核電廠嚴重事故關(guān)鍵仿真模型及耦合技術(shù)研究
發(fā)布時間:2020-05-18 16:21
【摘要】:日本福島核事故后,核電廠嚴重事故的研究再次成為核工業(yè)界關(guān)注的焦點,一方面在設(shè)計上有針對性的推動實施嚴重事故預(yù)防和緩解措施,另一方面在核電廠運行上推行“狀態(tài)導向的事故規(guī)程”以及“嚴重事故管理導則”的開發(fā)和應(yīng)用。在設(shè)計上的研究主要通過理論和實驗相結(jié)合的方法,其直接的工具是“嚴重事故分析軟件”。在運行管理上,事故規(guī)程和管理導則的開發(fā)及驗證不僅基于軟件分析的結(jié)果,還要求經(jīng)過專門的“嚴重事故模擬機”的驗證,確保規(guī)程和導則的全面合理可行。“嚴重事故模擬機”的核心軟件是“嚴重事故仿真軟件”。因此嚴重事故軟件工具的研究開發(fā)是核工業(yè)進行嚴重事故相關(guān)設(shè)計和運行管理的基礎(chǔ)。目前我國的嚴重事故軟件主要依靠從歐美引進。在我國從核電大國邁向核電強國的征途上,特別是我國實施核電“走出去”戰(zhàn)略后,包括嚴重事故軟件在內(nèi)的基礎(chǔ)軟件的自主化成為我們必須解決的問題。中國核工業(yè)集團公司“核電軟件自主化專項”正是在這個背景下開展的。本論文研究的課題作為“核電軟件自主化專項”的組成部分,其目的首先是解決嚴重事故模擬機的關(guān)鍵基礎(chǔ)軟件即“嚴重事故仿真軟件”,其次是通過嚴重事故仿真軟件的研究,為后續(xù)“嚴重事故分析軟件”奠定基礎(chǔ)!皣乐厥鹿史抡孳浖焙汀皣乐厥鹿史治鲕浖毕啾,均要求模型的真實可信,要求能夠描述嚴重事故進程中的主要物理過程。不同之處在于,嚴重事故分析軟件是通過不斷的理論研究和實驗研究開發(fā)和改進的,而嚴重事故仿真軟件的開發(fā)方法主要偏重于理論研究,同時允許在不違背基本物理原理前提下,可以通過借鑒、簡化“分析軟件”模型的方法進行開發(fā)。嚴重事故仿真軟件的應(yīng)用對象是嚴重事故模擬機,還必須解決嚴重事故軟件與模擬機中原有堆芯物理物理軟件、熱工水力軟件以及安全殼軟件的實時耦合計算問題。本文研究開發(fā)的嚴重事故仿真軟件SimSA就是通過關(guān)鍵理論模型的研究,并通過借鑒國際上先進的嚴重事故分析軟件的物理模型進行開發(fā)的,同時重點解決了嚴重事故仿真軟件與其它軟件的耦合問題。首先,對嚴重事故仿真系統(tǒng)的實施方案進行了研究,對比分析了國際上兩種常用方案的優(yōu)劣,提出了基于實際使用效果及技術(shù)自主研發(fā)方面考慮,應(yīng)該采用開發(fā)嚴重事故仿真軟件的方案。隨后對嚴重事故仿真軟件的架構(gòu)進行了設(shè)計,并確定了其開發(fā)范圍。其次,參考國際上成熟的嚴重事故分析軟件(MAAP及SCDAP)的理論模型,考慮模擬機實時計算的要求,重點對模型數(shù)值算法進行了研究。結(jié)合算法研究給出了各控制模型的數(shù)值求解方法,開發(fā)了一套的描述輕水堆嚴重事故關(guān)鍵過程的仿真模型,包括堆內(nèi)過程:1)鋯-水反應(yīng)模型;2)二氧化鈾與鋯的共晶作用模型;3)堆芯熔化損毀過程模型;4)熔融物再定位及支撐板失效過程模型;5)下封頭熔池行為模型。堆外過程:堆芯熔融物與混凝土相互作用過程模型。