核电站反应堆安全保护虚拟仿真实验 - 上海电力大学智能发电实验教学中心

课程目标（实验原理）

　　核电站反应堆安全保护虚拟仿真实验的原理就是以计算机网络、三维图形和虚拟现实技术为基础，通过虚拟交互的方式开展典型电站反应堆保护系统和专设安全系统的实验教学，使学生了解反应堆安全保护系统的功能、组成和工作过程，了解主要的设备和用途，掌握在事故工况下，反应堆安全保护系统的动作以及反应堆主要参数的演变过程，了解部分典型事故的基本处理方法。具体内容包括：

　　1. 了解反应堆保护的作用。核电站保护系统的作用是当电站的核参数或过程参量发生异常变化或运行人员误操作时，能根据对异常状态的监测和异常变化的危害程度，执行保护动作，防止堆芯燃料烧毁和过量放射性物质扩散，确保电站和周围居民的安全。

　　2. 了解反应堆保护的实现方式。通常都要求反应堆保护系统具有很高的安全性和可靠性。既不能拒动，也不能误动。通俗地说：“该保护时就保护，不该保护时不能乱动”。保护系统的设计原则就是基于上述考虑的。当核电站运行参数达到危险值时，反应堆的三大核安全屏障就有可能受到破坏。这个危险值称为安全极限。实际上，当运行参数出现异常，在达到危险值之前即达到停堆整定值时就要触发紧急停堆动作。

　　3. 了解专设安全设施的功能及组成。根据核安全三要素的要求，在核电站的设计中确定了一系列的安全功能，实现了这些安全功能就能满足安全要求。专设安全设施的设计就是实现这些安全功能的重要手段。这些设施在配置上应用了纵深防御的概念（三道屏障），并相应规定了安全限值。专设安全设施的功能是：1．防止放射性物质扩散，保护环境，保护公众和核电站工作人员的安全；2．当核电站发生事故时，确保堆芯余热的排出，并尽可能地限制裂变产物包容设备和系统的损坏；3．发生失水事故时，向堆芯注入含硼水；4. 阻止放射性物质向大气释放；5. 阻止安全壳中氢气浓集；6. 向蒸汽发生器事故供水。专设安全设施在事故发生以后，确保反应堆紧急停闭、堆芯余热的排出和安全壳的完整性，以便限制事故的发展和减轻事故的后果。M310机组的专设安全设施包括：安全注入系统（RIS），安全壳喷淋系统（EAS），辅助给水系统（ASG），和安全壳隔离系统（EIE）。

　　4. 掌握部分典型事故的基本现象及反应堆保护系统的自动动作过程，了解部分典型事故的基本处理方式。具体事故包括：稳压器一组安全阀卡开、稳压器一个喷淋阀卡开、误安注、一台主泵跳闸、一回路小破口、SGTR、丧失二回路主给水、3台主泵同时停运、安全壳内主蒸汽管道破裂、一回路大破口。

　　知识点（共7个）：

　　1. 反应堆保护的作用。

　　2. 反应堆保护的实现方式。

　　3. 专设安全设施的功能。

　　4. 专设安全设施的组成。

　　5. 部分典型事故下反应堆主要参数的基本现象。

　　6. 部分典型事故下反应堆安全保护系统的自动动作过程。

　　7. 部分典型事故的基本处理方式。

教学内容安排

　　通过虚拟仿真实验，使学生了解反应堆保护的作用；了解反应堆保护的实现方式；了解专设安全设施的功能及组成；掌握部分典型事故的基本现象及反应堆保护系统的自动动作过程；培养学生面对部分典型事故需具备的基本处理能力和实践能力。

　　实施过程：

　　1. 通过浏览器网页观看教学视频的方式，使学生了解反应堆保护的作用和实现方式。

　　2. 通过浏览器网页进行三维虚拟交互的方式，使学生了解专设安全设施的功能及组成。

　　3. 通过浏览器网页进行三维虚拟交互的方式，使学生掌握部分典型事故的基本现象及反应堆保护系统的自动动作过程，了解部分典型事故的基本处理方式。

　　实施效果：

　　通过核电站反应堆安全保护虚拟仿真实验，可以使学生更加深入地了解反应堆保护的作用和实现方式，了解专设安全设施的功能作用及组成，掌握部分典型事故的基本现象及反应堆保护系统的自动动作过程。促进理论与实践相结合，能切实培养学生面对部分典型事故需具备的基本处理能力和实践能力，提高学生的实际动手操作能力。

