馬文君，宋亞峰，吳健蕾，夏 釗，辛 超

（核工業(yè)計算機(jī)應(yīng)用研究所，北京 100048）

壓水堆核電廠堆芯換料模式研究及管理系統(tǒng)實現(xiàn)

馬文君，宋亞峰，吳健蕾，夏 釗，辛 超

（核工業(yè)計算機(jī)應(yīng)用研究所，北京 100048）

壓水堆堆芯換料系統(tǒng)是壓水堆核電廠普遍采用的核燃料組件管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過直觀的圖形化界面向燃料管理員展示核燃料廠房裝載情況，并通過優(yōu)化的算法生成堆芯換料組件移動步序，打印出組件移動單，用于現(xiàn)場實施。文章介紹了堆芯換料業(yè)務(wù)流程以及信息系統(tǒng)實現(xiàn)方案。

燃料組件；換料；大修；相關(guān)組件倒換

堆芯換料是壓水堆核電廠機(jī)組大修過程中的重要環(huán)節(jié)，組件移動方案是否做到合理與優(yōu)化將直接影響到燃料組件操作的安全性與高效性，同時對大修工期產(chǎn)生影響，會進(jìn)一步影響到核電廠的經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)測算，百萬千瓦級機(jī)組滿功率運轉(zhuǎn)一天的發(fā)電量可創(chuàng)造上千萬元的產(chǎn)值。隨著國家核電事業(yè)的快速發(fā)展，核電廠將面臨一位燃料管理員同時管理多臺機(jī)組，解決換料組件移動方案的編制將成為一個的新問題。

目前，我國在核電廠堆芯換料管理領(lǐng)域存在多個版本的軟件系統(tǒng)，如田灣核電廠曾采用的中國核動力研究設(shè)計院開發(fā)的核燃料管理系統(tǒng)，因田灣核電機(jī)組堆芯結(jié)構(gòu)及換料模式的特殊性，該系統(tǒng)在其他核電廠的推廣尚待商榷，其他部分核電廠早期采用簡單的軟件開發(fā)工具自行研發(fā)了換料輔助系統(tǒng)，如Excel VBA、FoxPro等，能在一定程度上滿足需求，但不成體系。國外同行在此領(lǐng)域也有相關(guān)支持系統(tǒng)，如西屋的TracWork燃料管理模塊，但無法很好地生成裝卸料組件移動步序。

為適應(yīng)核電廠精細(xì)化管理的需求，解決新形勢下壓水堆反應(yīng)堆換料問題，核工業(yè)計算機(jī)應(yīng)用研究所自主研發(fā)了“壓水堆堆芯換料系統(tǒng)”（簡稱N1-NMS），該系統(tǒng)作為核電堆芯換料輔助系統(tǒng)，借助圖形化的表現(xiàn)形式，通過優(yōu)化的算法及合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了核電堆芯換料組件移動方案的編制，以信息化的管理手段為燃料組件操作提供科學(xué)指導(dǎo)。

經(jīng)過多年的驗證及升級改造，N1-NMS系統(tǒng)已在我國多家核電廠投入使用，目前在國內(nèi)外同類產(chǎn)品中已處于領(lǐng)先地位。

1 業(yè)務(wù)分析

通常，一個壓水堆核電機(jī)組包括3個燃料廠房：堆芯、乏燃料水池和新燃料間。在機(jī)組大修前，設(shè)計院根據(jù)堆芯歷史運行情況為核電廠設(shè)計新循環(huán)堆芯設(shè)計圖，作為本次機(jī)組大修的堆芯換料目標(biāo)。在進(jìn)行堆芯實際換料操作前，燃料管理員需制定換料期間的所有燃料組件及相關(guān)組件移動方案，主要包括：卸料、相關(guān)組件倒換以及裝料，本方案經(jīng)過編校審批，打印出組件移動單及移動順序表，作為換料期間組件移動操作的依據(jù)。