并參考相關(guān)實驗數(shù)據(jù)或其它公認的成熟模型對仿真模型進行了對比驗證。再次,對程序集成及耦合技術(shù)進行了深入研究,給出了堆芯行為模型與主系統(tǒng)熱工水力模型耦合計算的解決方案,解決了嚴重事故階段熱工水力過程計算與堆芯行為計算的耦合問題,完成了對堆內(nèi)嚴重事故過程的完整模擬。再通過研究變步長多程序同步計算技術(shù),提出了基于時域控制技術(shù)的同步計算解決方案,使得SimSA各程序模塊在不犧牲計算精度的情況下,完成了多模塊的同步協(xié)同計算。最終形成了能夠模擬堆內(nèi)、堆外完整嚴重事故過程的嚴重事故仿真計算程序SimSA。然后,在SimSA程序的整體驗證環(huán)節(jié),考慮SimSA并不是一個獨立運行的程序,其運行環(huán)境高度依賴與模擬機的集成,為了確保驗證環(huán)境的一致性,對MAAP5與模擬機集成技術(shù)進行了研究,開發(fā)了一套基于MAAP5與模擬機集成的嚴重事故驗證環(huán)境。該驗證環(huán)境的開發(fā)得到了MAAP軟件所有者美國電力科學研究院(EPRI)的技術(shù)支持,相關(guān)集成技術(shù)得到廣泛驗證,驗證系統(tǒng)準確可靠。最后,以中核集團二代改進型核電機組CP1000為研究對象,收集相關(guān)數(shù)據(jù)分別基于SimSA及MAAP5建立了CP1000核電機組的電廠模型,通過對比計算,驗證SimSA的整體性能。驗證結(jié)果表明SimSA能夠模擬嚴重事故的主要過程,其模擬范圍及計算性能可以滿足嚴重事故仿真的要求。目前,SimSA程序已經(jīng)應(yīng)用到福清、方家山以及海南昌江等多臺全范圍模擬機嚴重事故仿真功能升級項目以及中國核電工程公司華龍一號設(shè)計驗證平臺開發(fā)項目中,負責嚴重事故過程的實時模擬,協(xié)助進行嚴重事故管理導則的培訓、演練及驗證工作。
【圖文】:
核電廠由于其技術(shù)復雜、難度高以及涉及到核安全的特點,,其運行和維護對人員資格和能力的要求也比較高。核電站必須有稱職的工作人員按照設(shè)計標準和規(guī)范進行運行和維護,這些人員必須認真挑選、適當培訓并具備合格的條件。根據(jù)國際慣例和國家核安全法規(guī)的要求,核電站操縱員必須持有國家核安全局頒發(fā)的運行執(zhí)照,而取得相應(yīng)的執(zhí)照必須通過核電站全范圍仿真機的學習、培訓和考試[75~78]。核電站仿真機是提高運行技術(shù)支持人員專業(yè)水平的非常有效的培訓工具,也是進行電站運行分析的有效技術(shù)手段,因此目前所有的核電站都設(shè)置有專門的培訓中心,全范圍仿真機、原理性仿真機等專用仿真培訓系統(tǒng),成為必不可少的培訓設(shè)施。然而現(xiàn)有的核電廠全范圍仿真機、原理性仿真機等都不包含嚴重事故相關(guān)的仿真模型,因而無法進行嚴重事故模擬,也就無法提供嚴重事故相關(guān)的培訓、演練以及驗證功能。為了彌補這個不足,一般在傳統(tǒng)全范圍模擬機的基礎(chǔ)上通過集成嚴重事故仿真模塊,完成對嚴重事故模擬功能的擴充,形成能夠模擬從正常運行到設(shè)計基準事故再到嚴重事故的全工況模擬系統(tǒng),這個能夠模擬嚴重事故的全工況模擬系統(tǒng)也叫做核電廠嚴重事故仿真系統(tǒng)。一般結(jié)構(gòu)如圖 2.1 所示:
