華龍一號堆芯換料模擬操作系統(tǒng)的研究與應用

［摘 要］文章旨在探討華龍一號核電站堆芯換料模擬操作系統(tǒng)的設計、開發(fā)及應用。華龍一號是我國自主研發(fā)的第三代核電技術，其堆芯換料操作直接關聯(lián)到核電站的安全穩(wěn)定運行和核燃料的有效利用。為確保換料過程中的操作安全、精確無誤，對操作人員的培訓至關重要。文章介紹了一種基于虛幻引擎的高級模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠精確展示換料操作的主要步驟，并同時模擬換料過程中可能出現(xiàn)的異常情況，如燃料組件剮蹭等危險行為的判斷與處理。

［關鍵詞］華龍一號；堆芯換料；操作模擬；虛幻引擎；人機交互

［中圖分類號］TL351.1 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）07–0095–03

借鑒國內(nèi)外在核電站操作安全培訓方面的成熟經(jīng)驗和技術進步，文章提出一套全新的換料模擬操作系統(tǒng)，可以大幅提升國內(nèi)核電站員工的操作技能和應急處理能力，為我國核電安全穩(wěn)健運行提供強大的技術和人才支撐。

1 仿真模擬基礎研究

虛幻引擎是由Epic Games 公司開發(fā)的高端仿真開發(fā)平臺，其核心競爭力在于提供行業(yè)領先的實時3D 創(chuàng)建和渲染工具。這款引擎結合了復雜的圖形處理技術，包括先進的光線追蹤、物理基準的渲染、動態(tài)光照和影子系統(tǒng)，以及高度真實的材質和紋理支持，使得最終產(chǎn)出物能夠在視覺上高度接近于現(xiàn)實世界。

（1）通過虛幻引擎強大的網(wǎng)絡編程功能，開發(fā)者可以利用TCP（傳輸控制協(xié)議）技術與設備進行可靠的通信。TCP 作為一種可靠的傳輸層控制協(xié)議，確保了數(shù)據(jù)的安全傳輸和順利交付，為多人游戲、遠程控制及數(shù)據(jù)交換等聯(lián)網(wǎng)功能提供了可靠基礎。這使得虛幻引擎成為了實現(xiàn)各種復雜網(wǎng)絡交互的理想平臺。

（2）CRC（循環(huán)冗余校驗）技術旨在檢測數(shù)據(jù)傳輸過程中的錯誤或損壞。在數(shù)顯管顯示中，CRC 技術可以用于確保傳輸?shù)綌?shù)顯管的數(shù)據(jù)的準確性和完整性。通過在數(shù)據(jù)中添加CRC 校驗碼，并在接收端對接收到的數(shù)據(jù)進行CRC 校驗，數(shù)顯管可以有效地檢測到傳輸過程中可能發(fā)生的錯誤，并采取相應的糾正措施，以確保顯示的信息準確無誤。CRC 技術的應用使得數(shù)顯管顯示更加可靠，并提升了其在各種應用場景中的實用性和可靠性。

（3）UMG（通用媒體網(wǎng)關）是虛幻引擎中構建用戶界面的工具。其利用了藍圖和C++ 的優(yōu)勢，提供了一種創(chuàng)建響應式和動態(tài)UI（用戶界面）的方法。UMG 工作原理類似于網(wǎng)頁和移動應用開發(fā)中的UI 設計，允許設計師創(chuàng)建各種小部件，如按鈕、滑塊、文本框等，并定義其外觀和行為。UMG 支持樣式化和動態(tài)內(nèi)容，可以實現(xiàn)動畫、屏幕轉換等高級UI 特性。利用UMG，開發(fā)者可以創(chuàng)建從簡單的HUD（抬頭顯視設備）到復雜的游戲菜單和交互式控制面板的任何東西。

