單建強(qiáng) 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(duì)核行業(yè)對(duì)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(duì)不同的對(duì)象采用不同的教育模式,并在教學(xué)過程中加強(qiáng)實(shí)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(dá)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(hào)]G64 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]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(jì)、改善民生、全面建設(shè)小康社會(huì)的艱巨任務(wù)。維護(hù)能源資源長(zhǎng)期穩(wěn)定可持續(xù)利用,是中國政府的一項(xiàng)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(jì)效益好、安全有保障的發(fā)展道路,全面實(shí)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(hào)),在“十一五”時(shí)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(jìn)一步完善,基本滿足了經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要,為“十二五”能源發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
“十二五”規(guī)劃提出了安全高效發(fā)展核電,要求嚴(yán)格實(shí)施核電安全規(guī)劃和核電中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃(調(diào)整),把“安全第一”方針落實(shí)到核電規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)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(jī)組安全改造。全面加強(qiáng)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(qiáng)國。到2015年,運(yùn)行核電裝機(jī)達(dá)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(duì)核安全又有了新的理解和要求,對(duì)核安全的嚴(yán)重事故進(jìn)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(yuǎn)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(jìn)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(duì)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(qiáng)調(diào)核安全文化的重要性,核安全原則的設(shè)計(jì)及其實(shí)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(jì)原理,核安全事故分析方法,核安全嚴(yán)重事故的預(yù)防與緩解等。而針對(duì)研究生,就需要更深入的核安全的知識(shí),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(yán)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(duì)核安全事故進(jìn)程和應(yīng)對(duì)措施缺乏感性的認(rèn)識(shí)。
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(huì)有不同的需求,因此有必要進(jìn)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(duì)不同的對(duì)象采用不同的教學(xué)模式,并在教學(xué)過程中加強(qiáng)實(shí)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(dá)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(duì)不同的對(duì)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(shí)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(jī)會(huì)進(jìn)行加強(qiáng),但鑒于放射性的不可接觸性,需要借助虛擬仿真的平臺(tái),采用虛擬仿真的方式,進(jìn)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(duì)本科生和核工程技術(shù)人員,需要重點(diǎn)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(jì)與評(píng)價(jià)方法、核電廠典型事故分析、核安全嚴(yán)重事故的處置與緩解、核電廠輻射防護(hù)與監(jiān)測(cè)等??倢W(xué)時(shí)應(yīng)該為32學(xué)時(shí)。在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié),要重點(diǎn)利用核電廠的仿真平臺(tái)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(duì)研究生,重點(diǎn)應(yīng)該在核電廠安全的分析與評(píng)價(jià)方法方面,比如核電廠安全分析模型與計(jì)算方法,分析目前普遍存在的分析模型與方法,各個(gè)模型和算法的優(yōu)缺點(diǎn)??倢W(xué)時(shí)應(yīng)該為40學(xué)時(shí)。在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié),重點(diǎn)應(yīng)該在大型核反應(yīng)堆安全分析計(jì)算軟件的應(yīng)用,各個(gè)模型與算法的比較分析與實(shí)現(xiàn)。
