壓水堆核電廠堆芯換料模式研究及管理系統實現

馬文君，宋亞峰，吳健蕾，夏 釗，辛 超

（核工業計算機應用研究所，北京 100048）

壓水堆核電廠堆芯換料模式研究及管理系統實現

馬文君，宋亞峰，吳健蕾，夏 釗，辛 超

（核工業計算機應用研究所，北京 100048）

壓水堆堆芯換料系統是壓水堆核電廠普遍采用的核燃料組件管理系統，該系統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，用于現場實施。文章介紹了堆芯換料業務流程以及信息系統實現方案。

燃料組件；換料；大修；相關組件倒換

堆芯換料是壓水堆核電廠機組大修過程中的重要環節，組件移動方案是否做到合理與優化將直接影響到燃料組件操作的安全性與高效性，同時對大修工期產生影響，會進一步影響到核電廠的經濟效益。據測算，百萬千瓦級機組滿功率運轉一天的發電量可創造上千萬元的產值。隨著國家核電事業的快速發展，核電廠將面臨一位燃料管理員同時管理多臺機組，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域存在多個版本的軟件系統，如田灣核電廠曾采用的中國核動力研究設計院開發的核燃料管理系統，因田灣核電機組堆芯結構及換料模式的特殊性，該系統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工具自行研發了換料輔助系統，如Excel VBA、FoxPro等，能在一定程度上滿足需求，但不成體系。國外同行在此領域也有相關支持系統，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。

為適應核電廠精細化管理的需求，解決新形勢下壓水堆反應堆換料問題，核工業計算機應用研究所自主研發了“壓水堆堆芯換料系統”（簡稱N1-NMS），該系統作為核電堆芯換料輔助系統，借助圖形化的表現形式，通過優化的算法及合理的數據結構實現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指導。

經過多年的驗證及升級改造，N1-NMS系統已在我國多家核電廠投入使用，目前在國內外同類產品中已處于領先地位。

1 業務分析

通常，一個壓水堆核電機組包括3個燃料廠房：堆芯、乏燃料水池和新燃料間。在機組大修前，設計院根據堆芯歷史運行情況為核電廠設計新循環堆芯設計圖，作為本次機組大修的堆芯換料目標。在進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組件移動方案，主要包括：卸料、相關組件倒換以及裝料，本方案經過編校審批，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。

以秦山核電有限公司1號機組為例，反應堆共121個格架，正常堆芯換料需進行400步左右的組件移動步序。一名經驗豐富的燃料管理員需花費兩周左右的時間完成一套機組大修組件移動方案，當一人負責多個機組燃料管理工作時，這將是一項繁重的工作。

燃料組件移動步序是否優化直接影響到大修工期，如相關組件倒換過程中減少一次相關組件抓取工具更換即可節省2 h的大修工期，產生可觀的經濟效益。

當前，大多數核電廠規劃建設多臺機組，隨著機組運行，組件數量不斷增加，組件歷史數據量越來越大，組件的管理及歷史使用信息的挖掘也將是一個挑戰。

因此，迫切需要一套完善的信息系統，來實現以下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據，形成組件數據庫，為燃料組件管理提供決策支持。

2 系統設計與實現

系統建設應用規范的軟件工程學原理，過程主要包括：業務建模、系統功能設計、系統實現。

2.1 業務建模

根據核電機組堆芯換料業務流程，N1-NMS系統將壓水堆核電機組堆芯換料業務抽象，形成如圖1所示業務模型。

本模型分3個環節：方案準備、方案驗證以及方案實施。

方案準備階段編制堆芯換料期間組件移動方案，燃料管理員從設計院接收新循環堆芯設計，確定新循環堆芯燃料組件裝載方案，作為本環節的關鍵輸入數據，后續堆芯換料組件移動以此為目標。根據堆芯設計圖，可確定新循環的新燃料組件的富集度及需求量，即可從燃料生產廠采購、接收新燃料組件，然后進行一系列大修換料的組件移動步序設計，主要包括：卸料順序表、相關組件倒換順序表、裝料順序表定義。

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

相關組件倒換順序表生成前，則需定義相關組件類型分布；定義了堆芯設計圖、裝料順序、裝料位置對應乏燃料池圖等模塊，系統即可自動生成裝料順序表。各模塊之間有嚴格的流程控制，環環相扣，最大程度地避免系統操作失誤的產生。同時，為節省組件操作工期，系統自動生成的組件移動方案經過高度優化。

圖1 壓水堆核電機組堆芯換料業務模型Fig.1 Business model of PWR in-core refueling

組件移動方案準備完成后，即可進入方案驗證環節，可根據組件移動方案進行動畫模擬，從而驗證組件移動的合理性，必要時進入方案維護模塊進行調整，確保組件移動方案準確、合理。最后打印出移動單及移動順序表，作為現場燃料組件移動操作依據。

