反應堆模擬器

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更新時間: 2013-08-28

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反應堆模擬器 -簡介

  以計算機為基礎的工具,正在成為培訓計劃的基本組成部分。近年來,核工業界在提供更加廣泛的、以利用核反應堆模擬器為基礎的教育和培訓服務方面已經取得重大進展。
  IAEA正在通過自己的計劃,主持開發在個人電腦上運行的核反應堆模擬器,模擬一系列堆型對運行與事故工況的響應。這些模擬器為參與核能教學課題的高校教授和工程師提供了培訓工具,同時也直接提供給有意增加自己對該課題的理解的學生、初級工程師,以及高級工程師和科學家。機構安排這些模擬程序和培訓材料的供應或開發,發起培訓班和講習班,並分發文件和計算機程序。
反應堆模擬器 -歷程

  1997年以來,已經在奧地利維也納、埃及、沙烏地阿拉伯、大韓民國和義大利舉辦過10期IAEA講習班。總共向來自42個國家的181名以上的參加者提供了培訓,並分發了模擬器。
  模擬器培訓使參加者能夠非常熟練地運行模擬程序。顯然,把有關反應堆物理學和控制的講座和用模擬器考查這方面知識的機會結合起來,在保持參加者的興趣和傳授關於各種反應堆系統的操作特徵的知識方面,是極其有效的。在若干情況下,模擬器正在或即將被納入國家高校教學大綱或國家培訓班。
  本文介紹IAEA主持開發的模擬程序。現有4種不同的程序,適用於不同堆型,包括壓水堆(PWR)、沸水堆(BWR)和重水堆(HWR)。這些模擬程序的應用,限於提供所選定動力堆系統類型的通常響應特性。它們並不是為用於諸如設計、安全評價、許可證申請或運行者培訓等電站特定目的而開發的。
  以教室為基礎的先進反應堆示範器(CARD) 這是一套由加拿大航空電子有限公司(CAE)開發的核動力堆模擬器,簡稱CARD。它由PWR、BWR和HWR模擬器構成,在一般的個人電腦上運行。這些模擬器以基本原理為基礎,模擬到分立部件層面。控制邏輯以堆原理圖為基礎,並包括堆液壓迴路的動態模型。已用設計數據和設備數據對這些模擬器進行全面校準。
  CARD模擬器用彩色圖形顯示堆芯通量、溫度和空泡等數據,並顯示泵和閥等裝置的狀況。這3個反應堆模型每個都被稱為「CARD」。CARD包被用作示範器而非培訓模擬器。儘管CARD中使用的模型是CAE先進全尺寸模擬器的子模型,但這個包已被簡化成僅能示範從核蒸汽供應系統看到堆的一般行為所需的必要軟體,同時模擬這一系統的所有邊界,以提供整體動態響應。
  這些示範裝置的特點是使用CAE熱工水力模型和反應堆模型。示範裝置由反應堆和反應堆冷卻劑系統的完整中子和熱工水力模型組成。與鄰近系統的界面都被模擬,以提供真實的反饋。示範器用一個用戶友好的圖形人機界面來處理輸入,插入誤操作,並顯示各系統的行為。
  PWR的反應堆冷卻劑迴路的圖形屏幕顯示,由並連到反應堆壓力容器的4個熱傳遞迴路組成。
  每個迴路包括1台反應堆冷卻劑泵和1個蒸汽發生器。該系統包括1個穩壓器、1個穩壓器卸壓箱、互連管線、閥門和運行控制必需的儀器儀錶。
  先進反應堆模擬器 該模擬器由美國微模擬技術公司開發,在一般的個人電腦上運行。它模擬600 MWe範圍內的PWR、BWR和HWR。對PWR型式而言,模擬器包括西方設計的帶垂直倒U形彎管蒸汽發生器的堆,如前蘇聯設計的帶水平蒸汽發生器的堆,以及帶非能動安全設施的下一代PWR。
  該模擬器實時或加速運行,覆蓋核蒸汽供應系統、安全殼、控制系統和安全系統。能夠選擇故障和參數,以模擬每種堆型相關的正常和異常設計基準工況。還能模擬設計基準之外的工況。
