先進(jìn)核反應(yīng)堆綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)的研究

先進(jìn)核反應(yīng)堆綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)的研究

1構(gòu)建評(píng)價(jià)體系根據(jù)國(guó)家制定“863”計(jì)劃時(shí)提出的能源預(yù)測(cè)，中國(guó)的核電廠(chǎng)2020年達(dá)到36.39gw，2050年達(dá)到240gw。2015年后投產(chǎn)的機(jī)組將采用現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外正在研究開(kāi)發(fā)的新一代先進(jìn)反應(yīng)堆。因此,客觀(guān)、全面地評(píng)價(jià)目前的核電新技術(shù),根據(jù)中國(guó)國(guó)情科學(xué)地對(duì)新型核反應(yīng)堆的選擇作出決策,是中國(guó)核電行業(yè)面臨的一項(xiàng)工作。核反應(yīng)堆的評(píng)價(jià)和選擇涉及多種因素,為了降低評(píng)價(jià)過(guò)程中的人為因素影響和決策過(guò)程中的隨機(jī)性,有必要建立一套既能反映核電技術(shù)發(fā)展的多樣性、又能體現(xiàn)核反應(yīng)堆標(biāo)準(zhǔn)的相對(duì)統(tǒng)一性的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,以及基于這些指標(biāo)的先進(jìn)綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)。本文介紹了清華大學(xué)核能與新能源研究院開(kāi)發(fā)的基于模糊層次分析法數(shù)學(xué)模型的核反應(yīng)堆綜合評(píng)估系統(tǒng),并結(jié)合典型先進(jìn)反應(yīng)堆的特性對(duì)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)結(jié)果做了分析。2模型的模糊性分析2.1理論分析和概括先進(jìn)核反應(yīng)堆評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取過(guò)程,實(shí)質(zhì)上是對(duì)核反應(yīng)堆的特性進(jìn)行理論分析和概括的過(guò)程。按照系統(tǒng)全面性、科學(xué)性、獨(dú)立性、穩(wěn)定可比性和靈活可操作性的選取原則,通過(guò)比較、分析和綜合、歸納和演繹、類(lèi)比等方法,形成先進(jìn)核反應(yīng)堆評(píng)價(jià)指標(biāo)。2.2確定判斷矩陣用層次分析法(AnalyticHierarchyProcess,簡(jiǎn)稱(chēng)AHP法)確定指標(biāo)權(quán)重?；舅悸肥峭ㄟ^(guò)分析復(fù)雜問(wèn)題所包含的因素及其相互關(guān)系,將問(wèn)題分解為若干層次和若干要素,并在每一層次按照一定準(zhǔn)則對(duì)該層元素進(jìn)行逐對(duì)比較,再按標(biāo)度定量化形成判斷矩陣。通過(guò)計(jì)算判斷矩陣的最大特征值以及相對(duì)應(yīng)的正交化特征向量,得出該元素對(duì)該準(zhǔn)則的權(quán)重。運(yùn)用AHP法確定指標(biāo)權(quán)重的具體步驟如下。2.2.1判斷矩陣b判斷矩陣是用于表示同一層次各個(gè)指標(biāo)的相對(duì)重要性的判斷值。各指標(biāo)的相對(duì)重要性由若干位專(zhuān)家來(lái)判定,同時(shí)引入9分位的相對(duì)重要的比例標(biāo)度,(9,7,5,3,1,1/3,1/5,1/7,1/9)表示(極重要、很重要、重要、稍重要、相等、稍不重要、不重要、很不重要、極不重要),相鄰評(píng)價(jià)的中間值分別取值為8、6、4、2、1/2、1/4、1/6、1/8,構(gòu)成判斷矩陣B,即矩陣中元素bij表示指標(biāo)i與指標(biāo)j相比的重要性,且有:bij>0,bii=1,bij=1/bji(i,j=1,2…,n,其中n為指標(biāo)個(gè)數(shù))。2.2.2確定權(quán)重向量這一步要解決在某準(zhǔn)則下n個(gè)元素Bi(i=1,2,…,n;式中,n為矩陣階數(shù))排序權(quán)值的計(jì)算。設(shè)判斷矩陣B的最大特征根為λmax,其相應(yīng)的特征向量為W,解判斷矩陣B的特征根問(wèn)題所得W經(jīng)歸一化后,即為同一層次相應(yīng)指標(biāo)在準(zhǔn)則下的權(quán)重向量。本評(píng)估系統(tǒng)中用冪迭代法,迭代步驟如下式中,z為臨時(shí)向量。