二、本一碩一博多層次核反應(yīng)堆安全課程教學(xué)實(shí)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(huì)主義和諧社會(huì)的需要。因此,迫切需要采取切實(shí)有效的措施,進(jìn)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(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的需要。實(shí)踐教學(xué)對(duì)于學(xué)生技能的培養(yǎng)、知識(shí)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(shí)必須加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué),使理論與實(shí)踐相結(jié)合,使學(xué)生所掌握的知識(shí)向?qū)嵺`能力方面轉(zhuǎn)化。實(shí)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(shí)驗(yàn)教學(xué)依托虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)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(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象,讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展實(shí)驗(yàn),以達(dá)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(shí)體難于分解、實(shí)體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)成本高、實(shí)驗(yàn)的安全性保障難等具體難點(diǎn),本著體現(xiàn)“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛”的原則,核安全與運(yùn)行實(shí)驗(yàn)室結(jié)合核電廠與火電廠國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心,為核安全類課程提供全方位的課程實(shí)踐教學(xué)實(shí)驗(yàn)。
(一)核電廠全范圍虛擬仿真平臺(tái)
核電廠全范圍虛擬仿真平臺(tái)所采用的是3KeyMas-ter仿真平臺(tái),它是美國WSC公司開發(fā)的基于PC環(huán)境的仿真平臺(tái),能夠在Windows操作系統(tǒng)平臺(tái)環(huán)境下實(shí)時(shí)運(yùn)行仿真模型。目前仿真平臺(tái)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(tái),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(shí)物圖形化的主控臺(tái)、動(dòng)態(tài)的圖表等,又為3KeyMaster提供了核動(dòng)力仿真過程中更接近于實(shí)際的人機(jī)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(jìn)去,同時(shí)可以很方便地實(shí)現(xiàn)和分散控制系統(tǒng)(DCS),I/O以及電廠過程計(jì)算機(jī)的對(duì)接。
3KeyMaster仿真系統(tǒng)可以用于核動(dòng)力裝置的建模研究、核動(dòng)力裝置事故安全分析以及核動(dòng)力裝置操作人員的考試培訓(xùn)等。該仿真平臺(tái)采用了Access數(shù)據(jù)庫,能夠?yàn)楹藙?dòng)力裝置系統(tǒng)的仿真建模提供大量的模型及工具庫,人機(jī)界面友好,面向?qū)ο蠼#⒕哂蟹奖阋胧鹿?、過程回放及進(jìn)行遠(yuǎn)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(yùn)行和事故分析的培訓(xùn),對(duì)堆芯熔化、安全殼失效和放射性物質(zhì)釋放等嚴(yán)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(yùn)行時(shí)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(jì)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(shí)的培訓(xùn)和練習(xí)。模擬程序延展到可以根據(jù)現(xiàn)實(shí)的氣象條件提供區(qū)域的劑量預(yù)測(cè)。它的運(yùn)行可以是真實(shí)的速度也可以是數(shù)倍于真實(shí)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(dòng)冷卻概念的第三代先進(jìn)反應(yīng)堆后,PC-TRAN模擬軟件已涵蓋GEABWR、ESBWR、AP1000、EPR等堆型。每一個(gè)模型都已經(jīng)與設(shè)計(jì)文件進(jìn)行了核實(shí)驗(yàn)證,保證程序的真實(shí)性。
(二)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)
根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的特點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)?zāi)康模瑢?shí)驗(yàn)項(xiàng)目可進(jìn)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(diǎn)及面,從而滿足學(xué)生在不同培養(yǎng)階段的需要。
針對(duì)本科生,核反應(yīng)堆安全分析實(shí)驗(yàn)利用核電廠全范圍實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)提供的建模和分析工具,開展壓水堆核電廠的典型設(shè)計(jì)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(yán)重事故仿真模擬。通過對(duì)這些事故的仿真模擬,加深學(xué)生對(duì)各種事故的演化過程的理解。同時(shí),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(yàn)證仿真模型、控制方案的可行性和有效性,培養(yǎng)與提高動(dòng)手能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力。
針對(duì)學(xué)有余力的高年級(jí)本科生和研究生,教學(xué)團(tuán)隊(duì)設(shè)置了事故規(guī)程分析專題實(shí)驗(yàn)和嚴(yán)重事故管理對(duì)策專題實(shí)驗(yàn)。
1.事故規(guī)程分析專題實(shí)驗(yàn)
該專題實(shí)驗(yàn)適合學(xué)有余力的高年級(jí)本科生和研究生。在這類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中,學(xué)生開始接受科研的相關(guān)訓(xùn)練,完成從文獻(xiàn)檢索到仿真評(píng)估的過程。核電廠全范圍實(shí)時(shí)仿真平臺(tái),將為學(xué)生提供進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)和評(píng)估的基本環(huán)境。在該專題實(shí)驗(yàn)中,學(xué)生需要在老師的指導(dǎo)下對(duì)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(tái)模擬分析,進(jìn)行基于事件導(dǎo)向或狀態(tài)導(dǎo)向的核電廠運(yùn)行規(guī)程的開發(fā)和制定。通過該專題實(shí)驗(yàn),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(dòng)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(dú)立展開初步的研究工作。
