王遠(yuǎn)隆

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610041）

隨著國(guó)家核電事業(yè)進(jìn)入大發(fā)展時(shí)期，核電技術(shù)國(guó)產(chǎn)化也成為熱點(diǎn)話題。如何將引進(jìn)的國(guó)外核電技術(shù)進(jìn)行消化吸收，并在此基礎(chǔ)上創(chuàng)新出自主化的新一代核電技術(shù)，也自然成為需要實(shí)時(shí)考慮的問(wèn)題。

本文以核電儀控技術(shù)應(yīng)用為例對(duì)實(shí)際工作中可能影響國(guó)產(chǎn)化的問(wèn)題作一個(gè)概述性的討論。

1 核電儀控技術(shù)應(yīng)用中的基本問(wèn)題

1.1 理論基礎(chǔ)問(wèn)題

（1）核反應(yīng)堆模型剛性問(wèn)題[1-2]

核反應(yīng)堆（裂變堆）的物理模型是反應(yīng)堆動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的主要研究對(duì)象，數(shù)學(xué)表達(dá)復(fù)雜。當(dāng)利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)對(duì)該物理模型作數(shù)學(xué)處理有很大難度。故有提法稱(chēng)此現(xiàn)象為剛性（Stiffness）問(wèn)題，或者直接稱(chēng)反應(yīng)堆數(shù)學(xué)模型為病態(tài)方程。圍繞這個(gè)剛性問(wèn)題，有不少研究文章出現(xiàn)。

所謂剛性問(wèn)題，實(shí)際上就是反應(yīng)堆數(shù)學(xué)模型中的物理參數(shù)組合匹配問(wèn)題。

式（1）代表反應(yīng)堆物理模型經(jīng)過(guò)一系列簡(jiǎn)化處理后得到的點(diǎn)堆模型的指數(shù)函數(shù)數(shù)學(xué)表達(dá)式。當(dāng)反應(yīng)性擾動(dòng)量為δk=0.023時(shí)，計(jì)算得到上式中的特征參數(shù)值（w0，w1，w2，w3，w4，w5，w6）分別依次為150.1399，-3.0612，-1.1931，-0.3460，-0.1176，-0.0323，-0.0125。這里看到，w0與w1～w6之間量值差異很大。

計(jì)算數(shù)學(xué)理論教科書(shū)認(rèn)為，物理特征參數(shù)值彼此間的比大于10倍就算是數(shù)學(xué)上的剛性問(wèn)題。在計(jì)算機(jī)做數(shù)值計(jì)算時(shí)，剛性問(wèn)題反映出的結(jié)果是，由于參數(shù)過(guò)大與過(guò)小造成計(jì)算誤差積累最終導(dǎo)致計(jì)算失真。

但只要從尊重歷史的角度考察一下，就會(huì)知道這僅僅是由于當(dāng)初計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)處于發(fā)展早期階段的暫時(shí)性誤解。所以，把它轉(zhuǎn)而作為數(shù)學(xué)和物理概念自然就不應(yīng)該了?，F(xiàn)在像RELAP5這樣的大型程序都可以微型計(jì)算機(jī)化，再提剛性問(wèn)題顯然與技術(shù)發(fā)展事實(shí)不符。計(jì)算數(shù)學(xué)中“兩個(gè)特征參數(shù)比值大于10倍就是剛性問(wèn)題”的結(jié)論也需要修正。

（2）模型處理本身的虛假問(wèn)題[3]

反應(yīng)堆物理模型是通過(guò)時(shí)間、空間分離才轉(zhuǎn)化為點(diǎn)堆模型的。故該模型僅在反應(yīng)性變化不至引起堆內(nèi)嚴(yán)重空間效應(yīng)時(shí)才適用。如果再在點(diǎn)堆模型基礎(chǔ)上引入數(shù)學(xué)近似條件而不認(rèn)真考慮物理上的合理性，則極可能導(dǎo)致簡(jiǎn)化模型失真而引發(fā)工程設(shè)計(jì)中的失誤。

