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谈工程教育下核电厂运行虚拟仿真课程

2022-01-07 10:18 来源:工程教育论文 人参与在线咨询

摘要:在工程教育专业认证背景下,从虚拟仿真实验教学平台建设、课程建设及教学评价方式等方面,对成都理工大学核工程与核技术本科专业核电厂运行虚拟仿真实验教学课程进行了实践与探索。该虚拟仿真实验教学提高了本课程的教学质量,培养了学生解决核工程领域复杂工程问题的能力,并对我校核工程与核技术专业通过工程教育专业认证后的持续改进具有重要意义。

关键词:核电厂运行;虚拟仿真;实验教学;工程教育专业认证

1研究背景

核电在世界电力供应中扮演着重要角色。根据国际原子能机构官方数据,截至2020年11月,全球在运核电机组共计442台[1]。我国已成为世界核电大国,截至2021年8月底,在运核电机组达51台,在建核电机组18台,在建机组数保持全球领先。我国核电的快速发展对核工程与核技术专业人才需求量不断增加,质量要求也进一步提高。实践(实验与实习)教学是我国高校核工程与核技术专业本科人才培养的重要环节。开展工程教育专业认证是保障工科类专业本科人才培养质量的重要举措。自2016年6月我国正式成为《华盛顿协议》成员以来,国内越来越多的高校认识到工程教育专业认证的重要意义。工程教育专业认证不仅仅是工程教育国际互认的重要基础,也是高等教育质量保障和评价的重要组成部分,更是积极促进适用、需求型本科人才培养出口保障的有效措施[2-4]。成都理工大学核工程与核技术专业于2018年申请工程教育专业认证,经过专业自评、专家函评、专家组进校考查等环节,最终通过了教育部工程教育专业认证,有效期为2019年1月至2024年12月(有条件)[5]。工程教育专业认证坚持基于产出的教育模式(Outcomes-basedEducation,OBE),它的三个基本理念是:“以学生为中心”“成果导向”“持续改进”。而实现OBE理念的基础是课程体系的建设,其中实践教学环节对培养学生解决复杂工程问题的能力至关重要,这一点对核工程与核技术专业更为显著[6]。核工程与核技术专业具有很强的特殊性,尤其在可行性、安全性等方面,单独依靠理论教学无法满足该专业人才培养的工程需求,尤其是学生的实践能力、理论联系实际的能力、解决复杂工程问题的能力[7-9],这给本专业实践教学带来极大挑战。我校核工程与核技术专业在核辐射探测、核仪器/仪表及核技术等领域具有显著特色和优势,但在核工程领域较为不足。由于实践经费有限以及核工程相关的特殊实践行为的限制因素,之前仅仅开设了核工程认识实习实践。该实践教学由于时间、安全等因素,学生无法动手操作,难以满足核工程与核技术专业学生实践能力培养的需求,亟须开展符合工程教育专业认证标准的实践教学。为此,本专业着手建设了核电厂运行虚拟仿真实验教学课程。

2核电厂运行虚拟仿真平台CORYS

核电厂是一个非常复杂、庞大的工程系统,其虚拟仿真主要包括运行工况仿真和事故工况仿真,其中运行工况仿真包括核电厂启停堆及各种不同的运行状态,而对于事故工况仿真包括设计基准事故仿真、超设计基准事故仿真、严重事故仿真。事故工况仿真的典型程序是系统分析程序(如RELAP5,ATHLET等)和严重事故分析程序(MAAP,MELCOR等)。由于软件费用昂贵等问题,目前我校核工程与核技术专业主要开展核电厂运行虚拟仿真教学,采用CORYS软件搭建的虚拟仿真教学平台。CORYS是针对法国C-1300典型压水反应堆核电站的仿真模拟器,可以模拟核电厂的基本操作,包括核电厂启动、停堆及运行瞬态。我校于2018年引进此软件,并搭建了仿真实验教学平台。该软件能够模拟核电厂内绝大部分系统、设备,包括堆芯系统、化容控制系统、稳压器系统、余热排出系统、低压加热给水系统、高压加热给水系统、主泵、汽轮机、发电机、蒸汽发生器、凝汽器、除氧器水箱、汽动主给水泵等。图1给出了该仿真平台的主界面,图2给出了核电厂的堆芯系统。堆芯系统能够仿真模拟堆内控制棒的操作行为,进而完成反应堆功率的调节、安全停堆等操作,包括手动调节和自动调节。化容控制系统能够模拟对硼溶液的稀释和浓缩,进而完成对反应性的控制。稳压器系统可以模拟稳压器内喷淋功能和电加热功能,进而完成对一回路系统的加压和泄压。余热排出系统可以实现对核电厂停堆过程中的热传输。图1核电厂运行虚拟仿真平台CORYS主界面图2核电厂的堆芯系统