以秦山核電有限公司1號機(jī)組為例，反應(yīng)堆共121個格架，正常堆芯換料需進(jìn)行400步左右的組件移動步序。一名經(jīng)驗豐富的燃料管理員需花費兩周左右的時間完成一套機(jī)組大修組件移動方案，當(dāng)一人負(fù)責(zé)多個機(jī)組燃料管理工作時，這將是一項繁重的工作。

燃料組件移動步序是否優(yōu)化直接影響到大修工期，如相關(guān)組件倒換過程中減少一次相關(guān)組件抓取工具更換即可節(jié)省2 h的大修工期，產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

當(dāng)前，大多數(shù)核電廠規(guī)劃建設(shè)多臺機(jī)組，隨著機(jī)組運行，組件數(shù)量不斷增加，組件歷史數(shù)據(jù)量越來越大，組件的管理及歷史使用信息的挖掘也將是一個挑戰(zhàn)。

因此，迫切需要一套完善的信息系統(tǒng)，來實現(xiàn)以下3個方面的組件管理需求：

1）快速制定堆芯換料組件移動方案，提高工作效率，減少人力成本；

2）編制優(yōu)化合理的組件移動方案，提高組件移動操作安全性與高效性；

3）記錄并整合組件運行數(shù)據(jù)，形成組件數(shù)據(jù)庫，為燃料組件管理提供決策支持。

2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)用規(guī)范的軟件工程學(xué)原理，過程主要包括：業(yè)務(wù)建模、系統(tǒng)功能設(shè)計、系統(tǒng)實現(xiàn)。

2.1 業(yè)務(wù)建模

根據(jù)核電機(jī)組堆芯換料業(yè)務(wù)流程，N1-NMS系統(tǒng)將壓水堆核電機(jī)組堆芯換料業(yè)務(wù)抽象，形成如圖1所示業(yè)務(wù)模型。

本模型分3個環(huán)節(jié)：方案準(zhǔn)備、方案驗證以及方案實施。

方案準(zhǔn)備階段編制堆芯換料期間組件移動方案，燃料管理員從設(shè)計院接收新循環(huán)堆芯設(shè)計，確定新循環(huán)堆芯燃料組件裝載方案，作為本環(huán)節(jié)的關(guān)鍵輸入數(shù)據(jù)，后續(xù)堆芯換料組件移動以此為目標(biāo)。根據(jù)堆芯設(shè)計圖，可確定新循環(huán)的新燃料組件的富集度及需求量，即可從燃料生產(chǎn)廠采購、接收新燃料組件，然后進(jìn)行一系列大修換料的組件移動步序設(shè)計，主要包括：卸料順序表、相關(guān)組件倒換順序表、裝料順序表定義。

在系統(tǒng)中，燃料組件移動順序表大部分都由系統(tǒng)自動生成，用戶只需進(jìn)行必要的準(zhǔn)備數(shù)據(jù)輸入即可。在卸料順序表生成前，用戶需確定卸料順序、確定新循環(huán)回堆組件的乏燃料池（簡稱乏池）卸料位置以及新循環(huán)不回堆組件乏池卸料位置，其中新循環(huán)堆組件將直接卸到該組件在新循環(huán)的裝料位置。

相關(guān)組件倒換順序表生成前，則需定義相關(guān)組件類型分布；定義了堆芯設(shè)計圖、裝料順序、裝料位置對應(yīng)乏燃料池圖等模塊，系統(tǒng)即可自動生成裝料順序表。各模塊之間有嚴(yán)格的流程控制，環(huán)環(huán)相扣，最大程度地避免系統(tǒng)操作失誤的產(chǎn)生。同時，為節(jié)省組件操作工期，系統(tǒng)自動生成的組件移動方案經(jīng)過高度優(yōu)化。

圖1 壓水堆核電機(jī)組堆芯換料業(yè)務(wù)模型Fig.1 Business model of PWR in-core refueling

組件移動方案準(zhǔn)備完成后，即可進(jìn)入方案驗證環(huán)節(jié)，可根據(jù)組件移動方案進(jìn)行動畫模擬，從而驗證組件移動的合理性，必要時進(jìn)入方案維護(hù)模塊進(jìn)行調(diào)整，確保組件移動方案準(zhǔn)確、合理。最后打印出移動單及移動順序表，作為現(xiàn)場燃料組件移動操作依據(jù)。

