马文君，宋亚峰，吴健蕾，夏 钊，辛 超

（核工业计算机应用研究所，北京 100048）

压水堆核电厂堆芯换料模式研究及管理系统实现

马文君，宋亚峰，吴健蕾，夏 钊，辛 超

（核工业计算机应用研究所，北京 100048）

压水堆堆芯换料系统是压水堆核电厂普遍采用的核燃料组件管理系统，该系统通过直观的图形化界面向燃料管理员展示核燃料厂房装载情况，并通过优化的算法生成堆芯换料组件移动步序，打印出组件移动单，用于现场实施。文章介绍了堆芯换料业务流程以及信息系统实现方案。

燃料组件；换料；大修；相关组件倒换

堆芯换料是压水堆核电厂机组大修过程中的重要环节，组件移动方案是否做到合理与优化将直接影响到燃料组件操作的安全性与高效性，同时对大修工期产生影响，会进一步影响到核电厂的经济效益。据测算，百万千瓦级机组满功率运转一天的发电量可创造上千万元的产值。随着国家核电事业的快速发展，核电厂将面临一位燃料管理员同时管理多台机组，解决换料组件移动方案的编制将成为一个的新问题。

目前，我国在核电厂堆芯换料管理领域存在多个版本的软件系统，如田湾核电厂曾采用的中国核动力研究设计院开发的核燃料管理系统，因田湾核电机组堆芯结构及换料模式的特殊性，该系统在其他核电厂的推广尚待商榷，其他部分核电厂早期采用简单的软件开发工具自行研发了换料辅助系统，如Excel VBA、FoxPro等，能在一定程度上满足需求，但不成体系。国外同行在此领域也有相关支持系统，如西屋的TracWork燃料管理模块，但无法很好地生成装卸料组件移动步序。

为适应核电厂精细化管理的需求，解决新形势下压水堆反应堆换料问题，核工业计算机应用研究所自主研发了“压水堆堆芯换料系统”（简称N1-NMS），该系统作为核电堆芯换料辅助系统，借助图形化的表现形式，通过优化的算法及合理的数据结构实现了核电堆芯换料组件移动方案的编制，以信息化的管理手段为燃料组件操作提供科学指导。

经过多年的验证及升级改造，N1-NMS系统已在我国多家核电厂投入使用，目前在国内外同类产品中已处于领先地位。

1 业务分析

通常，一个压水堆核电机组包括3个燃料厂房：堆芯、乏燃料水池和新燃料间。在机组大修前，设计院根据堆芯历史运行情况为核电厂设计新循环堆芯设计图，作为本次机组大修的堆芯换料目标。在进行堆芯实际换料操作前，燃料管理员需制定换料期间的所有燃料组件及相关组件移动方案，主要包括：卸料、相关组件倒换以及装料，本方案经过编校审批，打印出组件移动单及移动顺序表，作为换料期间组件移动操作的依据。

以秦山核电有限公司1号机组为例，反应堆共121个格架，正常堆芯换料需进行400步左右的组件移动步序。一名经验丰富的燃料管理员需花费两周左右的时间完成一套机组大修组件移动方案，当一人负责多个机组燃料管理工作时，这将是一项繁重的工作。

燃料组件移动步序是否优化直接影响到大修工期，如相关组件倒换过程中减少一次相关组件抓取工具更换即可节省2 h的大修工期，产生可观的经济效益。

当前，大多数核电厂规划建设多台机组，随着机组运行，组件数量不断增加，组件历史数据量越来越大，组件的管理及历史使用信息的挖掘也将是一个挑战。

因此，迫切需要一套完善的信息系统，来实现以下3个方面的组件管理需求：

1）快速制定堆芯换料组件移动方案，提高工作效率，减少人力成本；

2）编制优化合理的组件移动方案，提高组件移动操作安全性与高效性；

3）记录并整合组件运行数据，形成组件数据库，为燃料组件管理提供决策支持。

2 系统设计与实现

系统建设应用规范的软件工程学原理，过程主要包括：业务建模、系统功能设计、系统实现。

2.1 业务建模

根据核电机组堆芯换料业务流程，N1-NMS系统将压水堆核电机组堆芯换料业务抽象，形成如图1所示业务模型。

本模型分3个环节：方案准备、方案验证以及方案实施。

方案准备阶段编制堆芯换料期间组件移动方案，燃料管理员从设计院接收新循环堆芯设计，确定新循环堆芯燃料组件装载方案，作为本环节的关键输入数据，后续堆芯换料组件移动以此为目标。根据堆芯设计图，可确定新循环的新燃料组件的富集度及需求量，即可从燃料生产厂采购、接收新燃料组件，然后进行一系列大修换料的组件移动步序设计，主要包括：卸料顺序表、相关组件倒换顺序表、装料顺序表定义。

在系统中，燃料组件移动顺序表大部分都由系统自动生成，用户只需进行必要的准备数据输入即可。在卸料顺序表生成前，用户需确定卸料顺序、确定新循环回堆组件的乏燃料池（简称乏池）卸料位置以及新循环不回堆组件乏池卸料位置，其中新循环堆组件将直接卸到该组件在新循环的装料位置。

