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核能科技奖丨黄金十年 做最好的PSA —— 上海核工院“全范围PSA分析体系和先进分析工具的开发及应用”研究纪实
时间:2021年07月21日 来源:《中国核能》 作者:上海核工院 银汉 点击量:3072 分享:

创新路上的靓丽风采

2020年,中国核能行业协会科学技术奖评定出科技进步奖共76 项,其中,一等奖 6 项、二等奖 19 项、三等奖 51 项;技术发明奖 2 项,其中,一等奖 1 项、二等奖 1 项;企业技术创新工程奖 2 项;创新团队奖 4 项( 其中 2 项并列第三 );青年优秀创新人物 5 名。 

为进一步弘扬科学家精神和大国工匠精神,宣传核能行业创新工程、创新团队、创新人物,展示核能行业笃行务实、追求卓越的精神,协会《中国核能》杂志从2021年第一期开始对核能科技奖部分获奖的创新集体和创新个人进行综合报道,以飨读者。


2020年12月,中国核能行业协会2020年科学技术奖名单出炉,76个获奖项目中,国家核电(上海核工院)(以下简称“上海核工院”)的“全范围PSA分析体系和先进分析工具的开发及应用”荣获科技进步一等奖,这也是国内PSA专业获得的第一个省部级一等奖。

全面拓展 填补空白

PSA,即Probabilistic Safety Assessment,概率安全评价(亦称概率风险评价PRA)。不同于用确定论方法对核电厂设计进行安全评价,PSA是一种定量评价事故发生概率及其潜在后果的系统性方法。

通过对核电厂设计特点、运行状态、运行实践经验、运行历史的影响、设备可靠性、人员可靠性以及堆芯熔化物理过程、放射性迁移对环境和健康的影响等各种因素进行全面评估分析, PSA计算出核电厂综合量化的安全性能指标。

PSA就像核电厂的医生,为核电厂诊断、保证其安全运行。在核电厂设计阶段,可以找出设计薄弱环节,优化设计方案,提升核电厂安全性;而在核电厂运行阶段,可评估电厂风险水平状态,优化运行风险管控,在保障安全水平的情况下提升电厂经济性。

对PSA方法的研究和应用最早要追溯到上世纪五十年代NASA(美国国家航空航天局)的阿波罗登月计划。上世纪七十年代,PSA应用到核电领域。随着核电技术的发展,以及从三哩岛事故到切尔诺贝利事故的经验反馈,PSA以其全面平衡安全性和经济性的特点和先进性,越来越成为行业共识,成为电厂设计安全审评必不可少的内容。

国内于1984年开始开展PSA相关工作(上海核工院是最早开展PSA学科建设工作的单位之一),发展到2010年前后,从总体上看,在国家核安全局、设计院、业主及各相关高校的联合推进下,摸索中取得了一些进展,但也存在一些不足,主要表现为两个方面:一是相关研究和应用相对零散,系统性不足,特别是在福岛事故后,更是暴露出分析范围不够全面;二是分析建模工具主要依赖于进口软件,后续拓展应用自主性、灵活性不足。

正是在这样的背景下,上海核工院在原有对PSA的摸索和积累并取得阶段性成果的基础上,依托国家科技大型先进压水堆核电站重大专项中的“CAP1400关键设计技术研究”课题,开展“全范围PSA分析体系和先进分析工具的开发及应用”研究,全面布局PSA能力拓展提升和软件工具自主开发工作,努力实现PSA技术新的跨越。

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研发团队合影

算法代码 完全自主

从2010年到2020年,这十年可以说是PSA发展的黄金十年,上海核工院牢牢抓住技术能力拓展、软件工具自主、成果落地应用这三个重点方向,过程中及时总结工作经验提炼支撑行业标准研究,不仅固化成果,同时反哺提升实现技术螺旋式上升。通过十年研发,开发了一套全面、完整、独立的PSA技术体系,解决了前述痛点,并打通了从基础方法工具开发到全流程应用的上下游屏障,形成了一套完整的PSA分析体系。

