乏燃料后處理培訓用模擬機的必要性與可行性

班泉聚

（核動力運行研究所，湖北武漢430023）

1 前言

乏燃料后處理是核燃料循環的關鍵技術，在核能事業占有十分重要的地位，目前根據國內公開資料顯示，預估中國2020 年每年卸出的乏燃料將達到900t，已卸出的乏燃料總量將達到7500t左右；提升乏燃料后處理能力、培養乏燃料后處理人才迫在眉睫。

目前核電、化工、航空、航天、高鐵等行業，均開發了培訓用模擬機或者模擬器，用于運行和維修人員的日常培訓。特別在核電行業，目前國內核電站操作員的培訓均是在全范圍模擬機上進行。

隨著計算機、通信等技術的發展，目前各行業模擬器在向著精細化、一體化方向發展，仿真方式也從最初的原理性邏輯仿真向著機理性仿真方向發展。我國的乏燃料后處理系統的仿真研究由于開展稍晚，僅在分配比模型和混合澄清槽模擬方面開展了部分研究工作[1]，與國外相比存在較大的差距。

本文總結其它行業應用模擬器培訓的經驗，研究法律法規的相關要求，指出開發乏燃料后處理培訓用模擬器的必要性；并根據開發核電模擬器的相關經驗，提出乏燃料后處理培訓用模擬機（以下簡稱培訓用模擬機）開發的技術可行性。

2 必要性

2.1 國內乏燃料后處理項目建設的需要

根據調研，目前乏燃料后處理廠在操作人員的培訓上面臨著以下問題：

1）運行操作人員的培訓采用傳統的師傅帶徒弟的跟班式培訓方式，操作經驗需要在實際運行操作中獲取，在無生產任務、生產任務較重、操作難度或安全要求高時，均無法給予實習的操作員操作的機會。

2）對于曾經出現過的典型場景、事故工況，由于難以復現現象，只能口耳相傳，培訓效果有限。

2.2 法律、法規的要求

根據中華人民共和國民用核設施安全監督管理條例（以下簡稱HAF 001）的規定，乏燃料后處理行業屬于國家核安全局嚴格監督管理的行業。HAF 001 在第八條、第十三條、第十四條規定，在監管條例范圍內的所有民用核設施（包括核電廠、乏燃料后處理廠）的操作員均需具有上崗執照，且執照申請者需滿足國家要求的運行操作培訓后,才能批準發給相應的執照[2]。

我國的民用核設施標準體系很多直接采用美國標準，核安全局對于美國的核安全法規、導則以及標準均是認可的。國內核電站在核電站的執照申請、設計、建造、培訓、操作員執照申請多參照美國標準，目前國內核電站參照的培訓和核電用模擬機的法規與導則如圖1 右半部所示。

在“聯邦法規-10 PART 50”中明確了核設施的范圍以及核設施執照獲取的法律規定，燃料處理廠（Fuel Reprocessing Plants）適用 PART 50 中規定的強制性要求。“聯邦法規-10 PART 55”中規定了“聯邦法規-10 PART 50”中定義的核設施操作員的取證要求，即操作員考試必須的項目——筆試和操作考試，并在“聯邦法規-10 PART 55.40”中的第4 條提出，美國核管會需監督非動力核設施操作員的筆試與操作考試；對于操作考試，“聯邦法規-10 PART 55.45”的第13 條明確規定：操作考試可以直接在現場設備上進行，也可以在仿真的模擬設備上進行，如在模擬設備上，模擬設備需滿足“聯邦法規-10 PART 55.46”的法規要求。目前全世界的核電廠的操作培訓和操作考試均在模擬機上進行。

圖1 國內核電廠參考的培訓用模擬機標準

國內核電行業參考的“聯邦法規-10 PART 50和55”在美國對于乏燃料后處理行業也是必須強制應用的法規。目前由于乏燃料后處理行業背景的特殊性，乏燃料后處理操作員標準、規范并不明晰，沒有像核電行業那樣有章可循，但是隨著國家對該行業的發展，相信國家會逐步加強對于乏燃料后處理操作員和值長培訓、考試,考試設施要求的監管,相關的法律、法規、標準也將會逐步制訂與完善。