在大修期間，燃料操作員根據(jù)組件移動單及移動順序表進(jìn)行堆芯換料操作。在公司局域網(wǎng)內(nèi)，可查看堆芯換料實時進(jìn)度。

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

根據(jù)堆芯換料業(yè)務(wù)模型，N1-NMS系統(tǒng)功能設(shè)計嚴(yán)謹(jǐn)，各模塊有嚴(yán)格的流程控制、權(quán)限控制，并記錄詳細(xì)的操作日志。功能模塊包括：燃料組件管理、相關(guān)組件管理、機(jī)組大修管理、機(jī)組循環(huán)管理、燃料廠房管理以及其他相關(guān)模塊。系統(tǒng)主界面將系統(tǒng)功能進(jìn)行有機(jī)的組合，用戶可在主界面中方便找到各模塊入口；同時，用戶通過系統(tǒng)主界面可掌握堆芯裝卸料以及燃料組件使用的基本情況。

2.2.1 卸料順序表定義

壓水堆核電機(jī)組堆芯換料以裝料為中心，即首先確定裝料順序以及乏池內(nèi)的裝料位置，在卸料時將回堆組件直接卸到乏池相應(yīng)的裝料位置上，由此，燃料管理員可整齊的布局乏池內(nèi)的裝料起始位置。假設(shè)堆芯大修換料是上循環(huán)為N循環(huán)，則新循環(huán)為N+1循環(huán)。N循環(huán)堆芯卸料時，組件分兩類：N+1循環(huán)不回堆組件（即乏燃料）和N+1循環(huán)回堆組件，系統(tǒng)自動比較N+1循環(huán)堆芯設(shè)計圖和N循環(huán)堆芯裝載圖，即可篩選出回堆組件和不回堆組件。用戶定義完成“卸料順序”以及“乏料卸料位置”，系統(tǒng)即可自動生成乏料的卸料順序表；用戶定義完成“裝料順序”及“裝料位置對應(yīng)乏池圖”，系統(tǒng)即可自動生成回堆組件的卸料順序表，最終形成完整的N循環(huán)堆芯組件卸料順序表，如圖2所示。

圖2 堆芯卸料順序表生成算法Fig.2 Algorithm of core unfueling sequence

2.2.2 相關(guān)組件倒換順序表定義

堆芯設(shè)計圖定義了新循環(huán)堆芯的燃料組件裝載方案；同時，每個燃料組件還需配插相關(guān)組件，反應(yīng)堆對相關(guān)組件類型分布也有嚴(yán)格的要求。

新燃料接收貯存和卸料工作完成后，準(zhǔn)備入堆的燃料組件及相關(guān)組件已貯存于乏燃料水池。為確保在相關(guān)組件跟隨燃料組件裝入堆芯后，滿足堆芯相關(guān)組件類型分布要求，需在乏燃料水池內(nèi)進(jìn)行相關(guān)組件倒換。相關(guān)組件倒換需滿足以下原則：

1）更換相關(guān)組件抓取工具次數(shù)最少；

2）相關(guān)組件倒換次數(shù)最少；

3）相關(guān)組件倒換移動距離最優(yōu)，即移動距離最短，且同行或者同列方案優(yōu)先。

系統(tǒng)可全自動生成整套相關(guān)組件倒換步序，生成算法中，首先考慮相關(guān)組件抓取工具更換次數(shù)最少，采用如下倒換流程：

1）倒換裝料位置上的阻力塞；

2）倒換控制棒；

3）倒換中子源；

4）倒換沒倒換完成的阻力塞。

以上流程同時也兼顧了第2）條倒換原則。

最后考慮組件倒換移動距離最優(yōu)，以需要倒換的相關(guān)組件為中心，在裝料位置中向外逐圈搜索，優(yōu)先考慮與起始位置同行或者同列的位置，直到找到合適的燃料組件為止。

