班泉聚

（核動(dòng)力運(yùn)行研究所，湖北武漢430023）

1 前言

乏燃料后處理是核燃料循環(huán)的關(guān)鍵技術(shù)，在核能事業(yè)占有十分重要的地位，目前根據(jù)國(guó)內(nèi)公開(kāi)資料顯示，預(yù)估中國(guó)2020 年每年卸出的乏燃料將達(dá)到900t，已卸出的乏燃料總量將達(dá)到7500t左右；提升乏燃料后處理能力、培養(yǎng)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(yè)，均開(kāi)發(fā)了培訓(xùn)用模擬機(jī)或者模擬器，用于運(yùn)行和維修人員的日常培訓(xùn)。特別在核電行業(yè)，目前國(guó)內(nèi)核電站操作員的培訓(xùn)均是在全范圍模擬機(jī)上進(jìn)行。

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

本文總結(jié)其它行業(yè)應(yīng)用模擬器培訓(xùn)的經(jīng)驗(yàn)，研究法律法規(guī)的相關(guān)要求，指出開(kāi)發(fā)乏燃料后處理培訓(xùn)用模擬器的必要性；并根據(jù)開(kāi)發(fā)核電模擬器的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，提出乏燃料后處理培訓(xùn)用模擬機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)培訓(xùn)用模擬機(jī)）開(kāi)發(fā)的技術(shù)可行性。

2 必要性

2.1 國(guó)內(nèi)乏燃料后處理項(xiàng)目建設(shè)的需要

根據(jù)調(diào)研，目前乏燃料后處理廠在操作人員的培訓(xùn)上面臨著以下問(wèn)題：

1）運(yùn)行操作人員的培訓(xùn)采用傳統(tǒng)的師傅帶徒弟的跟班式培訓(xùn)方式，操作經(jīng)驗(yàn)需要在實(shí)際運(yùn)行操作中獲取，在無(wú)生產(chǎn)任務(wù)、生產(chǎn)任務(wù)較重、操作難度或安全要求高時(shí)，均無(wú)法給予實(shí)習(xí)的操作員操作的機(jī)會(huì)。

2）對(duì)于曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)的典型場(chǎng)景、事故工況，由于難以復(fù)現(xiàn)現(xiàn)象，只能口耳相傳，培訓(xùn)效果有限。

2.2 法律、法規(guī)的要求

根據(jù)中華人民共和國(guó)民用核設(shè)施安全監(jiān)督管理?xiàng)l例（以下簡(jiǎn)稱(chēng)HAF 001）的規(guī)定，乏燃料后處理行業(yè)屬于國(guó)家核安全局嚴(yán)格監(jiān)督管理的行業(yè)。HAF 001 在第八條、第十三條、第十四條規(guī)定，在監(jiān)管條例范圍內(nèi)的所有民用核設(shè)施（包括核電廠、乏燃料后處理廠）的操作員均需具有上崗執(zhí)照，且執(zhí)照申請(qǐng)者需滿足國(guó)家要求的運(yùn)行操作培訓(xùn)后,才能批準(zhǔn)發(fā)給相應(yīng)的執(zhí)照[2]。

我國(guó)的民用核設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)體系很多直接采用美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，核安全局對(duì)于美國(guó)的核安全法規(guī)、導(dǎo)則以及標(biāo)準(zhǔn)均是認(rèn)可的。國(guó)內(nèi)核電站在核電站的執(zhí)照申請(qǐng)、設(shè)計(jì)、建造、培訓(xùn)、操作員執(zhí)照申請(qǐng)多參照美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，目前國(guó)內(nèi)核電站參照的培訓(xùn)和核電用模擬機(jī)的法規(guī)與導(dǎo)則如圖1 右半部所示。