相关组件倒换顺序表生成前，则需定义相关组件类型分布；定义了堆芯设计图、装料顺序、装料位置对应乏燃料池图等模块，系统即可自动生成装料顺序表。各模块之间有严格的流程控制，环环相扣，最大程度地避免系统操作失误的产生。同时，为节省组件操作工期，系统自动生成的组件移动方案经过高度优化。

图1 压水堆核电机组堆芯换料业务模型Fig.1 Business model of PWR in-core refueling

组件移动方案准备完成后，即可进入方案验证环节，可根据组件移动方案进行动画模拟，从而验证组件移动的合理性，必要时进入方案维护模块进行调整，确保组件移动方案准确、合理。最后打印出移动单及移动顺序表，作为现场燃料组件移动操作依据。

在大修期间，燃料操作员根据组件移动单及移动顺序表进行堆芯换料操作。在公司局域网内，可查看堆芯换料实时进度。

2.2 系统功能设计

根据堆芯换料业务模型，N1-NMS系统功能设计严谨，各模块有严格的流程控制、权限控制，并记录详细的操作日志。功能模块包括：燃料组件管理、相关组件管理、机组大修管理、机组循环管理、燃料厂房管理以及其他相关模块。系统主界面将系统功能进行有机的组合，用户可在主界面中方便找到各模块入口；同时，用户通过系统主界面可掌握堆芯装卸料以及燃料组件使用的基本情况。

2.2.1 卸料顺序表定义

压水堆核电机组堆芯换料以装料为中心，即首先确定装料顺序以及乏池内的装料位置，在卸料时将回堆组件直接卸到乏池相应的装料位置上，由此，燃料管理员可整齐的布局乏池内的装料起始位置。假设堆芯大修换料是上循环为N循环，则新循环为N+1循环。N循环堆芯卸料时，组件分两类：N+1循环不回堆组件（即乏燃料）和N+1循环回堆组件，系统自动比较N+1循环堆芯设计图和N循环堆芯装载图，即可筛选出回堆组件和不回堆组件。用户定义完成“卸料顺序”以及“乏料卸料位置”，系统即可自动生成乏料的卸料顺序表；用户定义完成“装料顺序”及“装料位置对应乏池图”，系统即可自动生成回堆组件的卸料顺序表，最终形成完整的N循环堆芯组件卸料顺序表，如图2所示。

图2 堆芯卸料顺序表生成算法Fig.2 Algorithm of core unfueling sequence

2.2.2 相关组件倒换顺序表定义

堆芯设计图定义了新循环堆芯的燃料组件装载方案；同时，每个燃料组件还需配插相关组件，反应堆对相关组件类型分布也有严格的要求。

新燃料接收贮存和卸料工作完成后，准备入堆的燃料组件及相关组件已贮存于乏燃料水池。为确保在相关组件跟随燃料组件装入堆芯后，满足堆芯相关组件类型分布要求，需在乏燃料水池内进行相关组件倒换。相关组件倒换需满足以下原则：

1）更换相关组件抓取工具次数最少；

2）相关组件倒换次数最少；

3）相关组件倒换移动距离最优，即移动距离最短，且同行或者同列方案优先。

系统可全自动生成整套相关组件倒换步序，生成算法中，首先考虑相关组件抓取工具更换次数最少，采用如下倒换流程：

1）倒换装料位置上的阻力塞；

2）倒换控制棒；

3）倒换中子源；

4）倒换没倒换完成的阻力塞。

以上流程同时也兼顾了第2）条倒换原则。

最后考虑组件倒换移动距离最优，以需要倒换的相关组件为中心，在装料位置中向外逐圈搜索，优先考虑与起始位置同行或者同列的位置，直到找到合适的燃料组件为止。

图3为卸料后乏燃料水池装载图，红颜色背景格架为装料区域，每个格架显示三行文字，第一行为相关组件编号，第二行为跟随燃料组件装入反应堆的目标相关组件类型，第三行为该位置当前的相关组件类型。由此可见，若第二行与第三行相关组件类型不符，则该位置相关组件需要倒换。以位置H25为例，该位置相关组件类型不符合要求，需要倒换，则以该位置为中心，向外寻找，最终找到与其同列的合适位置J25，系统自动生成一条相关组件倒换步序，将相关组件F24AA1Y0J从H25倒换至J25。

同时，系统也支持手工方式生成倒换步序，在乏燃料水池装载图中手工拖拽相关组件即可。

图3 堆芯装料进度图Fig.3 Core fueling progress

2.2.3 方案模拟

换料组件移动步序编制完成后，可根据组件移动计划步序进行动画模拟验证，以确保堆芯换料组件移动计划步序的准确性。

核电厂机组大修期间，公司全体员工可在公司局域网内访问堆芯装卸料实时进度。图3为堆芯装料到第88步时的堆芯装载截图。

2.3 系统实现

2.3.1 系统架构

系统采用三层架构，如图4所示，数据访问层、业务逻辑层、界面展示层，层与层之间松耦合，即任何一层都可单独使用。

数据访问层：实现数据库与业务对象的完美映射，向业务层开发人员提供接口，业务层无需关心数据如何存储，只需修改映射文件，系统即可在Sql Server与Oracle数据库之间快速切换；