  顯示器將可控制系統顯示為一些小的畫面,而主要部件則以圖像示出。穩壓器和蒸汽管線的電動卸壓調和安全閥、穩壓器噴淋閥和加熱器、主蒸汽隔離閥、汽輪機旁路(蒸汽排放)閥、給水閥和反應堆冷卻劑泵等部件都得到顯示。它們的狀況以彩色顯示,操作人員可用滑鼠選定目標實施動作(例如,按1個按鈕、啟動1台泵)加以控制。僅在輸入誤操作值、設定新的初始條件或輸入數據趨勢的範圍值時,才需要使用鍵盤。控制棒位置和動作都得到顯示。管線破裂在破裂位置以閃光顯示,泄漏流量以數字顯示。
  典型運行的第一步是選擇一套與各種功率、流量、壽期等條件相應的初始條件。運行中,模擬器動態地顯示反應堆工況,並且操作員能夠啟動覆蓋反應堆安全分析報告中(和某些情況下超出報告範圍)的所有類別的誤操作。每個故障的嚴重性、延遲和線性時間都被輸入。操作員能夠保護性地使汽輪機停機或反應堆停堆,並能控制顯示器中的閥或泵的狀態,使之接通(斷開)或發生部分故障。例如,操作員能夠越過應急堆芯冷卻系統泵的自動啟動而採用人工控制。
  根據每種反應堆的安全分析報告導出的一套故障及其嚴重性(如破裂尺寸)已編入程序,並且可以加以選擇。典型的故障包括:冷卻劑喪失;蒸汽管線破裂;給水喪失;以及斷流。
  反應堆保護系統和安全設施啟動系統的狀況也得到顯示。反應堆在超出任何反應堆保護系統設定值的條件下將自動實現保護停堆。相應的信號將變成紅色,並將插入所有的控制棒。
  隨著模擬的進行,可在屏幕上的「趨勢」圖中觀察輸出變數。模擬結束時,能夠列印出上述的圖。操作員能夠選擇將計算出的瞬態參數寫入輸出文件,以便進行詳細的模擬後分析。
  CANDU-9小型反應堆模擬器 該模擬器由仙后技術有限公司開發,有16個互動式顯示屏,顯示反應堆的各大系統、子系統和控制與安全系統。每個屏幕都在顯示畫面的頂部和底部標明堆的21項報警信號和通報信號、模擬器狀況、堆重大事件和參數。用戶和模擬器之間的交互作用通過監視器、滑鼠和顯示器聯合進行。控制板儀器儀錶和控制裝置,如按鈕和手動開關,以固定格式的圖顯示,通過為響應用戶輸入而設的專門彈出菜單和對話框進行操作。
  該模擬器採用的方法是以目標為導向,對反應堆正常運行工況和很多故障工況做出響應。當反應堆概觀得到顯示時,熱傳輸主迴路、壓力和存量控制系統顯示為單獨迴路。4台蒸汽發生器一一被模擬。反應性控制有單獨的顯示屏,顯示極限控制圖和處於反應堆調節系統控制下的3個反應性控制裝置的狀況。
  所有被模擬系統、單位功率調節器、堆通報信號系統和所有主要系統功能的計算機控制之間全部可以不斷地交互作用。
  VVER-1000小型計算機模擬器 這種模擬器由莫斯科國家工程物理研究院反應堆部開發。
  其工作分為3個主要階段:模擬階段的準備(配置),模擬器的運行,以及模擬結果的直觀化和分析。該模擬器有8個顯示主要技術系統的顯示屏,可模擬正常工況和涉及安全系統響應和設備故障的異常工況。
  該模擬器基於一個綜合軟體包,後者具有涵蓋模擬全套裝置的開發和運行的一套廣泛功能。
  該系統具有以下功能:以定製的格式存儲和顯示工作文件;自如地運行其他部件;配置模擬過程的方法簡便;以及存儲目標文件。
  燃料以三維模擬,並為堆芯冷卻劑提供均勻熱工水力學模型。中子動力學模型能夠以比實時快30 000倍的速度運行,這對於研究燃料燃耗和氙過程非常有用。
  另一個特點是有硼調節器模型。它對於長時期人工調節硼濃度非常有用。還可以在模擬器中斷開堆調節系統,並以人工模式運行。
  模擬器還提供一套監測程序,以評價學員使用模擬器的結果。□

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