單建強 吳攀

[摘要]安全是核電發(fā)展的生命線。核反應(yīng)堆安全類課程是目前核工程與核技術(shù)專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程。針對核行業(yè)對核安全人才有不同的技能需求這一現(xiàn)狀，西安交通大學(xué)開展了本一碩一博多層次核反應(yīng)堆安全類課程建設(shè)的研究，以針對不同的對象采用不同的教育模式，并在教學(xué)過程中加強實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，提升高校輸送的核反應(yīng)堆安全人才在核電站安全文化、核電廠系統(tǒng)操作、安全分析軟件應(yīng)用和開發(fā)等方面的能力，達到其相應(yīng)的培養(yǎng)要求與目標(biāo)。

[關(guān)鍵詞]核安全;課程建設(shè);核工程;核技術(shù)

[中圖分類號]G64 [文獻標(biāo)識碼]A [文章編號]2095-3437（2020）05-0007-04

引言

中國是世界上最大的發(fā)展中國家，面臨著發(fā)展經(jīng)濟、改善民生、全面建設(shè)小康社會的艱巨任務(wù)。維護能源資源長期穩(wěn)定可持續(xù)利用，是中國政府的一項重要戰(zhàn)略任務(wù)。中國能源必須走科技含量高、資源消耗低、環(huán)境污染少、經(jīng)濟效益好、安全有保障的發(fā)展道路，全面實現(xiàn)節(jié)約發(fā)展、清潔發(fā)展和安全發(fā)展。

根據(jù)《能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》（國發(fā)[2013]2號），在“十一五”時期，我國能源快速發(fā)展，供應(yīng)能力明顯提高，產(chǎn)業(yè)體系進一步完善，基本滿足了經(jīng)濟社會發(fā)展需要，為“十二五”能源發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。

“十二五”規(guī)劃提出了安全高效發(fā)展核電，要求嚴格實施核電安全規(guī)劃和核電中長期發(fā)展規(guī)劃（調(diào)整），把“安全第一”方針落實到核電規(guī)劃、建設(shè)、運行、退役全過程及所有相關(guān)產(chǎn)業(yè)。在做好安全檢查的基礎(chǔ)上，持續(xù)開展在役在建核電機組安全改造。全面加強核電安全管理，提高核事故應(yīng)急響應(yīng)能力。加快建設(shè)現(xiàn)代核電產(chǎn)業(yè)體系，打造核電強國。到2015年，運行核電裝機達到4000萬千瓦，在建規(guī)模1800萬千瓦。

2011年福島核電廠事故之后，全世界對核安全又有了新的理解和要求，對核安全的嚴重事故進行了更深入的研究，提出了具體的要求。我國提出了在確保安全的基礎(chǔ)上高效發(fā)展核電的發(fā)展方針。全世界在建核電廠70座，而中國在建的就有29座，占世界在建總數(shù)的41.2%。由此可見，核安全永遠是核電發(fā)展的最根本的生命線。核安全的教育是核工程與核技術(shù)領(lǐng)域教育的重要組成部分。

從各層次核工程專業(yè)人才培養(yǎng)的角度看，需進行核安全教育的人才基本可以分成三類：（a）本科生、核工程企業(yè)工程技術(shù)人員;（b）碩士生;（c）博士生。針對不同的人才，其培養(yǎng)目標(biāo)也各有側(cè)重。比如核工程企業(yè)工作人員，需要強調(diào)核安全文化的重要性，核安全原則的設(shè)計及其實施，核電廠事故分析及其規(guī)程分析。本科生需要著重了解核安全原則的設(shè)計原理，核安全事故分析方法，核安全嚴重事故的預(yù)防與緩解等。而針對研究生，就需要更深入的核安全的知識，不僅僅要知其然還要知其所以然，掌握事故分析的方法與理論。

核反應(yīng)堆安全課程涉及核安全文化，核安全原則，核安全事故分析，核安全嚴重事故的預(yù)防與緩解等的抽象性概念，學(xué)生很難通過純粹的課堂教學(xué)來深入理解其中的奧妙，從而對核安全事故進程和應(yīng)對措施缺乏感性的認識。

