乏燃料后处理培训用模拟机的必要性与可行性

班泉聚

（核动力运行研究所，湖北武汉430023）

1 前言

乏燃料后处理是核燃料循环的关键技术，在核能事业占有十分重要的地位，目前根据国内公开资料显示，预估中国2020 年每年卸出的乏燃料将达到900t，已卸出的乏燃料总量将达到7500t左右；提升乏燃料后处理能力、培养乏燃料后处理人才迫在眉睫。

目前核电、化工、航空、航天、高铁等行业，均开发了培训用模拟机或者模拟器，用于运行和维修人员的日常培训。特别在核电行业，目前国内核电站操作员的培训均是在全范围模拟机上进行。

随着计算机、通信等技术的发展，目前各行业模拟器在向着精细化、一体化方向发展，仿真方式也从最初的原理性逻辑仿真向着机理性仿真方向发展。我国的乏燃料后处理系统的仿真研究由于开展稍晚，仅在分配比模型和混合澄清槽模拟方面开展了部分研究工作[1]，与国外相比存在较大的差距。

本文总结其它行业应用模拟器培训的经验，研究法律法规的相关要求，指出开发乏燃料后处理培训用模拟器的必要性；并根据开发核电模拟器的相关经验，提出乏燃料后处理培训用模拟机（以下简称培训用模拟机）开发的技术可行性。

2 必要性

2.1 国内乏燃料后处理项目建设的需要

根据调研，目前乏燃料后处理厂在操作人员的培训上面临着以下问题：

1）运行操作人员的培训采用传统的师傅带徒弟的跟班式培训方式，操作经验需要在实际运行操作中获取，在无生产任务、生产任务较重、操作难度或安全要求高时，均无法给予实习的操作员操作的机会。

2）对于曾经出现过的典型场景、事故工况，由于难以复现现象，只能口耳相传，培训效果有限。

2.2 法律、法规的要求

根据中华人民共和国民用核设施安全监督管理条例（以下简称HAF 001）的规定，乏燃料后处理行业属于国家核安全局严格监督管理的行业。HAF 001 在第八条、第十三条、第十四条规定，在监管条例范围内的所有民用核设施（包括核电厂、乏燃料后处理厂）的操作员均需具有上岗执照，且执照申请者需满足国家要求的运行操作培训后,才能批准发给相应的执照[2]。

我国的民用核设施标准体系很多直接采用美国标准，核安全局对于美国的核安全法规、导则以及标准均是认可的。国内核电站在核电站的执照申请、设计、建造、培训、操作员执照申请多参照美国标准，目前国内核电站参照的培训和核电用模拟机的法规与导则如图1 右半部所示。

在“联邦法规-10 PART 50”中明确了核设施的范围以及核设施执照获取的法律规定，燃料处理厂（Fuel Reprocessing Plants）适用 PART 50 中规定的强制性要求。“联邦法规-10 PART 55”中规定了“联邦法规-10 PART 50”中定义的核设施操作员的取证要求，即操作员考试必须的项目——笔试和操作考试，并在“联邦法规-10 PART 55.40”中的第4 条提出，美国核管会需监督非动力核设施操作员的笔试与操作考试；对于操作考试，“联邦法规-10 PART 55.45”的第13 条明确规定：操作考试可以直接在现场设备上进行，也可以在仿真的模拟设备上进行，如在模拟设备上，模拟设备需满足“联邦法规-10 PART 55.46”的法规要求。目前全世界的核电厂的操作培训和操作考试均在模拟机上进行。

图1 国内核电厂参考的培训用模拟机标准

国内核电行业参考的“联邦法规-10 PART 50和55”在美国对于乏燃料后处理行业也是必须强制应用的法规。目前由于乏燃料后处理行业背景的特殊性，乏燃料后处理操作员标准、规范并不明晰，没有像核电行业那样有章可循，但是随着国家对该行业的发展，相信国家会逐步加强对于乏燃料后处理操作员和值长培训、考试,考试设施要求的监管,相关的法律、法规、标准也将会逐步制订与完善。