（4）C++ 編程支持。虛幻引擎提供了全面的C++支持，使得開發(fā)者能夠編寫高效率的代碼來構建復雜的游戲邏輯和性能關鍵的系統(tǒng)。與藍圖相比，C++ 提供了更大的靈活性和控制，允許開發(fā)者訪問引擎的低層系統(tǒng)，實現(xiàn)更優(yōu)化的代碼。此外，對于需要執(zhí)行大量計算或需要精細控制的功能，C++ 是更好的選擇。C++ 和藍圖之間有很好的互操作性，可以將C++ 類暴露給藍圖使用，或在藍圖中調用C++ 編寫的函數(shù)。

2 模擬操作流程

模擬操作臺實物按鈕與程序通過TCP 進行信號傳輸，從而控制模擬操作裝卸料過程。描述了裝卸料機的正常操作，以指導裝卸料機操作員正確、安全地進行裝卸料操作。在反應堆廠房內(nèi)，一切裝卸料操作都是在換料主管的監(jiān)督下由裝卸料機操作員來完成。

（1）操作前需要按照3 個步驟進行選擇：①裝料還是卸料操作；②自動還是手動操作；③具體要操作哪個燃料組件。最后點擊確認開始下一步。

（2）手動進行裝卸料操作。卸料先從堆芯處操作裝卸料機取出對應的燃料組件，操作大車、小車及主提升移動抓具，并通過抓具操作開關控制抓具的嚙合抓取燃料組件，然后操作大車、小車及主提升，將燃料組件移動至傾翻機指定標高位置釋放，從而完成卸料操作。裝料先從傾翻機處取出對應燃料組件，然后操作大車、小車到達指定燃料組件位置，再通過操作主提升將指定燃料組件放至堆芯指定位置，再通過抓具操作開關釋放燃料組件，完成裝料操作，最后操作主提升、大車、小車離開堆芯區(qū)域完成操作流程，如圖1 所示。

（3）自動操作。體驗者可以通過選擇自動操作進行自動換料模擬，選擇裝料或卸料操作及對應的燃料組件，采用橫向比較位置和縱向比較位置后進行積分計算直線路徑，即可進行自動換料操作模擬。全自動操作通過數(shù)據(jù)庫提供的步數(shù)、坐標等信息，來實現(xiàn)大、小車位置的自動定位。每一步的操作包括兩種運動：①裝卸料機從標識提升的地方取燃料；②裝卸料機在標識插入的地方放置燃料組件。自動操作流程如下：點擊大、小車或主提升畫面的“選擇自動”按鈕，進入“自動操作畫面”→選擇“全自動操作”，確認畫面上顯示“全自動激活”→檢查“全自動操作數(shù)據(jù)畫面”顯示運行數(shù)據(jù)→點擊“下個動作”，確認數(shù)據(jù)后，點擊“確認”；裝卸料機操作員點擊“自動運行”，大、小車開始自動定位移動→點擊“選擇新步數(shù)”，彈出“小鍵盤”，可以跳轉到任意一步。注意：如果在自動運行的工況下手動干預停止，完成后必須重新選擇“手動”模式。

3 旁路檢測和手動操作注意事項

在操作中，有幾個判斷區(qū)域需要考慮。進入堆芯慢速區(qū)和停止點時，顯示荷載線性變化情況。堆芯接近全下位時，如果x、y 坐標誤差超過1 mm，將顯示超載/ 欠載錯誤。當堆芯全下位時，在9 525±5 mm 的范圍內(nèi)可釋放。抓具進入套筒慢速區(qū)和接近上部慢速區(qū)時，速度會切換。此外，大車、小車聯(lián)鎖規(guī)定在提升高度不小于4 000 mm 時，只能操作小車，低于該標高則可操作大車和小車?？蛰d重量為主提升空載下降到4 500 mm 時的重量（濕重），裝卸料機抓取控制棒組件時選擇開關打到位置“重”，抓取其他組件時選擇開關打到位置“輕”。

