先进核反应堆综合评价系统的研究

先进核反应堆综合评价系统的研究

1构建评价体系根据国家制定“863”计划时提出的能源预测，中国的核电厂2020年达到36.39gw，2050年达到240gw。2015年后投产的机组将采用现在国内外正在研究开发的新一代先进反应堆。因此,客观、全面地评价目前的核电新技术,根据中国国情科学地对新型核反应堆的选择作出决策,是中国核电行业面临的一项工作。核反应堆的评价和选择涉及多种因素,为了降低评价过程中的人为因素影响和决策过程中的随机性,有必要建立一套既能反映核电技术发展的多样性、又能体现核反应堆标准的相对统一性的评价指标体系,以及基于这些指标的先进综合评价系统。本文介绍了清华大学核能与新能源研究院开发的基于模糊层次分析法数学模型的核反应堆综合评估系统,并结合典型先进反应堆的特性对评价系统的评价结果做了分析。2模型的模糊性分析2.1理论分析和概括先进核反应堆评价指标的选取过程,实质上是对核反应堆的特性进行理论分析和概括的过程。按照系统全面性、科学性、独立性、稳定可比性和灵活可操作性的选取原则,通过比较、分析和综合、归纳和演绎、类比等方法,形成先进核反应堆评价指标。2.2确定判断矩阵用层次分析法(AnalyticHierarchyProcess,简称AHP法)确定指标权重。基本思路是通过分析复杂问题所包含的因素及其相互关系,将问题分解为若干层次和若干要素,并在每一层次按照一定准则对该层元素进行逐对比较,再按标度定量化形成判断矩阵。通过计算判断矩阵的最大特征值以及相对应的正交化特征向量,得出该元素对该准则的权重。运用AHP法确定指标权重的具体步骤如下。2.2.1判断矩阵b判断矩阵是用于表示同一层次各个指标的相对重要性的判断值。各指标的相对重要性由若干位专家来判定,同时引入9分位的相对重要的比例标度,(9,7,5,3,1,1/3,1/5,1/7,1/9)表示(极重要、很重要、重要、稍重要、相等、稍不重要、不重要、很不重要、极不重要),相邻评价的中间值分别取值为8、6、4、2、1/2、1/4、1/6、1/8,构成判断矩阵B,即矩阵中元素bij表示指标i与指标j相比的重要性,且有:bij>0,bii=1,bij=1/bji(i,j=1,2…,n,其中n为指标个数)。2.2.2确定权重向量这一步要解决在某准则下n个元素Bi(i=1,2,…,n;式中,n为矩阵阶数)排序权值的计算。设判断矩阵B的最大特征根为λmax,其相应的特征向量为W,解判断矩阵B的特征根问题所得W经归一化后,即为同一层次相应指标在准则下的权重向量。本评估系统中用幂迭代法,迭代步骤如下式中,z为临时向量。一般情况下,初始的W0取单位向量,当时,迭代停止。2.2.3随机一致性指标用下列指标CI来衡量判断矩阵不一致程度式中,n为判断矩阵B的阶数,λmax为判断矩阵B的最大特征根。CI的值越小,判断矩阵B的一致性越好。完全达到一致性的要求是很少的,为使一致性程度控制在一定范围内,引入随机一致性指标RI。若随机一致性比率则判断矩阵B具有满意的一致性,否则需要重新进行两两比较,对B加以调整。随机一致性指标RI的取值可查专门的表。2.3,3a,3a,v本先进核反应堆评价系统中,设定评价集V={V1,V2,V3,V4,V5}表示由低到高的评语“差”、“一般”、“比较好”、“好”、“非常好”。核反应堆最终的评价结果就表示成对评价集各个评价元素的隶属度。2.4专家评判法R为单因素的评价矩阵,R=(Rij)m×n,Rij表示因素Ui被评为Vj的隶属度,并对其实施归一化。由于核反应堆的指标的复杂性,难以用具体的模糊分布确定,故采用专家评判法。设n为有效咨询次数,yij为因素Ui被评为Vj的次数,则有Rij=yij/n。设计专家评判调查表,由专家进行评判。2.5合成操作利用模糊矩阵的合成运算,得综合评价模型为2.6评价结果的递推对于多层次系统,则由底层向上递推计算上一层次指标的评价结果,根据算出的各得分值,再向上递推直到目标层。在核反应堆综合评价中,通过二级指标得到一级指标的结果,然后通过一级指标得到被评价之核反应堆的结果。2.7综合评价值的计算其中,m=5为评价等级;k为待定系数,目的是控制较大的bj所起的作用,一般k取值1或2。