2.3 使用模擬器培訓的優點

根據航空、航天、核電、化工等相關行業應用模擬器培訓的經驗反饋顯示，使用模擬器培訓主要有以下優點：1)用模擬機培訓操作員，不存在安全方面的問題；2)提高實際設備的利用率；3)訓練效果好；4)培訓用模擬機具有一定的通用性；5)建立模擬機訓練中心經濟上有很大收益；6) 除培訓外，還可以用于教學、研究和核設施的設計。

3 技術可行性

經過分析乏燃料后處理系統的架構，并借鑒核電模擬機的開發經驗，乏燃料后處理模擬機可分為HMI 仿真、控制邏輯仿真、工藝系統仿真以及模擬機教學所需的教控系統等4 個部分，根據其工藝、操作、控制的不同,工藝系統仿真又分為化學分離仿真和首段/尾端仿真兩個部分。

模擬器架構拓撲如圖2 所示。

圖2 培訓用模擬機結構拓撲圖

3.1 HMI 和控制邏輯仿真

可直接使用與實際系統相同的HMI 人機接口軟件；控制邏輯可采用虛擬實物的方式進行仿真；核電模擬機目前普遍采用這兩種技術，因此不存在技術瓶頸[3]。

3.2 教控系統

目前核電模擬機采用的核電仿真平臺，均具有教控軟件功能, 如核動力運行研究所開發的Rinsim 核電仿真平臺，其功能完全滿足乏燃料后處理模擬機對教控功能的要求[4]。

3.3 工藝系統仿真

工藝系統的仿真可分為化學分離環節工藝系統仿真和首段/尾端工藝系統仿真。

3.3.1 化學分離環節工藝系統仿真

化學分離環節（首端的溶解環節、共去污環節、分離環節、鈾純化環節、鈾尾端）的工藝系統為過程控制系統，且流體介質的反應、流動、能量傳動均是連續的或可連續的，與核電一二回路的熱工水力較為相似，因此可使用成熟的核電仿真平臺建立化學分離環節的工藝系統數學模型。

1）對于通用設備，例如閥門、電機、泵、攪拌器、換熱器、變頻器等,首先使用核電仿真平臺中已開發的數學模型建模，然后使用參考系統設備的設計和運行參數對數學模型進行二次開發和修正；

2）對于氣、液、蒸汽等管路，首先使用核電仿真平臺的水利流網軟件建立管路數學模型，然后使用參考系統管路的設計和運行參數對數學模型進行二次開發和修正；

3）對于乏燃料后處理的專用設備，例如脈沖萃取柱、混合澄清槽等，首先需根據其設計與實際運行數據，在核電仿真平臺中建立其數學通用模型；然后選取的典型環節（例如鈾純化環節）的工藝系統模型，并使用典型環節各專用設備的、通用數學模型、設計與運行參數，完成典型環節工藝系統模型開發；最后按照鈾純化環節操作規程進行操作，驗證開發的特殊設備數學模型是否滿足培訓需求。

根據核電模擬器的開發經驗，隨著運行數據和操作工況的積累，不斷對模擬器進行升級，模擬器終能滿足操作員培訓的需求。

3.3.2 首端/尾端工藝系統仿真

首段/尾端轉運、剪切、焙燒等過程為離線操作，并與上下游關聯性較弱，且均為典型的運動控制系統，其工藝系統擬采用核電仿真平臺+三維視景軟件仿真的方案。核動力運行研究所已經成功使用該方案，成功開發出核電站虛擬裝卸料模擬機，因此技術上是完全可行的[5]。

4 結束語

乏燃料后處理是一個高難度的化工技術，其培訓用模擬機是高效培訓操作員的必不可少的工具；雖然核電模擬機的成功經驗證明了其開發技術路線是可行的，但由于其工藝與核電的差異，還需更多總結實踐操作經驗，研究其開發技術，因此要求技術人員付出更大的努力進行學習、探索和積累。