檢驗(yàn)?zāi)Ｐ吞幚硎欠窈侠淼霓k法很簡(jiǎn)單，用公認(rèn)的模型做個(gè)仿真計(jì)算比較即可。

（3）虛假水位問(wèn)題[4]

核電站常用的U形管蒸汽發(fā)生器水位測(cè)量與控制技術(shù)中常有虛假水位一說(shuō)。

蒸汽發(fā)生器的虛假水位原理性的提法是：蒸汽流量變化造成蒸汽發(fā)生器內(nèi)水裝量持續(xù)性處于兩相流狀態(tài)，從而引發(fā)汽水界面處汽泡持續(xù)性的漲縮變化，導(dǎo)致水位測(cè)量?jī)x表測(cè)得的水位持續(xù)變化。這種因汽泡漲縮造成的水位變化習(xí)慣稱(chēng)為虛假水位。

圖1、圖2是計(jì)算機(jī)仿真得到的虛假水位曲線。

圖1 蒸汽流量階躍下降10%額定值水位變化Fig.1 Level change when10% step-down of steam flow

圖2 蒸汽流量階躍上升10%額定值水位變化Fig.2 Level change when10% step-up of steam flow

事實(shí)上，所謂的虛假水位是真實(shí)的物理現(xiàn)象。這是蒸汽發(fā)生器內(nèi)典型的兩相流特性。圖1所示現(xiàn)象的直接后果就是蒸汽發(fā)生器因水位持續(xù)上漲灌滿其蒸汽空間而喪失自己的產(chǎn)汽能力。圖2所示現(xiàn)象的直接后果就是蒸汽發(fā)生器因水位持續(xù)下降而被“燒干”?？刂萍夹g(shù)稱(chēng)這樣的對(duì)象為自身不穩(wěn)定對(duì)象或自身不平衡對(duì)象。

如果因?yàn)槿说闹饔^認(rèn)識(shí)能力所限就認(rèn)定實(shí)際的物理現(xiàn)象是虛假的，而且還在此基礎(chǔ)上做一些先進(jìn)控制技術(shù)研究試圖調(diào)節(jié)這種虛假水位，那必定是徒勞的。道理很簡(jiǎn)單，研究是建立在主觀虛假的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，不可能有真實(shí)結(jié)果。

就核電站而言，它本身與常規(guī)火電廠的鍋爐汽包在原理上有類(lèi)似的地方。但有一點(diǎn)值得特別注意，這就是常規(guī)火電廠沒(méi)有核電站反應(yīng)堆那樣的自穩(wěn)、自調(diào)特性。如果把蒸汽發(fā)生器及二回路連同核反應(yīng)堆作為一個(gè)整體看待，這種自穩(wěn)、自調(diào)特性就能有效幫助修正蒸汽發(fā)生器的非自穩(wěn)缺陷。

（4）反應(yīng)堆自穩(wěn)、自調(diào)特性問(wèn)題[5-7]

反應(yīng)堆的自穩(wěn)定性和自調(diào)節(jié)性（簡(jiǎn)稱(chēng)自穩(wěn)、自調(diào)特性）是保障反應(yīng)堆安全的重要基礎(chǔ)之一。但這種自穩(wěn)、自調(diào)特性常常被與反應(yīng)堆的固有安全性混淆在一起，甚至認(rèn)為反應(yīng)堆的自穩(wěn)定性就是反應(yīng)堆的固有安全性。

固有安全性是反應(yīng)堆的特殊要求。這是由核裂變反應(yīng)特殊的放射性問(wèn)題引發(fā)的。固有安全性需要滿足三層防護(hù)原則和五級(jí)屏蔽原則。而反應(yīng)堆的自穩(wěn)、自調(diào)特性僅僅是反應(yīng)堆自身的一種穩(wěn)定調(diào)節(jié)機(jī)制（控制機(jī)制）。這種機(jī)制僅能在外部發(fā)生小的干擾時(shí)把反應(yīng)堆自己調(diào)整回到原初狀態(tài)（反應(yīng)性變化時(shí)）或到達(dá)新的穩(wěn)定狀態(tài)（負(fù)荷要求變化時(shí)）。