3核电厂运行虚拟仿真实验课程建设

3.1仿真实验目的

我校的优势在核技术领域,针对核工程与核技术专业,可以开展丰富的实践教学活动,包括核仪器/仪表设计、核辐射探测、核电子、核数据处理等。这些实践教学活动可以较好地培养学生解决核技术领域复杂工程问题的能力。然而在核工程领域,我校实践教学环节相对薄弱,之前仅开设了核工程认识实习课程,通常是组织学生前往核工程领域相关企事业单位进行参观、学习,如中国核动力研究设计院夹江基地、四川省原子能研究院、四川大学原子核科学技术研究所等。考虑到经费及其他限制因素,该认识实习持续时间较短,而且关键的系统与设备(如核电厂反应堆本体、一回路系统等)无法参观,实习效果较差。成都理工大学核工程与核技术专业开设的理论课程包括:核电厂系统与设备、流体力学、工程热力学、核反应堆热工水力学、核反应堆安全分析等。以上课程不仅难度很大,同时要求较扎实的数理基础,加之工程性非常强,因此仅靠理论教学往往难以达到预期的效果。从学生角度,学生普遍反映课程枯燥、学习积极性难以提高,课程衔接性差;从教师角度,课程评价困难,仅能通过考试的形式进行考核评价,工程衔接性不足;从工程认证角度,培养学生解决核工程领域复杂工程问题能力的挑战很大。为了达到《工程教育认证标准》的毕业要求,我校核工程与核技术专业搭建了核电厂运行虚拟仿真实验课程,从虚拟仿真角度加深学生对核工程领域复杂工程问题的认识、理解,进一步巩固学生对核工程领域专业课程相关的知识,培养学生利用数学、自然科学、专业知识解决核电厂运行相关的复杂工程问题的能力。该虚拟仿真实验课程对我校学生核工程领域相关实践能力的培养具有重要意义。

3.2仿真实验内容

本仿真实验设计以核电厂运行阶段为主,具体设计了14种不同的核电厂运行过程(即运行状态切换操作),进而实现15种不同的核电厂运行状态,如图3所示。其包括冷停堆、热停堆、热备用、部分功率运行、额定功率运行等。

3.3仿真实验实施

考虑到当前设备资源有限(尤其是软件系统),同时为培养学生的团队合作意识,本仿真实验课程采用分组的方式进行。我校核工程与核技术专业学生大约为90人,分为9组,每组10人。图4给出了该仿真实验组内人员任务分配情况,共包含5个操作台(堆芯系统操作台、化容控制系统操作台、稳压器系统操作台、汽轮机操作台、余热排出系统操作台)和4个显示界面(主界面、温度—压力子界面、蒸汽发生器子界面、反应性子界面)。组内设置总操作员1人,其余9人负责操作台/显示界面值守,总操作人根据值守人员的反馈进行总体操作。

3.4仿真实验课程考核评价方式

课程考核评价是本专业学生毕业要求达成度评价的重要环节,也是OBE理念的重要体现。本课程考核评价包括三大部分,即实验现场评价、课程纸质报告(报告需要给出每个运行过程详细的演化过程截图)评阅、课程答辩评价。具体的评价方式包括:组内学生自评、组内学生互评、组间学生互评、教师评学、学生评教。其中,组内学生互评主要包括两个过程:第一,在学生开展核电厂运行仿真实验过程中,组间学生以观摩、学习方式对操作组学生进行评价;第二,在学生课程答辩过程中,组间学生进行提问和评价。教师评学贯穿整个课程,而学生评教有助于教师获得课程反馈信息,进而持续改进和优化课程设计。

4结语

在工程教育专业认证背景下,基于OBE理念,突出持续改进,针对我校核工程与核技术专业本科人才培养过程中实践教学存在的问题,考虑到该专业的特殊性,提出并成功建设了核电厂运行虚拟仿真实验课程。该实验课程提高了学生的实践能力、理论联系实际能力,同时增强了学生对复杂工程问题的感性认识,培养学生的创新意识,提升了学生的综合素质。

作者:辜峙钘 张庆贤 谷懿 李飞 葛良全 单位:成都理工大学核技术与自动化工程学院

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