图4 软件系统架构Fig.4 Software system architecture

业务逻辑层：根据业务逻辑设计合理的、可扩展的业务模型，实现换料组件移动方案生成的复杂算法，向界面层提供接口；

象形居于首位，有其一定的道理。关于汉字的起源，我国古典文献记录了大量的内容，有对前文字时期的记录，这里先不论。而关于创造文字本身的记录，从中我们可以发现汉字的雏形，东汉许慎《说文解字·叙》中“黄帝之史仓颉，见鸟兽蹄迒之迹，指分理之可相别异也，初造书契。”又有记录“仓颉之初作书，盖依类象形。”汉字在产生之初，就属于象形字，所以，造字“六书”之首为象形有其道理。

界面展示层：以图形、动画的形式向用户展示真实的燃料厂房装载图。

2.3.2 人机交互

核电燃料组件移动是一项严谨的工作，系统向用户模拟真实的燃料厂房装载图，用户可在图形上进行燃料组件操作、查询，如图5所示。

图5中描述了乏燃料水池的装载图，图形可无极限矢量缩放。每个燃料格架可显示3行文字信息，且可配置，可选信息包括：燃料组件编号、富集度、燃料组件类型、燃耗、入堆次数、相关组件编号、类型等。每行文字配置文字颜色，每个格架又可配置背景颜色，颜色方案包括：富集度、相关组件类型、燃耗等。

系统采用图形技术实现如下功能：

1）当前或历史的厂房装载图查询；

2）厂房中燃料组件或相关组件查找定位；

3）临时组件移动计划的编制，即用户可鼠标拖拽移动燃料组件或相关组件，即可生成组件移动计划，打印出移动单；

4）换料方案的模拟；

5）换料方案实施。

图5 燃料厂房图Fig.5 The fuel building

2.3.3 关键技术

系统开发环境采用微软Visual Studio 2010，确保开发过程的高效、灵活；采用微软最新的WPF（Windows Presentation Foundation）作为UI工具，得以方便地实现直观的燃料厂房装载图以及动画模拟等功能；采用MVC（模型model－视图view－控制器controller）作为系统开发基础框架，实现视图层、业务层以及数据层之间的低耦合；采用面向对象的设计思想，实现系统高度的重用性、灵活性和扩展性，核心对象模型贯穿整个技术架构；同时采用多种成熟组件，如：NHibrnate、Linq、Log4Net等，确保系统的稳定性、可扩展性及可移植性。

3 系统应用

目前，N1-NMS系统已广泛应用于国内大部分已运行及将要运行核电机组，系统的广泛应用促进了各核电厂之间的核燃料管理业务交流。系统整合了各核电核燃料管理专家的燃料组件管理思路，实现了压水堆核电厂燃料管理的标准化。

经实际环境验证，系统的应用大大提升了燃料管理效率，采用本系统，燃料管理员则可轻松地在2 h内生成一整套高效的机组堆芯换料方案。

在系统中采用多种手段验证方案的安全性、高效性，如堆芯换料组件移动方案模拟，生成相关组件倒换顺序表时抓取工具更换次数最少，倒换路径最优等。

各核电厂系统运行过程中，积累了完整的燃料组件活动数据，形成燃料组件数据库，为核电燃料管理工作提供有效的数据支撑。

4 结束语

N1-NMS系统有效的实现了压水堆核电厂堆芯换料业务需求，并进一步优化了燃料管理流程。采用先进的架构与信息技术，通过友好的人机交互界面，提升了核电燃料管理工作效率，并且在一定程度上缩短了机组大修工期，提高了经济效益。同时，系统记录了燃料组件在核电厂范围内的一切活动，形成了完整的燃料组件数据库。因此，该系统在压水堆核电厂可用于堆芯换料管理以及新员工燃料管理培训方面，具有实用价值。

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Study and Implementation of Pressurized Water Reactor Refueling Mode and Management System

MA Wen-jun，SONG Ya-feng，WU Jian-lei，XIA Zhao，XIN Chao
(Computer Application Institute of Nuclear Industry，Beijing 100048，China)

Pressurized water reactor refueling system is widely used by PWR nuclear power plant，the system shows intuitive graphical interface to the fuel operator and generates fuel assembly moving steps for reactor refueling by optimized algorithms, prints out the report of assembly moving steps for the implementation of assembly movement. This article describes the refueling business processes and implementation of information system.

fuel assembly；refueling；overhaul；relevant exchange of assembly

TM623Article character：A

：1674-1617(2014)04-0372-06

TM623

：A

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2014-05-30

马文君（1982—），男，江苏人，工程师，本科，从事核电信息化建设工作。