綜上所述，核反應(yīng)堆安全類的課程是目前核工程與核技術(shù)專業(yè)的重要基礎(chǔ)，不同的學(xué)習(xí)群體會有不同的需求，因此有必要進行本一碩一博多層次核反應(yīng)堆安全類課程建設(shè)的研究，以針對不同的對象采用不同的教學(xué)模式，并在教學(xué)過程中加強實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的軟件應(yīng)用和開發(fā)能力，達到其相應(yīng)的培養(yǎng)要求與目標(biāo)。

一、本一碩一博多層次核安全人才培養(yǎng)方案

核安全作為核能發(fā)展的重要基石，核安全教育在核工程與核技術(shù)專業(yè)、核能科學(xué)與工程學(xué)科的人才培養(yǎng)中具有十分重要的地位;針對不同的對象（核電的從業(yè)人員、本科生、研究生）需要有不同的培養(yǎng)方案，但核安全基本理念（尤其是核安全文化理念）的教育必須貫穿所有的層次;實踐環(huán)節(jié)是掌握核安全分析技能的重要組成部分，必須利用各種機會進行加強，但鑒于放射性的不可接觸性，需要借助虛擬仿真的平臺，采用虛擬仿真的方式，進行核電廠的事故分析與處理策略的分析，以提高學(xué)生的核安全分析技能。

在培養(yǎng)方案方面，針對本科生和核工程技術(shù)人員，需要重點講解和掌握核安全的相關(guān)基本概念和基本分析方法，了解核安全相關(guān)的法規(guī)及安全監(jiān)督，掌握核電廠安全設(shè)計與評價方法、核電廠典型事故分析、核安全嚴重事故的處置與緩解、核電廠輻射防護與監(jiān)測等?？倢W(xué)時應(yīng)該為32學(xué)時。在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，要重點利用核電廠的仿真平臺以及仿真軟件，讓學(xué)生直觀地了解核電廠在典型事故工況下的行為，掌握不同事故處理策略帶來的后果。針對研究生，重點應(yīng)該在核電廠安全的分析與評價方法方面，比如核電廠安全分析模型與計算方法，分析目前普遍存在的分析模型與方法，各個模型和算法的優(yōu)缺點。總學(xué)時應(yīng)該為40學(xué)時。在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，重點應(yīng)該在大型核反應(yīng)堆安全分析計算軟件的應(yīng)用，各個模型與算法的比較分析與實現(xiàn)。

二、本一碩一博多層次核反應(yīng)堆安全課程教學(xué)實踐

提高高等教育質(zhì)量，既是高等教育自身發(fā)展的需要，也是辦好讓人民滿意的高等教育、提高學(xué)生就業(yè)能力和創(chuàng)業(yè)能力的需要，更是建設(shè)創(chuàng)新型國家、構(gòu)建社會主義和諧社會的需要。因此，迫切需要采取切實有效的措施，進一步深化高等學(xué)校教學(xué)改革，提高人才培養(yǎng)的能力和水平，更好地滿足經(jīng)濟社會發(fā)展對高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的需要。實踐教學(xué)對于學(xué)生技能的培養(yǎng)、知識的獲取、能力的形成與發(fā)展起著重要的作用。因此，在安排理論教學(xué)的同時必須加強實踐教學(xué)，使理論與實踐相結(jié)合，使學(xué)生所掌握的知識向?qū)嵺`能力方面轉(zhuǎn)化。實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的安排，必須有利于開發(fā)學(xué)生的智力以及培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的能力。

虛擬仿真實驗教學(xué)依托虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展實驗，以達到教學(xué)大綱所要求的教學(xué)效果。

考慮到核電廠的高放射性、高溫高壓特性、復(fù)雜的電廠系統(tǒng)實體難于分解、實體實驗平臺建設(shè)成本高、實驗的安全性保障難等具體難點，本著體現(xiàn)“虛實結(jié)合、相互補充、能實不虛”的原則，核安全與運行實驗室結(jié)合核電廠與火電廠國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心，為核安全類課程提供全方位的課程實踐教學(xué)實驗。