從控制的角度看，這種自穩(wěn)、自調(diào)能力在理論上可以應(yīng)對(duì)很大的干擾。但實(shí)際工藝系統(tǒng)所用材料對(duì)熱應(yīng)力有各自的適應(yīng)范圍，控制自然就會(huì)受到相應(yīng)的限制。

有一點(diǎn)要特別強(qiáng)調(diào)，控制機(jī)制不論是自身具有還是外部另設(shè)置一個(gè)控制系統(tǒng)，其功能實(shí)現(xiàn)都是建立在所有工藝系統(tǒng)的完好性和早先物理、熱工設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性基礎(chǔ)上的。一旦這種條件失去，則控制機(jī)制就難于發(fā)揮作用了。比如失水事故發(fā)生，設(shè)計(jì)上就規(guī)定保護(hù)系統(tǒng)先于控制系統(tǒng)作用引發(fā)停堆；保護(hù)停堆是強(qiáng)制性的，也沒(méi)有考慮自穩(wěn)、自調(diào)問(wèn)題。當(dāng)然，這樣是否合理可以研究。

1.2 技術(shù)應(yīng)用問(wèn)題

（1）核反應(yīng)堆模型空間效應(yīng)問(wèn)題[7-8]

這個(gè)問(wèn)題突出表現(xiàn)在反應(yīng)性儀這種核技術(shù)應(yīng)用儀表中。

核反應(yīng)堆的反應(yīng)性不可直接測(cè)量。反應(yīng)性儀是利用可直接測(cè)量的反應(yīng)堆功率（核功率）通過(guò)點(diǎn)堆數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)出的倒時(shí)公式間接計(jì)算出反應(yīng)性。其應(yīng)用多在反應(yīng)堆物理啟動(dòng)期間。

反應(yīng)性儀研究報(bào)告說(shuō)使用的是“消除了空間效應(yīng)的點(diǎn)堆模型推導(dǎo)出的倒時(shí)公式”。這種提法明顯不合適。正如前面分析堆模型時(shí)指出的那樣，反應(yīng)堆點(diǎn)堆模型并沒(méi)有消除空間效應(yīng)，僅僅是在有限制的物理合理性范圍內(nèi)將時(shí)間、空間分離得到的結(jié)果。所以，由點(diǎn)堆模型推出的倒時(shí)公式也絕不可能消除空間效應(yīng)，其使用也一樣要受到限制。

另外值得注意的是，反應(yīng)堆啟動(dòng)期間，由于功率很小，核測(cè)量誤差很大，依據(jù)所測(cè)核功率來(lái)計(jì)算得到的反應(yīng)性量值其可信程度會(huì)受這種誤差影響。

（2）反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)問(wèn)題[10]

反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)是一種特殊的控制系統(tǒng)，屬于核安全三層防護(hù)的第二層。它的保護(hù)功能是依據(jù)核安全分析所給出的安全極限值設(shè)置的。核電站一旦出現(xiàn)這類(lèi)極限值，保護(hù)系統(tǒng)就要強(qiáng)制觸發(fā)事故性停堆保護(hù)動(dòng)作。這種動(dòng)作時(shí)間上要求要快，則必然會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)堆熱工系統(tǒng)物理狀態(tài)急劇變化接近背離物理上的能量不能突跳原則。這顯然是以犧牲設(shè)備壽命為代價(jià)的，如同醫(yī)學(xué)中的放療結(jié)果。有必要對(duì)這樣的保護(hù)機(jī)制重新評(píng)價(jià)。

常規(guī)核反應(yīng)堆控制系統(tǒng)是不可能出現(xiàn)能量突跳的。一旦有這樣的現(xiàn)象出現(xiàn)，則必然是控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)或控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)有問(wèn)題。圖3是典型能量突跳的兩個(gè)例子。圖4為能量平滑過(guò)渡的實(shí)例。