一般情況下,初始的W0取單位向量,當(dāng)時(shí),迭代停止。2.2.3隨機(jī)一致性指標(biāo)用下列指標(biāo)CI來(lái)衡量判斷矩陣不一致程度式中,n為判斷矩陣B的階數(shù),λmax為判斷矩陣B的最大特征根。CI的值越小,判斷矩陣B的一致性越好。完全達(dá)到一致性的要求是很少的,為使一致性程度控制在一定范圍內(nèi),引入隨機(jī)一致性指標(biāo)RI。若隨機(jī)一致性比率則判斷矩陣B具有滿(mǎn)意的一致性,否則需要重新進(jìn)行兩兩比較,對(duì)B加以調(diào)整。隨機(jī)一致性指標(biāo)RI的取值可查專(zhuān)門(mén)的表。2.3,3a,3a,v本先進(jìn)核反應(yīng)堆評(píng)價(jià)系統(tǒng)中,設(shè)定評(píng)價(jià)集V={V1,V2,V3,V4,V5}表示由低到高的評(píng)語(yǔ)“差”、“一般”、“比較好”、“好”、“非常好”。核反應(yīng)堆最終的評(píng)價(jià)結(jié)果就表示成對(duì)評(píng)價(jià)集各個(gè)評(píng)價(jià)元素的隸屬度。2.4專(zhuān)家評(píng)判法R為單因素的評(píng)價(jià)矩陣,R=(Rij)m×n,Rij表示因素Ui被評(píng)為Vj的隸屬度,并對(duì)其實(shí)施歸一化。由于核反應(yīng)堆的指標(biāo)的復(fù)雜性,難以用具體的模糊分布確定,故采用專(zhuān)家評(píng)判法。設(shè)n為有效咨詢(xún)次數(shù),yij為因素Ui被評(píng)為Vj的次數(shù),則有Rij=yij/n。設(shè)計(jì)專(zhuān)家評(píng)判調(diào)查表,由專(zhuān)家進(jìn)行評(píng)判。2.5合成操作利用模糊矩陣的合成運(yùn)算,得綜合評(píng)價(jià)模型為2.6評(píng)價(jià)結(jié)果的遞推對(duì)于多層次系統(tǒng),則由底層向上遞推計(jì)算上一層次指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果,根據(jù)算出的各得分值,再向上遞推直到目標(biāo)層。在核反應(yīng)堆綜合評(píng)價(jià)中,通過(guò)二級(jí)指標(biāo)得到一級(jí)指標(biāo)的結(jié)果,然后通過(guò)一級(jí)指標(biāo)得到被評(píng)價(jià)之核反應(yīng)堆的結(jié)果。2.7綜合評(píng)價(jià)值的計(jì)算其中,m=5為評(píng)價(jià)等級(jí);k為待定系數(shù),目的是控制較大的bj所起的作用,一般k取值1或2。對(duì)于不同的比較堆型,設(shè)S=1,2,……,n個(gè)堆型(本系統(tǒng)中n為6),將算得的綜合評(píng)價(jià)值記作CS;將CS按大小進(jìn)行排列,則各堆型的分?jǐn)?shù)一目了然。3后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)俄羅斯sqlse經(jīng)營(yíng)制度基于設(shè)計(jì)目標(biāo)的要求,采用面向?qū)ο蟮姆椒?使用UML進(jìn)行建模。軟件的架構(gòu)采用MVC模式,分層次開(kāi)發(fā)。軟件開(kāi)發(fā)語(yǔ)言采用Microsoft公司最新開(kāi)發(fā)工具VS.NET開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中的C#語(yǔ)言和功能強(qiáng)大的后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)MicrosoftSQLSever2000。軟件分為兩個(gè)主要模塊:(1)數(shù)據(jù)管理功能模塊,管理評(píng)價(jià)系統(tǒng)所需要的全部數(shù)據(jù),如圖1所示;(2)綜合評(píng)價(jià)模塊,基于模糊層次分析法的評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型,通過(guò)列表、圖形等方法顯示先進(jìn)核反應(yīng)堆的評(píng)價(jià)結(jié)果,如圖2所示。4評(píng)估結(jié)果和分析4.1隨機(jī)一致性的測(cè)定根據(jù)專(zhuān)家調(diào)查表的調(diào)查結(jié)果,通過(guò)統(tǒng)計(jì)和計(jì)算得到結(jié)果如表1所示。最終結(jié)果,九分位法形成的正互反判斷矩陣最大特征值λmax=6.2。一致性指標(biāo):CI=0.041,查表得到平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI為1.2494,隨機(jī)一致性比率表1結(jié)果成立。