在“聯(lián)邦法規(guī)-10 PART 50”中明確了核設(shè)施的范圍以及核設(shè)施執(zhí)照獲取的法律規(guī)定，燃料處理廠（Fuel Reprocessing Plants）適用 PART 50 中規(guī)定的強(qiáng)制性要求?！奥?lián)邦法規(guī)-10 PART 55”中規(guī)定了“聯(lián)邦法規(guī)-10 PART 50”中定義的核設(shè)施操作員的取證要求，即操作員考試必須的項(xiàng)目——筆試和操作考試，并在“聯(lián)邦法規(guī)-10 PART 55.40”中的第4 條提出，美國(guó)核管會(huì)需監(jiān)督非動(dòng)力核設(shè)施操作員的筆試與操作考試；對(duì)于操作考試，“聯(lián)邦法規(guī)-10 PART 55.45”的第13 條明確規(guī)定：操作考試可以直接在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備上進(jìn)行，也可以在仿真的模擬設(shè)備上進(jìn)行，如在模擬設(shè)備上，模擬設(shè)備需滿足“聯(lián)邦法規(guī)-10 PART 55.46”的法規(guī)要求。目前全世界的核電廠的操作培訓(xùn)和操作考試均在模擬機(jī)上進(jìn)行。

圖1 國(guó)內(nèi)核電廠參考的培訓(xùn)用模擬機(jī)標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)內(nèi)核電行業(yè)參考的“聯(lián)邦法規(guī)-10 PART 50和55”在美國(guó)對(duì)于乏燃料后處理行業(yè)也是必須強(qiáng)制應(yīng)用的法規(guī)。目前由于乏燃料后處理行業(yè)背景的特殊性，乏燃料后處理操作員標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范并不明晰，沒(méi)有像核電行業(yè)那樣有章可循，但是隨著國(guó)家對(duì)該行業(yè)的發(fā)展，相信國(guó)家會(huì)逐步加強(qiáng)對(duì)于乏燃料后處理操作員和值長(zhǎng)培訓(xùn)、考試,考試設(shè)施要求的監(jiān)管,相關(guān)的法律、法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)也將會(huì)逐步制訂與完善。

2.3 使用模擬器培訓(xùn)的優(yōu)點(diǎn)

根據(jù)航空、航天、核電、化工等相關(guān)行業(yè)應(yīng)用模擬器培訓(xùn)的經(jīng)驗(yàn)反饋顯示，使用模擬器培訓(xùn)主要有以下優(yōu)點(diǎn)：1)用模擬機(jī)培訓(xùn)操作員，不存在安全方面的問(wèn)題；2)提高實(shí)際設(shè)備的利用率；3)訓(xùn)練效果好；4)培訓(xùn)用模擬機(jī)具有一定的通用性；5)建立模擬機(jī)訓(xùn)練中心經(jīng)濟(jì)上有很大收益；6) 除培訓(xùn)外，還可以用于教學(xué)、研究和核設(shè)施的設(shè)計(jì)。

3 技術(shù)可行性

經(jīng)過(guò)分析乏燃料后處理系統(tǒng)的架構(gòu)，并借鑒核電模擬機(jī)的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，乏燃料后處理模擬機(jī)可分為HMI 仿真、控制邏輯仿真、工藝系統(tǒng)仿真以及模擬機(jī)教學(xué)所需的教控系統(tǒng)等4 個(gè)部分，根據(jù)其工藝、操作、控制的不同,工藝系統(tǒng)仿真又分為化學(xué)分離仿真和首段/尾端仿真兩個(gè)部分。

模擬器架構(gòu)拓?fù)淙鐖D2 所示。

圖2 培訓(xùn)用模擬機(jī)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

3.1 HMI 和控制邏輯仿真

可直接使用與實(shí)際系統(tǒng)相同的HMI 人機(jī)接口軟件；控制邏輯可采用虛擬實(shí)物的方式進(jìn)行仿真；核電模擬機(jī)目前普遍采用這兩種技術(shù)，因此不存在技術(shù)瓶頸[3]。

3.2 教控系統(tǒng)