教学方法、手段

　　一、实验方法

　　该实验项目包括典型压水堆核电站的反应堆保护的作用和实现方式认知，专设安全设施的功能及组成认知，典型事故基本现象及反应堆保护系统自动动作过程认知，以及典型事故基本处理方式认知。

　　该实验中核岛厂房、主要系统（安全注入系统RIS、安全壳喷淋系统EAS、辅助给水系统ASG、安全壳隔离系统EIE）的组成和设备结构完全取自于核电机组现场。

　　通过利用web三维可视化先进技术，该实验可使学生获得关于反应堆保护的作用和实现方式、专设安全设施的功能作用及组成、典型事故基本现象及反应堆保护系统自动动作过程的深刻认识；在此基础上，通过实验指导、虚拟操作、评价考核等实验设计，使学生快速掌握核电站反应堆安全保护的基础知识和典型事故的基本现象及基本处理能力。该实验能有效弥补现场实习中工艺系统看不全、设备内部结构看不到、不允许实操的缺点，提高了学生的实验参与度和积极性，能显著提升学生的工程实践能力。

　　二、实验交互性操作步骤

　　第01步：安全注入系统RIS结构及工作原理认知

　　基于web三维可视化技术，通过虚拟交互的方式了解安全注入系统RIS主要组成部件的外形、安装位置、功能、工作原理等。安全注入系统的主要组成部件包括：高压安注、中压安注、低压安注和硼酸再循环回路等。学生可以按照实验要求依次完成对各组成部件的认知，也可以灵活选择认知顺序。虚拟仿真实验系统提供了丰富的文字说明和三维动画，可以逼真地展示安全注入系统主要组成部件的结构和工作原理。

　　下图为一回路专设安全设施系统主要组成三维场景截图。学生通过鼠标操作实现全方位漫游，方便观察系统主要组成。

　　下图为主要设备蒸汽发生器的内部结构截图。学生通过鼠标操作观察主要设备（反应堆压力容器、主泵、蒸发器等）的内部结构。

　　下图为RIS系统中压安注回路工作原理动画介绍截图。工作原理以三维动画方式展示，并有配音和文字说明，在播放工作原理的过程中，解说内容对应三维场景中的设备、管路等模型高亮醒目显示，有助于学生观看和理解工作原理内容。

　　第02步：安全壳喷淋系统EAS结构及工作原理认知

　　基于web三维可视化技术，通过虚拟交互的方式了解安全壳喷淋系统EAS主要组成部件的外形、安装位置、功能、工作原理等。安全壳喷淋系统由两个相同的系列A和B组成，两个系列实体隔离，但有一部分公用。每个系列的构成为：

　　■ 一个喷淋回路

　　■ 一个集水坑，喷淋泵和地坑的联接管道，以及喷淋泵和换料水贮存箱的联接管道。

　　学生可以按照实验要求依次完成对各组成部件的认知，也可以灵活选择认知顺序。虚拟仿真实验系统提供了丰富的文字说明和三维动画，可以逼真地展示安全壳喷淋系统主要组成部件的结构和工作原理。

　　交互方式与安全注入系统RIS结构及工作原理认知相同。

　　第03步：辅助给水系统ASG结构及工作原理认知

　　基于web三维可视化技术，通过虚拟交互的方式了解辅助给水系统ASG主要组成部件的外形、安装位置、功能、工作原理等。辅助给水系统总体分为两大部分：1ASG或2ASG（包含贮存水箱、电动给水泵、汽动给水泵、给水泵驱动汽机、气动流量控制阀等）和9ASG（包含热力式除氧器、循环泵、再生式热交换器、加热用蒸汽冷凝水暂存罐、冷却器、三通控制阀等）。

　　学生可以按照实验要求依次完成对各组成部件的认知，也可以灵活选择认知顺序。虚拟仿真实验系统提供了丰富的文字说明和三维动画，可以逼真地展示辅助给水系统主要组成部件的结构和工作原理。

　　交互方式与安全注入系统RIS结构及工作原理认知相同。

　　第04步：安全壳隔离系统EIE结构及工作原理认知

　　基于web三维可视化技术，通过虚拟交互的方式了解安全壳隔离系统EIE主要组成部件的外形、安装位置、功能、工作原理等。安全壳隔离系统的主要组成部件包括：贯穿件、隔离阀和相应管段等。学生可以按照实验要求依次完成对各组成部件的认知，也可以灵活选择认知顺序。虚拟仿真实验系统提供了丰富的文字说明和三维动画，可以逼真地展示安全壳隔离系统主要组成部件的结构和工作原理。

　　交互方式与安全注入系统RIS结构及工作原理认知相同。

　　第05步：一组稳压器安全阀卡开事故基本现象及反应堆保护系统自动动作过程认知