对于不同的比较堆型,设S=1,2,……,n个堆型(本系统中n为6),将算得的综合评价值记作CS;将CS按大小进行排列,则各堆型的分数一目了然。3后台数据库俄罗斯sqlse经营制度基于设计目标的要求,采用面向对象的方法,使用UML进行建模。软件的架构采用MVC模式,分层次开发。软件开发语言采用Microsoft公司最新开发工具VS.NET开发系统中的C#语言和功能强大的后台数据库MicrosoftSQLSever2000。软件分为两个主要模块:(1)数据管理功能模块,管理评价系统所需要的全部数据,如图1所示;(2)综合评价模块,基于模糊层次分析法的评价数学模型,通过列表、图形等方法显示先进核反应堆的评价结果,如图2所示。4评估结果和分析4.1随机一致性的测定根据专家调查表的调查结果,通过统计和计算得到结果如表1所示。最终结果,九分位法形成的正互反判断矩阵最大特征值λmax=6.2。一致性指标:CI=0.041,查表得到平均随机一致性指标RI为1.2494,随机一致性比率表1结果成立。根据所有专家对不同堆型的打分形成模糊隶属矩阵R,权重向量A和R相乘得到堆型对评价集的隶属度和堆型的最终综合评价见表2,为评价集V赋值{60,70,80,90,100}结果见表3。4.2对结果的分析与讨论4.2.1快速增长的堆型特性从评价结果中可以看出,最受好评的先进反应堆型是先进压水堆(APWR)。这一点是很合理的,因为从目前的运行、建造或订货核电站数量来看,压水堆占到了60%以上,是当前最受重视的堆型。以美国西屋公司制造的AP600、AP1000和System80+和法国德国共同开发的欧洲压水堆(EPR)为代表的APWR在建造周期,初始投资、安全性和可用率等方面都有着非常诱人的性能。所以APWR是目前世界上最成熟,最适合优先发展的的堆型,这也是中国在未来20年内把建造堆型集中在APWR的原因。4.2.2快中子增殖堆从述表3中可见,快中子增殖堆(FBR)在经济性一项上的得分最低。这是因为根据不同国家的经验,FBR电站的初始投资是同等功率压水堆核电站的1.6～2.0倍。由于经济性在核反应堆评价中占有22.8%的比重,所以这个特性也直接影响了FBR的整体得分。从表2中可以看出,对于快堆,最出众的是其“可持续性”。一般来讲,增殖比对于气冷堆约为0.8,对轻水堆约为0.5,而FBR的在1.1～1.4之间。FBR不仅把铀资源的有效利用率增大数十倍,而且也将铀资源本身扩大几百倍以上。一旦大量使用FBR,目前认为开采价值不大的铀矿便具有开采价值。这样,FBR可为人类提供极其丰富的能源。总而言之,FBR是很有特性的堆型,和其它先进反应堆相比,经济性明显差,但可持续性明显好。在未来的发展决策中,如果决策过程中注重的是燃料的节省和可持续发展,则钠冷FBR将是必然的选择。4.2.3堆型选择的确定高温气冷堆(HTGR)的发电效率高达40%至47%,可产生950℃的高温工艺热,用途十分广泛,不仅可用于高效发电,还可以用于高温供热和生产液态燃料。HTGR预计有很好的经济性。HTGR的固有安全特性是它的特殊的优点:采用全陶瓷涂敷燃料颗粒石墨球元件,用氦气作冷却剂,具有很高的热稳定性和自停堆、非能动排出余热能力,并具有阻止放射性释放的多重屏障。从表3可见,HTGR的安定性指标被评为最好。但是,HTGR和先进轻水堆相比,技术的成熟性、建造和运行经验、与现有安全法规的符合性等方面仍有较大差距。HTGR具有的潜在高经济性、安全性等特性,是未来前景最为看好的堆型之一,而且也是中国自主研发能力达到世界先进水平的唯一堆型。综合分析结果显示,HTGR核电技术已经基本成熟,经过适当规模的研发,可以成为近期将建造的核电厂的选择。总之,从评价结果中可见,在我国目前最为成熟,最适合优先发展的堆型是APWR,压水堆大规模发展的时代是2010～2040年;从长远战略和可持续发展的角度,FBR是很好的选择,我国FBR投入的时间约为2025年左右,到2040年以后将以FBR为主;HTGR则是固有安全性最好、用途最广泛也是中国的研发水平达到世界先进水平的堆型,发展前景良好。5评价模块的建立本文介绍的先进核电站反应堆评价系统有强大的数据管理功能,可管理与各种堆型、指标以及所