运行的严重事故模型需要多个主控室单元同时操作时，教控台单元可 以临时充当主控室单元的角色，对主控室单元提供支援。同时，教员可以对学 员的操作进行评价。

该3D/2D单元104，与服务器103相连接，用于以3D和/或2D的方式展 示严重事故的进程。该3D/2D单元104为图形化动态演示系统，展示严重事故 的进程包括但不限于堆芯各节块状态、一回路热工水力、安全壳热工水力以及 氢气分布、乏燃料熔化、场外剂量分布等现象。主控室投入缓解措施的效果也 可在该系统中直观展示，从而帮助培训对象更深刻理解严重事故的机理和进 程。

进一步地，本发明实施例的核电站严重事故培训系统还包括：远程停堆盘 设备，用于在主控室单元处于不可用状态时，供操纵员在其上进行应急操作； 技术支持中心，用于主控室单元处于事故工况时，令相关技术专家临场，为主 控室单元应急决策提供支持。本发明实施例也可省略远程停堆盘设备和技术支 持中心。

本发明实施例的核电站严重事故培训系统扩展了全范围模拟机的模拟范 围，将严重事故分析程序(MAAP模型)与全范围模拟机集成对接，同时开发 3D/2D动态演示单元，建成严重事故全范围模拟机，能够完整模拟从事件触发 到裂变产物环境释放完整的严重事故进程和现象，学员能够执行事故缓解措 施。

在本发明实施例中，由于MAAP模型为非实时运行的模型，全范围模拟机 为实时运行的模型，两者无法直接对接用于严重事故培训，因此需要开发专门 的程序进行对接，包括：

(1)全范围模拟机模型与MAAP模型划分

因MAAP模型的辅助系统、二回路系统等模型过于简化，计算精度不足， 因此采用新的模拟划分范围，以满足集成后的严重事故模拟机计算精度要求。 具体范围划分如下：

a.MAAP5模拟范围：堆芯、一回路冷却剂系统、蒸汽管线(到蒸汽母管)、 乏燃料池、燃料厂房、安全壳、放射性剂量。

b.模拟机模拟范围：一回路辅助系统、二回路系统、专设安全设施。

(2)MAAP模型输入数据建模

根据核电站严重事故培训系统以及其数据传输的需要，建立MAAP模型的 输入数据的参数文件和输入文件，所述参数文件和输入文件与全范围模拟机模 型的数据相对应，以实现数据传输。

对MAAP模型的输入文件和参数文件进行完整设置，包括参数名称、类型、 取值、单位等，同时兼顾精度和实时性要求。

(3)开发模型接口

开发模型接口程序：处理MAAP变量输入和输出、变量标准化、单位转换、 故障插入、2D/3D图形化显示计算等。

开发可视化接口部件库：实现全范围模拟机变量和MAAP变量对接，包括 两相流接口、传感器显示、逻辑输入切换等部件。

(4)开发执行程序

开发专用执行程序，实现MAAP程序与全范围模拟机模型进行实时对接。

将MAAP程序进行有效集成，将MAAP程序作为全范围模拟机主程序一部分， 可通过全范围模拟机实时调用MAAP程序。

(5)开发集成数据库

开发集成数据库，将MAAP所有变量嵌入全范围模拟机数据库，使其与全 范围模拟机数据的存取机制相同，从而使用模拟机的初始条件即可同时初始化 模拟机和MAAP的变量。

(6)开发MAAP同步程序

开发MAAP同步程序，解决MAAP程序实时性差的问题。

全范围模拟机通过同步程序实时调用MAAP程序，实现全范围模拟机与 MAAP同步计算，数据实时输入输出。

(7)开发driver程序

开发driver程序，使教控台单元所有功能(加载/保存初始条件、运行、 冻结、回溯、插入故障等)均适用于嵌入的MAAP程序。

(8)3D/2D单元开发

开发3D/2D图形化动态演示单元，实时展示事故进程，包括堆芯各节块状 态、一回路热工水力、安全壳热工水力以及氢气分布、乏燃料熔化、场外剂量 分布等现象。主控室投入缓解措施的效果也可在该系统中直观展示，从而帮助 培训对象更深刻理解严重事故的机理和进程。

如图3所示，本发明实施例的核电站严重事故培训方法，包括以下步骤：

S301：通过教控台单元插入严重事故序列至集成MAAP模型的服务器；

S302：通过服务器运行严重事故模型；

S303：通过主控室单元判断当前是否进入严重事故状态，并在进入严重事 故状态时，根据严重事故状态执行事故缓解措施；

S304：通过教控台单元观察学员操作过程，并供教员在特定状态下对主控 室单元提供支援。具体的，本发明实施例的特定状态包括但不限于：当学员操 作失误，教员可以暂停、冻结、回朔严重事故模型；或当运行的严重事故模型 需要多个主控室单元同时操作时，教控台单元可以临时充当主控室单元的角 色，对主控室单元提供支援。同时，教员可以对学员的操作进行评价。

具体的，以美国三里岛事故为例。首先在满功率状态下，教员在教控台单 元插入三里岛事故相关故障，模拟机进入严重事故状态下，主控室单元学员通 过操纵员站实时监视事故进程，并通过DCS系统(DigitalControlSystem， 数字化控制系统)执行事故缓解措施，教员在教控台单元实施监视学员操作， 并模拟作为后台支援部门支援给予主控室单元操纵员相关支援，并对学员进行 评价。

进一步的，服务器包括MAAP模型和全范围模拟机模型；

MAAP模型的模拟范围包括：堆芯、一回路冷却剂系统、蒸汽管线(到蒸 汽母管)、乏燃料池、燃料厂房、安全壳、放射性剂量中的一种或多种；

全范围模拟机模型的模拟范围包括：一回路辅助系统、二回路系统、专设 安全设施中的一种或多种。

再进一步的，MAAP模型包括RCS模型、安全壳模型、MAAP-DOSE模型。

具体的，对于RCS模型，在MAAP程序中RCS流体包括蒸汽、水、熔融物、 氢气其它不可凝气体；流道包括管道、波动管、贯穿管和释放阀。程序对每个 控制容积独立求解质量守恒和能量守恒方程，这些方程是集总参数型、非线性、 耦合的常微分方程组。

对于安全壳模型，用户可以自己划分安全壳节点，以每个隔间中水和气的 质量和能量，程序计算出热力学特性，然后计算隔间之间气和水的流动，与内 部和边界热阱之间的热交换，冷凝与汽化等现象。

程序还模拟了安全壳内专设安全设施，包括喷淋、冷却风扇、热交换器、 以及氢气点火器和复合器。常闭流道用来表示安全壳的薄弱环节，在用户定义 的条件下失效，安全壳的泄漏采用常开流道来模拟。

对于MAAP-DOSE模型，MAAP-DOSE是MAAP用于放射性后果评估的子程序， 能即时地将MAAP计算的裂变产物释放转化为辐射剂量，可以计算MAAP所包含 的剂量和剂量率以及辅助设施的节点，也可以计算在释放点规定距离处的厂区 外的剂量和剂量率。

可以理解的，以上实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具 体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制；应当指出的是， 对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，可以对上述 技术特点进行自由组合，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保 护范围；因此，凡跟本发明权利要求范围所做的等同变换与修饰，均应属于本 发明权利要求的涵盖范围。