（3）數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用問(wèn)題

我國(guó)核電數(shù)字化技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用遠(yuǎn)不如常規(guī)電廠和其他領(lǐng)域，且還是在其他領(lǐng)域發(fā)展到成熟階段，并且到國(guó)外已經(jīng)在核領(lǐng)域使用時(shí)才開(kāi)始考慮使用。這背后的原因當(dāng)然是常說(shuō)的安全性問(wèn)題所致。

其實(shí)，反應(yīng)堆的安全性與技術(shù)的先進(jìn)性之間并沒(méi)有直接的關(guān)系。主觀上先入為主說(shuō)先進(jìn)的技術(shù)不成熟是沒(méi)有任何科學(xué)依據(jù)的。試想，國(guó)外第一個(gè)使用數(shù)字化技術(shù)的反應(yīng)堆系統(tǒng)其依據(jù)又是什么呢？效率與效益是直接刺激先進(jìn)技術(shù)使用的重要?jiǎng)右?。?dāng)初建造世界上第一座商用核電站的業(yè)主事實(shí)上也是在冒風(fēng)險(xiǎn)的。由此所能考慮到的就是對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的掌控能力問(wèn)題。敢于搶先一步，會(huì)贏得相當(dāng)大的機(jī)會(huì)。

圖3 能量突跳問(wèn)題Fig.3 Energy jump

圖4 能量不能突跳實(shí)例[11]Fig.4 Example of energy can not jump

（4）數(shù)字化技術(shù)中的并行性問(wèn)題[9]

并行性是指為完成同一功能或任務(wù)的多個(gè)動(dòng)作同時(shí)進(jìn)行。它是模擬儀表的系統(tǒng)屬性。并行性的好處之一就是時(shí)間利用最大效率化。盡管從信號(hào)流動(dòng)角度看似乎在元、器件一級(jí)有先后之分，但整個(gè)系統(tǒng)從一啟動(dòng)開(kāi)始各類(lèi)元、器件之間在時(shí)間上就是完全并行的。

數(shù)字化儀控系統(tǒng)作為儀表系統(tǒng)也自然具有這種基于元、器件一級(jí)的并行性特征，而不能認(rèn)為是數(shù)字化技術(shù)給系統(tǒng)帶來(lái)的好處或者說(shuō)是數(shù)字化技術(shù)的特點(diǎn)。

數(shù)字化技術(shù)是以微型計(jì)算機(jī)和微處理器的使用為特征的。當(dāng)前的計(jì)算機(jī)仍然遵循著美國(guó)科學(xué)家馮·諾依曼所確定的計(jì)算型機(jī)器的系統(tǒng)架構(gòu)原理。這種機(jī)器的指令流是按照二進(jìn)制串行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的（字位一級(jí)是并行的）。這就好像人說(shuō)話要一句一句依先后進(jìn)行，計(jì)算機(jī)釋讀自己的語(yǔ)言仍然是要有先后順序的?？梢?jiàn)，把并行性作為數(shù)字化技術(shù)的特點(diǎn)是有違科學(xué)原理和歷史事實(shí)的。

（5）數(shù)字化技術(shù)自身安全性問(wèn)題[12-17]

數(shù)字化儀控系統(tǒng)自身的安全性是其功能能否順利實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。在目前以引進(jìn)為主及國(guó)內(nèi)市場(chǎng)多為國(guó)外品牌的背景下，如何鑒別國(guó)外產(chǎn)品的安全性是檢驗(yàn)自身消化吸收能力的重要尺度。

在標(biāo)準(zhǔn)方面，目前基本是對(duì)等翻譯調(diào)整國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)為國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)是技術(shù)先進(jìn)性和技術(shù)可達(dá)性的產(chǎn)物。國(guó)內(nèi)目前是以引進(jìn)或國(guó)內(nèi)組裝作為應(yīng)用支撐點(diǎn)。產(chǎn)品安全性檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)帶有很強(qiáng)的依賴(lài)性。理想的情況當(dāng)然是通過(guò)消化吸收能建立自己的標(biāo)準(zhǔn)體系。