2.嚴(yán)重事故管理對(duì)策專題實(shí)驗(yàn)
該專題實(shí)驗(yàn)適合學(xué)有余力的高年級(jí)本科生和研究生。在該專題實(shí)驗(yàn)中,利用核電廠嚴(yán)重事故系統(tǒng)分析軟件為學(xué)生演示核電廠嚴(yán)重事故過程中涉及的主要事故現(xiàn)象,包括核電廠嚴(yán)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(yán)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(yán)重事故機(jī)理及現(xiàn)象學(xué)。學(xué)生需要在老師的指導(dǎo)下對(duì)核電廠嚴(yán)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(shí)時(shí)仿真平臺(tái)對(duì)核電廠嚴(yán)重事故的模擬仿真,進(jìn)行嚴(yán)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(shí)驗(yàn),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(dòng)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(dú)立展開初步的研究工作。
(三)項(xiàng)目設(shè)計(jì)
為了拓展本科生和核工程技術(shù)人員的知識(shí)面以及提升其事故安全分析能力,團(tuán)隊(duì)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(shí)特點(diǎn),有針對(duì)性地設(shè)計(jì)了許多項(xiàng)目設(shè)計(jì)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(xiàng)目設(shè)計(jì)課題與《核電廠安全》的書本知識(shí)相關(guān),但研究對(duì)象不同。通過讓本科生和核工程技術(shù)人員參與項(xiàng)目設(shè)計(jì)課題,加深其對(duì)核電廠安全分析基本知識(shí)的了解,同時(shí)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(jì)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(tuán)隊(duì)教學(xué)成員有針對(duì)性地設(shè)計(jì)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(xiàn)、分析問題、實(shí)驗(yàn)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(jì)算軟件的研制與開發(fā),掌握?qǐng)?jiān)實(shí)寬廣的基礎(chǔ)理論和系統(tǒng)深入的專業(yè)知識(shí),培養(yǎng)獨(dú)立從事科研工作的能力和嚴(yán)謹(jǐn)?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(shí)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(gè)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(duì)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(jì)和研究、制造和運(yùn)行、監(jiān)管和評(píng)價(jià)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(duì)策)、核安全法規(guī)及安全監(jiān)督、核電廠的安全設(shè)計(jì)(縱深防御設(shè)計(jì)原則)、核電廠的安全評(píng)價(jià)(確定論安全評(píng)價(jià)法與概率安全評(píng)價(jià)法兩種系統(tǒng)工程安全評(píng)定方法)、核電廠安全運(yùn)行——運(yùn)行工況與事故分類和核電廠典型事故、核電廠核輻射防護(hù)與監(jiān)測(cè)以及核電廠嚴(yán)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(jí)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(duì)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(jìn)展。第一篇是壓水堆安全分析,重點(diǎn)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(duì)核電廠安全與事故對(duì)策的見解與實(shí)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(píng)價(jià)法分析壓水堆各類設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故,闡述嚴(yán)重事故物理過程、嚴(yán)重事故的管理對(duì)策以及典型的嚴(yán)重事故,并介紹核安全評(píng)價(jià)中另一種系統(tǒng)的工程安全評(píng)價(jià)方法即概率安全評(píng)價(jià)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(duì)象,以核電廠安全分析程序的發(fā)展需求,詳細(xì)論述反應(yīng)堆動(dòng)力學(xué)與熱工水力模型及其數(shù)值解法。首先闡述點(diǎn)堆及一維時(shí)空動(dòng)力學(xué)模型和三維時(shí)空動(dòng)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(xì)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(bǔ)充介紹不確定性分析,以彌補(bǔ)對(duì)兩相流復(fù)雜現(xiàn)象認(rèn)識(shí)的不足。
四、結(jié)論
本研究從核工業(yè)對(duì)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(duì)本科生、碩士生和博士生的知識(shí)結(jié)構(gòu)和核行業(yè)技能需求采用不同的教育模式,以達(dá)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(shí)踐教學(xué)相結(jié)合,提升學(xué)生對(duì)專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的掌握度和對(duì)核反應(yīng)堆安全相關(guān)的科研進(jìn)行再創(chuàng)新的能力。