2.3 使用模拟器培训的优点

根据航空、航天、核电、化工等相关行业应用模拟器培训的经验反馈显示，使用模拟器培训主要有以下优点：1)用模拟机培训操作员，不存在安全方面的问题；2)提高实际设备的利用率；3)训练效果好；4)培训用模拟机具有一定的通用性；5)建立模拟机训练中心经济上有很大收益；6) 除培训外，还可以用于教学、研究和核设施的设计。

3 技术可行性

经过分析乏燃料后处理系统的架构，并借鉴核电模拟机的开发经验，乏燃料后处理模拟机可分为HMI 仿真、控制逻辑仿真、工艺系统仿真以及模拟机教学所需的教控系统等4 个部分，根据其工艺、操作、控制的不同,工艺系统仿真又分为化学分离仿真和首段/尾端仿真两个部分。

模拟器架构拓扑如图2 所示。

图2 培训用模拟机结构拓扑图

3.1 HMI 和控制逻辑仿真

可直接使用与实际系统相同的HMI 人机接口软件；控制逻辑可采用虚拟实物的方式进行仿真；核电模拟机目前普遍采用这两种技术，因此不存在技术瓶颈[3]。

3.2 教控系统

目前核电模拟机采用的核电仿真平台，均具有教控软件功能, 如核动力运行研究所开发的Rinsim 核电仿真平台，其功能完全满足乏燃料后处理模拟机对教控功能的要求[4]。

3.3 工艺系统仿真

工艺系统的仿真可分为化学分离环节工艺系统仿真和首段/尾端工艺系统仿真。

3.3.1 化学分离环节工艺系统仿真

化学分离环节（首端的溶解环节、共去污环节、分离环节、铀纯化环节、铀尾端）的工艺系统为过程控制系统，且流体介质的反应、流动、能量传动均是连续的或可连续的，与核电一二回路的热工水力较为相似，因此可使用成熟的核电仿真平台建立化学分离环节的工艺系统数学模型。

1）对于通用设备，例如阀门、电机、泵、搅拌器、换热器、变频器等,首先使用核电仿真平台中已开发的数学模型建模，然后使用参考系统设备的设计和运行参数对数学模型进行二次开发和修正；

2）对于气、液、蒸汽等管路，首先使用核电仿真平台的水利流网软件建立管路数学模型，然后使用参考系统管路的设计和运行参数对数学模型进行二次开发和修正；

3）对于乏燃料后处理的专用设备，例如脉冲萃取柱、混合澄清槽等，首先需根据其设计与实际运行数据，在核电仿真平台中建立其数学通用模型；然后选取的典型环节（例如铀纯化环节）的工艺系统模型，并使用典型环节各专用设备的、通用数学模型、设计与运行参数，完成典型环节工艺系统模型开发；最后按照铀纯化环节操作规程进行操作，验证开发的特殊设备数学模型是否满足培训需求。

根据核电模拟器的开发经验，随着运行数据和操作工况的积累，不断对模拟器进行升级，模拟器终能满足操作员培训的需求。

3.3.2 首端/尾端工艺系统仿真

首段/尾端转运、剪切、焙烧等过程为离线操作，并与上下游关联性较弱，且均为典型的运动控制系统，其工艺系统拟采用核电仿真平台+三维视景软件仿真的方案。核动力运行研究所已经成功使用该方案，成功开发出核电站虚拟装卸料模拟机，因此技术上是完全可行的[5]。

4 结束语

乏燃料后处理是一个高难度的化工技术，其培训用模拟机是高效培训操作员的必不可少的工具；虽然核电模拟机的成功经验证明了其开发技术路线是可行的，但由于其工艺与核电的差异，还需更多总结实践操作经验，研究其开发技术，因此要求技术人员付出更大的努力进行学习、探索和积累。