上海核工院PSA团队在参照最新研究成果深化原有技术基础上,全力拓展技术能力。在地震PSA方面,涉及多个不同类型设备的易损度分析是核心技术挑战,针对岩石地基的分析国内业界已基本掌握,而我国首个出口核电站巴基斯坦恰希玛项目的软土地基,还需要考虑土体与结构不确定性的土-结构相互作用分析,国内尚无先例。作为恰希玛项目的设计总包单位,上海核工院组成以PSA团队为主、多专业协同的核心团队集体攻关,通过概率土-结构相互作用分析方法开发、基于层间位移的延性系数计算,合理确定非弹性吸收系数,进而得到易损度,同时还开发了基于蒙卡抽样和最大-最小法的地震定量化算法,优化了计算效率,解决了地震PSA模型定量化中的多重卷积计算问题。这些问题的解决,填补了国内空白并使得地震PSA的整体水平达到国际领先水平。

面对浙江三门新建机场距离核电厂仅有7.2km的情况,PSA团队迎难而上,通过广泛调研,结合国内实际的航空数据,形成了一套精细化的飞机撞击PSA方法,攻克了飞机撞击具体核岛构筑物可能性计算以及构筑物飞机撞击易损度分析的难题,有效填补了国内空白。

类似的还有数字化主控室人员可靠性分析(HRA)、综合性火灾风险分析以及三级PSA等相关方法的开发,均填补了多个国内技术空白,也由此建立了包含内外部事件及乏燃料池风险评价的全范围PSA技术体系。

与国内外其他PSA技术团队相比,上海核工院的PSA自主化(包括软件自主化)发展理念目标明确、路径清晰、重点突出。十年磨一剑,团队综合全面调研,成功开发了基于先进算法的高性能计算引擎SPACal,并在此基础上开发了涵盖设计建模、运行服务和安全监管等各个方面的PSA软件体系,实现核心算法和软件代码完全自主。

在性能方面,与国际通用PSA系列软件(RS)相比,通过海阳、方家山、秦山一期核电厂和田湾等多个实际工程项目模型对比,SPACal计算引擎在计算精度和计算速度上优势明显,同时还实现了并行建模,大幅提高了模型开发效率,成果达到了国内领先、国际先进水平,目前已进入商业化和全面推广应用阶段。

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PSA安全评价测试现场

工程应用 全面跨越

上海核工院PSA研究的整体技术已应用于秦山30万千瓦、VVER、三代非能动AP系列、高温堆等多个堆型,关键技术应用于国家核安全局的核电厂安全运行性能指标监管以及重大专项的两个示范工程,同时包括出口的巴基斯坦恰希玛核电站系列项目。

其中,田湾VVER电厂风险指引型在役检查项目中,通过优化后管道在役检查数量降低约40%,仅此一项,一个在役检查周期内就能为业主节约直接成本700余万元,减少低低水位隔离时间窗口20小时(约2000万电价收益),大大提升了电厂的经济效益。截至目前该技术已累计实现服务合同额达千万元。近5年,团队各项技术开发及服务累积合同额超2亿元。

PSA团队在全面总结工程经验的基础上,参与了国内几乎所有PSA相关能源行业标准、方法、导则的编制,主编标准8篇,联合同行单位,建立国内PSA领域最完整的标准体系,有力推动了行业进步。同时,还形成了3项发明专利,获得13项软件著作权,13项成果鉴定中有1项被评为国际领先,另外12项均为国际先进,实现了PSA从“设计后分析论证”到“全面风险管控”的里程碑式技术跨越,不仅提升了电厂安全水平,更是积极推动行业技术进步,为后续进一步发展和全面应用奠定了坚实的基础。

志之所趋,无远弗届。在黄金的十年,上海核工院以梦为马,不负韶华。不期的未来,奋楫争先,勇立潮头。


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