圖3為卸料后乏燃料水池裝載圖，紅顏色背景格架為裝料區(qū)域，每個格架顯示三行文字，第一行為相關(guān)組件編號，第二行為跟隨燃料組件裝入反應(yīng)堆的目標(biāo)相關(guān)組件類型，第三行為該位置當(dāng)前的相關(guān)組件類型。由此可見，若第二行與第三行相關(guān)組件類型不符，則該位置相關(guān)組件需要倒換。以位置H25為例，該位置相關(guān)組件類型不符合要求，需要倒換，則以該位置為中心，向外尋找，最終找到與其同列的合適位置J25，系統(tǒng)自動生成一條相關(guān)組件倒換步序，將相關(guān)組件F24AA1Y0J從H25倒換至J25。

同時，系統(tǒng)也支持手工方式生成倒換步序，在乏燃料水池裝載圖中手工拖拽相關(guān)組件即可。

圖3 堆芯裝料進(jìn)度圖Fig.3 Core fueling progress

2.2.3 方案模擬

換料組件移動步序編制完成后，可根據(jù)組件移動計劃步序進(jìn)行動畫模擬驗證，以確保堆芯換料組件移動計劃步序的準(zhǔn)確性。

核電廠機(jī)組大修期間，公司全體員工可在公司局域網(wǎng)內(nèi)訪問堆芯裝卸料實時進(jìn)度。圖3為堆芯裝料到第88步時的堆芯裝載截圖。

2.3 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)采用三層架構(gòu)，如圖4所示，數(shù)據(jù)訪問層、業(yè)務(wù)邏輯層、界面展示層，層與層之間松耦合，即任何一層都可單獨使用。

數(shù)據(jù)訪問層：實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫與業(yè)務(wù)對象的完美映射，向業(yè)務(wù)層開發(fā)人員提供接口，業(yè)務(wù)層無需關(guān)心數(shù)據(jù)如何存儲，只需修改映射文件，系統(tǒng)即可在Sql Server與Oracle數(shù)據(jù)庫之間快速切換；

圖4 軟件系統(tǒng)架構(gòu)Fig.4 Software system architecture

業(yè)務(wù)邏輯層：根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯設(shè)計合理的、可擴(kuò)展的業(yè)務(wù)模型，實現(xiàn)換料組件移動方案生成的復(fù)雜算法，向界面層提供接口；

象形居于首位，有其一定的道理。關(guān)于漢字的起源，我國古典文獻(xiàn)記錄了大量的內(nèi)容，有對前文字時期的記錄，這里先不論。而關(guān)于創(chuàng)造文字本身的記錄，從中我們可以發(fā)現(xiàn)漢字的雛形，東漢許慎《說文解字·敘》中“黃帝之史倉頡，見鳥獸蹄迒之跡，指分理之可相別異也，初造書契?！庇钟杏涗洝皞}頡之初作書，蓋依類象形?！睗h字在產(chǎn)生之初，就屬于象形字，所以，造字“六書”之首為象形有其道理。

界面展示層：以圖形、動畫的形式向用戶展示真實的燃料廠房裝載圖。

2.3.2 人機(jī)交互

核電燃料組件移動是一項嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ?，系統(tǒng)向用戶模擬真實的燃料廠房裝載圖，用戶可在圖形上進(jìn)行燃料組件操作、查詢，如圖5所示。

圖5中描述了乏燃料水池的裝載圖，圖形可無極限矢量縮放。每個燃料格架可顯示3行文字信息，且可配置，可選信息包括：燃料組件編號、富集度、燃料組件類型、燃耗、入堆次數(shù)、相關(guān)組件編號、類型等。每行文字配置文字顏色，每個格架又可配置背景顏色，顏色方案包括：富集度、相關(guān)組件類型、燃耗等。