（一）核電廠全范圍虛擬仿真平臺

核電廠全范圍虛擬仿真平臺所采用的是3KeyMas-ter仿真平臺，它是美國WSC公司開發(fā)的基于PC環(huán)境的仿真平臺，能夠在Windows操作系統(tǒng)平臺環(huán)境下實時運行仿真模型。目前仿真平臺的規(guī)模如圖l所示。采用3KeyMaster軟件建立的仿真模型具有其他軟件無法比擬的優(yōu)越性，其中包括：3KeyMaster是全范圍的綜合性仿真平臺，面向?qū)ο蟮慕Ｒ约柏S富的模型和工具庫，可以準(zhǔn)確地仿真全范圍的核電廠系統(tǒng)。實物圖形化的主控臺、動態(tài)的圖表等，又為3KeyMaster提供了核動力仿真過程中更接近于實際的人機友好界面。在事故分析過程中，3KeyMaster還具有數(shù)據(jù)快照和過程回放等功能。更難能可貴的是，3KeyMaster具有良好的兼容性，可以非常方便地將FORTRAN，C和C++等語言編寫的程序加載進去，同時可以很方便地實現(xiàn)和分散控制系統(tǒng)（DCS），I/O以及電廠過程計算機的對接。

3KeyMaster仿真系統(tǒng)可以用于核動力裝置的建模研究、核動力裝置事故安全分析以及核動力裝置操作人員的考試培訓(xùn)等。該仿真平臺采用了Access數(shù)據(jù)庫，能夠為核動力裝置系統(tǒng)的仿真建模提供大量的模型及工具庫，人機界面友好，面向?qū)ο蠼?，并具有方便引入事故、過程回放及進行遠程控制等功能。

PCTRAN是基于PC的多反應(yīng)堆堆型核能仿真軟件包，尤其適用于核電站運行和事故分析的培訓(xùn)，對堆芯熔化、安全殼失效和放射性物質(zhì)釋放等嚴重事故的分析也包含在它的范圍內(nèi)。

在核電站模擬方面，提供了正常運行時的儀表和控制顯示，而且還提供了反應(yīng)堆冷卻劑邊界泄漏或者安全殼失效的圖標(biāo)。組合的放射性釋放形成了應(yīng)急計劃區(qū)的放射性劑量分布。PCTRAN可以為核電站的工作人員提供真實的培訓(xùn)和練習(xí)。模擬程序延展到可以根據(jù)現(xiàn)實的氣象條件提供區(qū)域的劑量預(yù)測。它的運行可以是真實的速度也可以是數(shù)倍于真實的速度。它的圖形用戶界面使操作十分方便。所有的圖標(biāo)以及文本信息和數(shù)據(jù)都是通過Microsoft Office Suite傳遞。

應(yīng)用非能動冷卻概念的第三代先進反應(yīng)堆后，PC-TRAN模擬軟件已涵蓋GEABWR、ESBWR、AP1000、EPR等堆型。每一個模型都已經(jīng)與設(shè)計文件進行了核實驗證，保證程序的真實性。

（二）實驗內(nèi)容設(shè)計

根據(jù)實驗項目的特點及實驗?zāi)康?，實驗項目可進一步分為基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)、專業(yè)技能訓(xùn)練和前沿技術(shù)研究三大類型，內(nèi)容由淺入深、由點及面，從而滿足學(xué)生在不同培養(yǎng)階段的需要。

針對本科生，核反應(yīng)堆安全分析實驗利用核電廠全范圍實時仿真平臺提供的建模和分析工具，開展壓水堆核電廠的典型設(shè)計基準(zhǔn)事故，如反應(yīng)性引入事故、熱阱喪失事故、失流事故、一回路冷卻劑喪失事故、蒸汽管道破裂事故、給水管道破裂事故和蒸汽發(fā)生器管道破裂事故等以及嚴重事故仿真模擬。通過對這些事故的仿真模擬，加深學(xué)生對各種事故的演化過程的理解。同時，學(xué)生可以修改系統(tǒng)或設(shè)備的仿真模型、控制方案，通過仿真來驗證仿真模型、控制方案的可行性和有效性，培養(yǎng)與提高動手能力和創(chuàng)新實踐能力。