根據(jù)所有專(zhuān)家對(duì)不同堆型的打分形成模糊隸屬矩陣R,權(quán)重向量A和R相乘得到堆型對(duì)評(píng)價(jià)集的隸屬度和堆型的最終綜合評(píng)價(jià)見(jiàn)表2,為評(píng)價(jià)集V賦值{60,70,80,90,100}結(jié)果見(jiàn)表3。4.2對(duì)結(jié)果的分析與討論4.2.1快速增長(zhǎng)的堆型特性從評(píng)價(jià)結(jié)果中可以看出,最受好評(píng)的先進(jìn)反應(yīng)堆型是先進(jìn)壓水堆(APWR)。這一點(diǎn)是很合理的,因?yàn)閺哪壳暗倪\(yùn)行、建造或訂貨核電站數(shù)量來(lái)看,壓水堆占到了60%以上,是當(dāng)前最受重視的堆型。以美國(guó)西屋公司制造的AP600、AP1000和System80+和法國(guó)德國(guó)共同開(kāi)發(fā)的歐洲壓水堆(EPR)為代表的APWR在建造周期,初始投資、安全性和可用率等方面都有著非常誘人的性能。所以APWR是目前世界上最成熟,最適合優(yōu)先發(fā)展的的堆型,這也是中國(guó)在未來(lái)20年內(nèi)把建造堆型集中在A(yíng)PWR的原因。4.2.2快中子增殖堆從述表3中可見(jiàn),快中子增殖堆(FBR)在經(jīng)濟(jì)性一項(xiàng)上的得分最低。這是因?yàn)楦鶕?jù)不同國(guó)家的經(jīng)驗(yàn),FBR電站的初始投資是同等功率壓水堆核電站的1.6～2.0倍。由于經(jīng)濟(jì)性在核反應(yīng)堆評(píng)價(jià)中占有22.8%的比重,所以這個(gè)特性也直接影響了FBR的整體得分。從表2中可以看出,對(duì)于快堆,最出眾的是其“可持續(xù)性”。一般來(lái)講,增殖比對(duì)于氣冷堆約為0.8,對(duì)輕水堆約為0.5,而FBR的在1.1～1.4之間。FBR不僅把鈾資源的有效利用率增大數(shù)十倍,而且也將鈾資源本身擴(kuò)大幾百倍以上。一旦大量使用FBR,目前認(rèn)為開(kāi)采價(jià)值不大的鈾礦便具有開(kāi)采價(jià)值。這樣,FBR可為人類(lèi)提供極其豐富的能源?？偠灾?FBR是很有特性的堆型,和其它先進(jìn)反應(yīng)堆相比,經(jīng)濟(jì)性明顯差,但可持續(xù)性明顯好。在未來(lái)的發(fā)展決策中,如果決策過(guò)程中注重的是燃料的節(jié)省和可持續(xù)發(fā)展,則鈉冷FBR將是必然的選擇。4.2.3堆型選擇的確定高溫氣冷堆(HTGR)的發(fā)電效率高達(dá)40%至47%,可產(chǎn)生950℃的高溫工藝熱,用途十分廣泛,不僅可用于高效發(fā)電,還可以用于高溫供熱和生產(chǎn)液態(tài)燃料。HTGR預(yù)計(jì)有很好的經(jīng)濟(jì)性。HTGR的固有安全特性是它的特殊的優(yōu)點(diǎn):采用全陶瓷涂敷燃料顆粒石墨球元件,用氦氣作冷卻劑,具有很高的熱穩(wěn)定性和自停堆、非能動(dòng)排出余熱能力,并具有阻止放射性釋放的多重屏障。從表3可見(jiàn),HTGR的安定性指標(biāo)被評(píng)為最好。但是,HTGR和先進(jìn)輕水堆相比,技術(shù)的成熟性、建造和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)、與現(xiàn)有安全法規(guī)的符合性等方面仍有較大差距。HTGR具有的潛在高經(jīng)濟(jì)性、安全性等特性,是未來(lái)前景最為看好的堆型之一,而且也是中國(guó)自主研發(fā)能力達(dá)到世界先進(jìn)水平的唯一堆型。綜合分析結(jié)果顯示,HTGR核電技術(shù)已經(jīng)基本成熟,經(jīng)過(guò)適當(dāng)規(guī)模的研發(fā),可以成為近期將建造的核電廠(chǎng)的選擇。總之,從評(píng)價(jià)結(jié)果中可見(jiàn),在我國(guó)目前最為成熟,最適合優(yōu)先發(fā)展的堆型是APWR,壓水堆大規(guī)模發(fā)展的時(shí)代是2010～2040年;從長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略和可持續(xù)發(fā)展的角度,FBR是很好的選擇,我國(guó)FBR投入的時(shí)間約為2025年左右,到2040年以后將以FBR為主;HTGR則是固有安全性最好、用途最廣泛也是中國(guó)的研發(fā)水平達(dá)到世界先進(jìn)水平的堆型,發(fā)展前景良好。5評(píng)價(jià)模塊的建立本文介紹的先進(jìn)核電站反應(yīng)堆評(píng)價(jià)系統(tǒng)有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理功能,可管理與各種堆型、指標(biāo)以及所