操作面板和指示燈提供了多種功能：報警靜音按鈕用于靜音裝卸料機故障報警；抓具嚙合燈和抓具脫扣燈用于顯示抓具狀態(tài)；抓具操作開關控制抓具的嚙合和釋放；速度控制開關手動切換游戲操作移動速度；大車手柄操作大車前后運行，小車手柄操作小車左右運行，主提升手柄操作主提升上下移動；主提升超載和欠載時警示燈亮起；邊界旁路指示燈顯示是否在邊界操作；自動轉運功能可以按預設標準流程播放當前任務的燃料組件操作。

晶體管顯示提供了大車、小車、主提升位置及主提升荷載的相關數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)根據(jù)模擬程序內(nèi)的世界坐標位置換算到實際標高，主提升荷載根據(jù)燃料組件重量計算，并進行線性變化顯示。

屏幕信息顯示包括當前大車位置、當前小車位置、目標大車位置、目標小車位置、主提升高度、主提升荷載、主提升速度及氣壓等數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)也是根據(jù)模擬程序內(nèi)的世界坐標位置換算到實際標高，主提升荷載根據(jù)燃料組件重量計算，并進行線性變化顯示。

（1）手動操作。裝卸料機操作員手動推動“大車控制手柄”，向上推動裝卸料大車即向堆芯90° 方向移動，向下推動即裝卸料大車向堆芯270° 方向移動。裝卸料機操作員手動推動“小車控制手柄”，向左推動裝卸料小車即向堆芯0° 方向移動，向右推動裝卸料小車即向堆芯180° 方向移動。裝卸料機操作員手動推動“主提升控制手柄”，向上推動裝卸料機伸縮套筒即向上移動，向下推動裝卸料機伸縮套筒即向下移動。裝卸料機主提升下降到燃料組件上方，且出現(xiàn)主提升荷載釋放后，裝卸料機操作員手動將“抓具操作開關”向“嚙合”位置旋轉，裝卸料機抓具即抓取組件，隨后“抓具嚙合”燈亮。荷載釋放條件為堆芯位置參考標高9 525±5 mm，傾翻機位置參考標高4 545±5 mm，荷載釋放參考值不大于450 kg。裝卸料機操作員手動將“抓具操作開關”向“脫扣”位置旋轉即釋放組件，隨后“抓具脫扣”燈亮。

當主提升進入接近上部慢速區(qū)（≤ 300 mm）時速度自動降為慢速，慢速區(qū)是防止主提升快速沖過上部限位開關。提升主提升到上部限位，觸摸屏上顯示編碼器上部限位，主提升上部限位燈亮并且主提升自動停止。

晶體管顯示大車位置、小車位置、主提升位置，模擬程序內(nèi)世界坐標位置換算到實際標高，顯示主提升荷載隨著組件重量變化而產(chǎn)生線性變化。

（2）旁路檢測。在安全區(qū)外，觸發(fā)邊界旁路，只允許大車、小車慢速移動。如果手動操作碰撞到其他設備或堆芯基建設施，觸發(fā)操作失敗警告。并且主提升攜帶燃料組件在堆芯或傾翻機處操作時，與其他設備或燃料組件剮蹭或未對準坐標位置觸發(fā)超載或欠載旁路，模擬操作結束，提示失敗。

4 結束語

堆芯換料操作是核電站核島內(nèi)運行極其重要的一步，對整個核電站的正常發(fā)電運行有著極其重要的影響。本研究圍繞著華龍一號堆芯換料模擬操作系統(tǒng)展開研究與應用，深入探討了其設計、實現(xiàn)及應用的相關內(nèi)容。通過此系統(tǒng)，還原華龍一號換料操作的基礎操作模擬及基礎旁路模擬，可以在低成本、高安全性的前提下實現(xiàn)對體驗者的操作基礎教學，有助于學員了解堆芯換料操作?？傊A龍一號堆芯換料模擬操作系統(tǒng)具有廣闊的應用前景和發(fā)展空間，未來的研究工作將繼續(xù)致力于推動系統(tǒng)的進一步發(fā)展和應用，為核能領域的發(fā)展作出更大的貢獻。

參考文獻

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