仿真系統(tǒng)通過在傳統(tǒng)全范圍仿真機上集成嚴重事充,進而完成對核電廠嚴重事故的仿真模擬,其廠從正常運行到設(shè)計基準事故再到嚴重事故的全及其他核安全相關(guān)人員了解核電廠嚴重事故過程練提供逼真的事故場景,使得核應(yīng)急演練更具針練的效果,進而提升核電廠人員應(yīng)急處置的能力操作界面及完整的系統(tǒng)模型,可以用來進行嚴重正確性及干預(yù)措施的有效性。事故仿真系統(tǒng)的構(gòu)成仿真系統(tǒng)的構(gòu)成主要由兩種方案:1)直接采用故仿真模型與模擬機進行集成;2)在全范圍模嚴重事故過程模型,實現(xiàn)對嚴重事故仿真功能的
【學位授予單位】:哈爾濱工程大學
【學位級別】:博士
【學位授予年份】:2018
【分類號】:TM623.8
【圖文】:
核電廠由于其技術(shù)復雜、難度高以及涉及到核安全的特點,,其運行和維護對人員資格和能力的要求也比較高。核電站必須有稱職的工作人員按照設(shè)計標準和規(guī)范進行運行和維護,這些人員必須認真挑選、適當培訓并具備合格的條件。根據(jù)國際慣例和國家核安全法規(guī)的要求,核電站操縱員必須持有國家核安全局頒發(fā)的運行執(zhí)照,而取得相應(yīng)的執(zhí)照必須通過核電站全范圍仿真機的學習、培訓和考試[75~78]。核電站仿真機是提高運行技術(shù)支持人員專業(yè)水平的非常有效的培訓工具,也是進行電站運行分析的有效技術(shù)手段,因此目前所有的核電站都設(shè)置有專門的培訓中心,全范圍仿真機、原理性仿真機等專用仿真培訓系統(tǒng),成為必不可少的培訓設(shè)施。然而現(xiàn)有的核電廠全范圍仿真機、原理性仿真機等都不包含嚴重事故相關(guān)的仿真模型,因而無法進行嚴重事故模擬,也就無法提供嚴重事故相關(guān)的培訓、演練以及驗證功能。為了彌補這個不足,一般在傳統(tǒng)全范圍模擬機的基礎(chǔ)上通過集成嚴重事故仿真模塊,完成對嚴重事故模擬功能的擴充,形成能夠模擬從正常運行到設(shè)計基準事故再到嚴重事故的全工況模擬系統(tǒng),這個能夠模擬嚴重事故的全工況模擬系統(tǒng)也叫做核電廠嚴重事故仿真系統(tǒng)。一般結(jié)構(gòu)如圖 2.1 所示:
仿真系統(tǒng)通過在傳統(tǒng)全范圍仿真機上集成嚴重事充,進而完成對核電廠嚴重事故的仿真模擬,其廠從正常運行到設(shè)計基準事故再到嚴重事故的全及其他核安全相關(guān)人員了解核電廠嚴重事故過程練提供逼真的事故場景,使得核應(yīng)急演練更具針練的效果,進而提升核電廠人員應(yīng)急處置的能力操作界面及完整的系統(tǒng)模型,可以用來進行嚴重正確性及干預(yù)措施的有效性。事故仿真系統(tǒng)的構(gòu)成仿真系統(tǒng)的構(gòu)成主要由兩種方案:1)直接采用故仿真模型與模擬機進行集成;2)在全范圍模嚴重事故過程模型,實現(xiàn)對嚴重事故仿真功能的
【學位授予單位】:哈爾濱工程大學
【學位級別】:博士
【學位授予年份】:2018
【分類號】:TM623.8
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本文編號:2669987
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