系統(tǒng)采用圖形技術(shù)實現(xiàn)如下功能：

1）當(dāng)前或歷史的廠房裝載圖查詢；

2）廠房中燃料組件或相關(guān)組件查找定位；

3）臨時組件移動計劃的編制，即用戶可鼠標(biāo)拖拽移動燃料組件或相關(guān)組件，即可生成組件移動計劃，打印出移動單；

4）換料方案的模擬；

5）換料方案實施。

圖5 燃料廠房圖Fig.5 The fuel building

2.3.3 關(guān)鍵技術(shù)

系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境采用微軟Visual Studio 2010，確保開發(fā)過程的高效、靈活；采用微軟最新的WPF（Windows Presentation Foundation）作為UI工具，得以方便地實現(xiàn)直觀的燃料廠房裝載圖以及動畫模擬等功能；采用MVC（模型model－視圖view－控制器controller）作為系統(tǒng)開發(fā)基礎(chǔ)框架，實現(xiàn)視圖層、業(yè)務(wù)層以及數(shù)據(jù)層之間的低耦合；采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想，實現(xiàn)系統(tǒng)高度的重用性、靈活性和擴(kuò)展性，核心對象模型貫穿整個技術(shù)架構(gòu)；同時采用多種成熟組件，如：NHibrnate、Linq、Log4Net等，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性及可移植性。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

目前，N1-NMS系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)大部分已運行及將要運行核電機(jī)組，系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用促進(jìn)了各核電廠之間的核燃料管理業(yè)務(wù)交流。系統(tǒng)整合了各核電核燃料管理專家的燃料組件管理思路，實現(xiàn)了壓水堆核電廠燃料管理的標(biāo)準(zhǔn)化。

經(jīng)實際環(huán)境驗證，系統(tǒng)的應(yīng)用大大提升了燃料管理效率，采用本系統(tǒng)，燃料管理員則可輕松地在2 h內(nèi)生成一整套高效的機(jī)組堆芯換料方案。

在系統(tǒng)中采用多種手段驗證方案的安全性、高效性，如堆芯換料組件移動方案模擬，生成相關(guān)組件倒換順序表時抓取工具更換次數(shù)最少，倒換路徑最優(yōu)等。

各核電廠系統(tǒng)運行過程中，積累了完整的燃料組件活動數(shù)據(jù)，形成燃料組件數(shù)據(jù)庫，為核電燃料管理工作提供有效的數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié)束語

N1-NMS系統(tǒng)有效的實現(xiàn)了壓水堆核電廠堆芯換料業(yè)務(wù)需求，并進(jìn)一步優(yōu)化了燃料管理流程。采用先進(jìn)的架構(gòu)與信息技術(shù)，通過友好的人機(jī)交互界面，提升了核電燃料管理工作效率，并且在一定程度上縮短了機(jī)組大修工期，提高了經(jīng)濟(jì)效益。同時，系統(tǒng)記錄了燃料組件在核電廠范圍內(nèi)的一切活動，形成了完整的燃料組件數(shù)據(jù)庫。因此，該系統(tǒng)在壓水堆核電廠可用于堆芯換料管理以及新員工燃料管理培訓(xùn)方面，具有實用價值。

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Study and Implementation of Pressurized Water Reactor Refueling Mode and Management System

MA Wen-jun，SONG Ya-feng，WU Jian-lei，XIA Zhao，XIN Chao
(Computer Application Institute of Nuclear Industry，Beijing 100048，China)

Pressurized water reactor refueling system is widely used by PWR nuclear power plant，the system shows intuitive graphical interface to the fuel operator and generates fuel assembly moving steps for reactor refueling by optimized algorithms, prints out the report of assembly moving steps for the implementation of assembly movement. This article describes the refueling business processes and implementation of information system.

fuel assembly；refueling；overhaul；relevant exchange of assembly

TM623Article character：A

：1674-1617(2014)04-0372-06

TM623

：A

：1674-1617(2014)04-0372-06

2014-05-30

馬文君（1982—），男，江蘇人，工程師，本科，從事核電信息化建設(shè)工作。