針對學(xué)有余力的高年級本科生和研究生，教學(xué)團隊設(shè)置了事故規(guī)程分析專題實驗和嚴重事故管理對策專題實驗。

1.事故規(guī)程分析專題實驗

該專題實驗適合學(xué)有余力的高年級本科生和研究生。在這類實驗項目中，學(xué)生開始接受科研的相關(guān)訓(xùn)練，完成從文獻檢索到仿真評估的過程。核電廠全范圍實時仿真平臺，將為學(xué)生提供進行仿真實驗和評估的基本環(huán)境。在該專題實驗中，學(xué)生需要在老師的指導(dǎo)下對核電廠事故規(guī)程研究前沿技術(shù)展開調(diào)研，利用虛擬仿真平臺模擬分析，進行基于事件導(dǎo)向或狀態(tài)導(dǎo)向的核電廠運行規(guī)程的開發(fā)和制定。通過該專題實驗，學(xué)生可以得到初步的科研訓(xùn)練，了解本專業(yè)的發(fā)展動態(tài)，理解創(chuàng)新研究的一般流程，并在學(xué)有余力的情況下獨立展開初步的研究工作。

2.嚴重事故管理對策專題實驗

該專題實驗適合學(xué)有余力的高年級本科生和研究生。在該專題實驗中，利用核電廠嚴重事故系統(tǒng)分析軟件為學(xué)生演示核電廠嚴重事故過程中涉及的主要事故現(xiàn)象，包括核電廠嚴重事故過程中基本的一回路系統(tǒng)熱工水力現(xiàn)象，堆內(nèi)嚴重事故現(xiàn)象及過程，如堆芯過熱、堆芯熔化、堆芯碎片床的形成，熔融物行為及安全殼響應(yīng)等嚴重事故機理及現(xiàn)象學(xué)。學(xué)生需要在老師的指導(dǎo)下對核電廠嚴重事故管理策略的研究前沿技術(shù)展開調(diào)研，并基于中心所提供的核電廠全范圍實時仿真平臺對核電廠嚴重事故的模擬仿真，進行嚴重事故管理導(dǎo)則和核電廠應(yīng)急規(guī)程的開發(fā)和制定。通過該專題實驗，學(xué)生可以得到初步的科研訓(xùn)練，了解本專業(yè)的發(fā)展動態(tài)，理解創(chuàng)新研究的一般流程，并在學(xué)有余力的情況下獨立展開初步的研究工作。

（三）項目設(shè)計

為了拓展本科生和核工程技術(shù)人員的知識面以及提升其事故安全分析能力，團隊教學(xué)成員結(jié)合本科生和核工程技術(shù)人員的專業(yè)知識特點，有針對性地設(shè)計了許多項目設(shè)計的課題，比如“CANDU堆核電廠大破口失水事故分析”“RELAP5的LOFT大破口失水事故不確定性研究”，這些項目設(shè)計課題與《核電廠安全》的書本知識相關(guān)，但研究對象不同。通過讓本科生和核工程技術(shù)人員參與項目設(shè)計課題，加深其對核電廠安全分析基本知識的了解，同時讓其初步了解核電廠數(shù)值安全模擬的基本流程。

為了提高碩士生分析計算核電廠瞬態(tài)過程、從事科研工作的能力，在碩士研究生的培養(yǎng)過程中，團隊教學(xué)成員有針對性地設(shè)計了一些科研訓(xùn)練課題，比如“兩流體兩相流模型數(shù)值方法的適定性分析”“行波堆堆芯穩(wěn)態(tài)熱工水力分析”等。這些科研訓(xùn)練課題讓碩士生熟練掌握了科研的基本流程，并在調(diào)研文獻、分析問題、實驗研究的過程中培養(yǎng)了科研能力。

博士生需承擔(dān)科研任務(wù)，參與大型核電廠事故分析以及計算軟件的研制與開發(fā)，掌握堅實寬廣的基礎(chǔ)理論和系統(tǒng)深入的專業(yè)知識，培養(yǎng)獨立從事科研工作的能力和嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