目前核電模擬機(jī)采用的核電仿真平臺(tái)，均具有教控軟件功能, 如核動(dòng)力運(yùn)行研究所開(kāi)發(fā)的Rinsim 核電仿真平臺(tái)，其功能完全滿足乏燃料后處理模擬機(jī)對(duì)教控功能的要求[4]。

3.3 工藝系統(tǒng)仿真

工藝系統(tǒng)的仿真可分為化學(xué)分離環(huán)節(jié)工藝系統(tǒng)仿真和首段/尾端工藝系統(tǒng)仿真。

3.3.1 化學(xué)分離環(huán)節(jié)工藝系統(tǒng)仿真

化學(xué)分離環(huán)節(jié)（首端的溶解環(huán)節(jié)、共去污環(huán)節(jié)、分離環(huán)節(jié)、鈾純化環(huán)節(jié)、鈾尾端）的工藝系統(tǒng)為過(guò)程控制系統(tǒng)，且流體介質(zhì)的反應(yīng)、流動(dòng)、能量傳動(dòng)均是連續(xù)的或可連續(xù)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(tái)建立化學(xué)分離環(huán)節(jié)的工藝系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。

1）對(duì)于通用設(shè)備，例如閥門(mén)、電機(jī)、泵、攪拌器、換熱器、變頻器等,首先使用核電仿真平臺(tái)中已開(kāi)發(fā)的數(shù)學(xué)模型建模，然后使用參考系統(tǒng)設(shè)備的設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)和修正；

2）對(duì)于氣、液、蒸汽等管路，首先使用核電仿真平臺(tái)的水利流網(wǎng)軟件建立管路數(shù)學(xué)模型，然后使用參考系統(tǒng)管路的設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)和修正；

3）對(duì)于乏燃料后處理的專(zhuān)用設(shè)備，例如脈沖萃取柱、混合澄清槽等，首先需根據(jù)其設(shè)計(jì)與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，在核電仿真平臺(tái)中建立其數(shù)學(xué)通用模型；然后選取的典型環(huán)節(jié)（例如鈾純化環(huán)節(jié)）的工藝系統(tǒng)模型，并使用典型環(huán)節(jié)各專(zhuān)用設(shè)備的、通用數(shù)學(xué)模型、設(shè)計(jì)與運(yùn)行參數(shù)，完成典型環(huán)節(jié)工藝系統(tǒng)模型開(kāi)發(fā)；最后按照鈾純化環(huán)節(jié)操作規(guī)程進(jìn)行操作，驗(yàn)證開(kāi)發(fā)的特殊設(shè)備數(shù)學(xué)模型是否滿足培訓(xùn)需求。

根據(jù)核電模擬器的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，隨著運(yùn)行數(shù)據(jù)和操作工況的積累，不斷對(duì)模擬器進(jìn)行升級(jí)，模擬器終能滿足操作員培訓(xùn)的需求。

3.3.2 首端/尾端工藝系統(tǒng)仿真

首段/尾端轉(zhuǎn)運(yùn)、剪切、焙燒等過(guò)程為離線操作，并與上下游關(guān)聯(lián)性較弱，且均為典型的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其工藝系統(tǒng)擬采用核電仿真平臺(tái)+三維視景軟件仿真的方案。核動(dòng)力運(yùn)行研究所已經(jīng)成功使用該方案，成功開(kāi)發(fā)出核電站虛擬裝卸料模擬機(jī)，因此技術(shù)上是完全可行的[5]。

4 結(jié)束語(yǔ)

乏燃料后處理是一個(gè)高難度的化工技術(shù)，其培訓(xùn)用模擬機(jī)是高效培訓(xùn)操作員的必不可少的工具；雖然核電模擬機(jī)的成功經(jīng)驗(yàn)證明了其開(kāi)發(fā)技術(shù)路線是可行的，但由于其工藝與核電的差異，還需更多總結(jié)實(shí)踐操作經(jīng)驗(yàn)，研究其開(kāi)發(fā)技術(shù)，因此要求技術(shù)人員付出更大的努力進(jìn)行學(xué)習(xí)、探索和積累。