（6）引進(jìn)與國(guó)產(chǎn)化問(wèn)題

從當(dāng)前的技術(shù)現(xiàn)狀看，儀控系統(tǒng)的引進(jìn)是避免不了的。

技術(shù)引進(jìn)實(shí)際是對(duì)引進(jìn)方鑒別能力、消化能力和吸收能力的綜合檢驗(yàn)。特別是軟件程序，僅僅靠所謂標(biāo)準(zhǔn)題庫(kù)檢查仍然會(huì)有漏洞存在的可能。而標(biāo)準(zhǔn)題庫(kù)本身的檢驗(yàn)又靠什么？顯然人的判別能力是重要前提。

引進(jìn)的另一個(gè)問(wèn)題就是“最好的技術(shù)買(mǎi)不來(lái)”。有種說(shuō)法叫“不求最好，爭(zhēng)取能用”。而這恰恰會(huì)成為高能耗、高污染、低效率的根源之一。引進(jìn)、消化、吸收是目前的現(xiàn)狀。

數(shù)字化儀控系統(tǒng)的基礎(chǔ)是以計(jì)算機(jī)為特征的微電子技術(shù)和軟件技術(shù)。在這兩方面沒(méi)有大的突破之前，國(guó)產(chǎn)化多半是要靠在購(gòu)買(mǎi)硬件和軟件前提下進(jìn)行的，主要著眼點(diǎn)應(yīng)是在系統(tǒng)集成上爭(zhēng)取突破。比如核電站所要用的DCS系統(tǒng)（數(shù)字化控制系統(tǒng)或分布式控制系統(tǒng)）。

（7）新的控制技術(shù)可實(shí)現(xiàn)性問(wèn)題[18-19]

新的控制技術(shù)是否能應(yīng)用到核反應(yīng)堆控制中，主要取決于技術(shù)可實(shí)現(xiàn)性。

先進(jìn)的原理性理論如模糊數(shù)學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等引入后，極大地推動(dòng)了控制理論和技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展。但作為控制對(duì)象的核反應(yīng)堆，由于其安全性所帶來(lái)的保守性導(dǎo)致其對(duì)新理論、新技術(shù)的使用持更為謹(jǐn)慎的態(tài)度。面對(duì)這種特殊性，新的反應(yīng)堆控制技術(shù)可以先行在理論研究有充分依據(jù)的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行控制器的研究試制，借此為工程應(yīng)用做好技術(shù)儲(chǔ)備。

2 技術(shù)問(wèn)題反思

上述各類(lèi)技術(shù)問(wèn)題實(shí)際上反映出在核電領(lǐng)域中儀控系統(tǒng)應(yīng)用方面基礎(chǔ)性研究工作的滯后。

從工程技術(shù)的角度看，問(wèn)題源于重在實(shí)用、利用。技術(shù)是圍繞著這“兩用”的工具，結(jié)果造成長(zhǎng)期缺乏對(duì)技術(shù)應(yīng)用層面上的基礎(chǔ)性部分的關(guān)注，使得在面對(duì)換代更新上臺(tái)階時(shí)顯得步履維艱，力不從心。

基礎(chǔ)性研究是既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力的。特別是關(guān)鍵性的基礎(chǔ)研發(fā)，只有長(zhǎng)期堅(jiān)持才有可能突破而形成規(guī)?；膸?dòng)作用。當(dāng)然，涉足多領(lǐng)域的基礎(chǔ)性研究則更是需要整個(gè)團(tuán)隊(duì)足夠的耐心和真誠(chéng)的合作。

常言道“功到自然成”。加強(qiáng)基礎(chǔ)研究才能支撐應(yīng)用技術(shù)的持續(xù)開(kāi)發(fā)，國(guó)產(chǎn)化也才會(huì)有可靠的保障。

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