三、本一碩一博多層次核反應(yīng)堆安全課程教材建設(shè)

為了配合核安全不同層次培養(yǎng)方案的實施，在原有《核反應(yīng)堆安全分析》教材的基礎(chǔ)上，特設(shè)置了三個層次的教材，其中，《核電廠安全》為本科生教材，《核反應(yīng)堆安全分析》可為本科生和碩士生教材，《壓水堆核電廠瞬態(tài)安全數(shù)值分析方法》可為碩士生和博士生專門從事安全分析方法研究的教材，見圖2。

（一）《核電廠安全》

本書為普通高等教育核工程與核技術(shù)專業(yè)規(guī)劃教材。本教材以壓水堆型核電廠為主要研究對象，著重論述美國三里島核電廠事故發(fā)生后30多年來，壓水堆核電廠設(shè)計和研究、制造和運行、監(jiān)管和評價中關(guān)于核安全的主要課題。全書包含以下內(nèi)容：闡述核電廠安全的概念（核電廠安全的特征和安全對策）、核安全法規(guī)及安全監(jiān)督、核電廠的安全設(shè)計（縱深防御設(shè)計原則）、核電廠的安全評價（確定論安全評價法與概率安全評價法兩種系統(tǒng)工程安全評定方法）、核電廠安全運行——運行工況與事故分類和核電廠典型事故、核電廠核輻射防護與監(jiān)測以及核電廠嚴重事故的處置與緩解。

（二）《核反應(yīng)堆安全分析》

本教材為國家級規(guī)劃教材，以壓水堆型、快堆、高溫氣冷堆和重水堆型核電廠為研究對象（以壓水堆型為主），著重論述三里島核電廠事故發(fā)生后30多年來，核安全與反應(yīng)堆事故分析中的主要課題與重大進展。第一篇是壓水堆安全分析，重點介紹核反應(yīng)堆安全的基本原則、反應(yīng)堆的安全性及核反應(yīng)堆的安全功能，說明當(dāng)前國際核能界對核電廠安全與事故對策的見解與實踐，闡述核反應(yīng)堆安全分析基礎(chǔ)理論與模型，確定論安全評價法分析壓水堆各類設(shè)計基準(zhǔn)事故，闡述嚴重事故物理過程、嚴重事故的管理對策以及典型的嚴重事故，并介紹核安全評價中另一種系統(tǒng)的工程安全評價方法即概率安全評價法。第二篇是快堆、高溫氣冷堆和重水堆的安全分析。

（三）《壓水堆核電廠瞬態(tài)安全數(shù)值分析方法》

本教材以壓水堆型核電廠為研究對象，以核電廠安全分析程序的發(fā)展需求，詳細論述反應(yīng)堆動力學(xué)與熱工水力模型及其數(shù)值解法。首先闡述點堆及一維時空動力學(xué)模型和三維時空動力學(xué)模型，以便得到準(zhǔn)確的堆芯中子通量分布及堆芯功率分布，而后詳細介紹兩相流模型，準(zhǔn)確描述兩相流的行為和傳熱行為，闡述數(shù)值解法的基礎(chǔ)和數(shù)值方法在兩相流模型中的應(yīng)用，使得數(shù)值求解復(fù)雜的兩相流行為成為可能，最后補充介紹不確定性分析，以彌補對兩相流復(fù)雜現(xiàn)象認識的不足。

四、結(jié)論

本研究從核工業(yè)對反應(yīng)堆安全相關(guān)人才的需求出發(fā)，創(chuàng)新性地提出了本一碩一博多層次核反應(yīng)堆安全課程建設(shè)方案。針對本科生、碩士生和博士生的知識結(jié)構(gòu)和核行業(yè)技能需求采用不同的教育模式，以達到其相應(yīng)的培養(yǎng)要求與目標(biāo)。在教學(xué)過程中，理論教學(xué)和實踐教學(xué)相結(jié)合，提升學(xué)生對專業(yè)基礎(chǔ)知識的掌握度和對核反應(yīng)堆安全相關(guān)的科研進行再創(chuàng)新的能力。