在大修期間，燃料操作員根據組件移動單及移動順序表進行堆芯換料操作。在公司局域網內，可查看堆芯換料實時進度。

2.2 系統功能設計

根據堆芯換料業務模型，N1-NMS系統功能設計嚴謹，各模塊有嚴格的流程控制、權限控制，并記錄詳細的操作日志。功能模塊包括：燃料組件管理、相關組件管理、機組大修管理、機組循環管理、燃料廠房管理以及其他相關模塊。系統主界面將系統功能進行有機的組合，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的裝料位置，在卸料時將回堆組件直接卸到乏池相應的裝料位置上，由此，燃料管理員可整齊的布局乏池內的裝料起始位置。假設堆芯大修換料是上循環為N循環，則新循環為N+1循環。N循環堆芯卸料時，組件分兩類：N+1循環不回堆組件（即乏燃料）和N+1循環回堆組件，系統自動比較N+1循環堆芯設計圖和N循環堆芯裝載圖，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“裝料位置對應乏池圖”，系統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 相關組件倒換順序表定義

堆芯設計圖定義了新循環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組件，反應堆對相關組件類型分布也有嚴格的要求。

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

1）更換相關組件抓取工具次數最少；

2）相關組件倒換次數最少；

3）相關組件倒換移動距離最優，即移動距離最短，且同行或者同列方案優先。

系統可全自動生成整套相關組件倒換步序，生成算法中，首先考慮相關組件抓取工具更換次數最少，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，以需要倒換的相關組件為中心，在裝料位置中向外逐圈搜索，優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域，每個格架顯示三行文字，第一行為相關組件編號，第二行為跟隨燃料組件裝入反應堆的目標相關組件類型，第三行為該位置當前的相關組件類型。由此可見，若第二行與第三行相關組件類型不符，則該位置相關組件需要倒換。以位置H25為例，該位置相關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，系統自動生成一條相關組件倒換步序，將相關組件F24AA1Y0J從H25倒換至J25。

同時，系統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組件即可。

圖3 堆芯裝料進度圖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，可根據組件移動計劃步序進行動畫模擬驗證，以確保堆芯換料組件移動計劃步序的準確性。

核電廠機組大修期間，公司全體員工可在公司局域網內訪問堆芯裝卸料實時進度。圖3為堆芯裝料到第88步時的堆芯裝載截圖。

2.3 系統實現

2.3.1 系統架構

系統采用三層架構，如圖4所示，數據訪問層、業務邏輯層、界面展示層，層與層之間松耦合，即任何一層都可單獨使用。

數據訪問層：實現數據庫與業務對象的完美映射，向業務層開發人員提供接口，業務層無需關心數據如何存儲，只需修改映射文件，系統即可在Sql Server與Oracle數據庫之間快速切換；

圖4 軟件系統架構Fig.4 Software system architecture

業務邏輯層：根據業務邏輯設計合理的、可擴展的業務模型，實現換料組件移動方案生成的復雜算法，向界面層提供接口；

象形居于首位，有其一定的道理。關于漢字的起源，我國古典文獻記錄了大量的內容，有對前文字時期的記錄，這里先不論。而關于創造文字本身的記錄，從中我們可以發現漢字的雛形，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。”又有記錄“倉頡之初作書，蓋依類象形。”漢字在產生之初，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 人機交互

核電燃料組件移動是一項嚴謹的工作，系統向用戶模擬真實的燃料廠房裝載圖，用戶可在圖形上進行燃料組件操作、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、相關組件編號、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、相關組件類型、燃耗等。

系統采用圖形技術實現如下功能：

1）當前或歷史的廠房裝載圖查詢；

2）廠房中燃料組件或相關組件查找定位；

3）臨時組件移動計劃的編制，即用戶可鼠標拖拽移動燃料組件或相關組件，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 關鍵技術

系統開發環境采用微軟Visual Studio 2010，確保開發過程的高效、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）作為系統開發基礎框架，實現視圖層、業務層以及數據層之間的低耦合；采用面向對象的設計思想，實現系統高度的重用性、靈活性和擴展性，核心對象模型貫穿整個技術架構；同時采用多種成熟組件，如：NHibrnate、Linq、Log4Net等，確保系統的穩定性、可擴展性及可移植性。

3 系統應用

目前，N1-NMS系統已廣泛應用于國內大部分已運行及將要運行核電機組，系統的廣泛應用促進了各核電廠之間的核燃料管理業務交流。系統整合了各核電核燃料管理專家的燃料組件管理思路，實現了壓水堆核電廠燃料管理的標準化。

經實際環境驗證，系統的應用大大提升了燃料管理效率，采用本系統，燃料管理員則可輕松地在2 h內生成一整套高效的機組堆芯換料方案。

在系統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，生成相關組件倒換順序表時抓取工具更換次數最少，倒換路徑最優等。

各核電廠系統運行過程中，積累了完整的燃料組件活動數據，形成燃料組件數據庫，為核電燃料管理工作提供有效的數據支撐。

4 結束語

N1-NMS系統有效的實現了壓水堆核電廠堆芯換料業務需求，并進一步優化了燃料管理流程。采用先進的架構與信息技術，通過友好的人機交互界面，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組大修工期，提高了經濟效益。同時，系統記錄了燃料組件在核電廠范圍內的一切活動，形成了完整的燃料組件數據庫。因此，該系統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工作。