总第２２３期 ２０１３年第１期 舰船电子工程 Ｓｈｉｐ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏ１．３３ Ｎｏ．１ ４２ 打击核电厂目标的毁伤指标分析 詹仁超李应岐翟龙刚 ７１００２５） （第二炮兵工程大学摘要西安对打击核电厂进行功能毁伤评估和核辐射安全评估是评估核电厂目标毁伤效果的首要任务。采用目标特性分析方法构建核 电厂功能毁伤程度指标体系与核电厂辐射程度指标体系，并对指标体系中具体指标进行了定量分析，为打击核电厂目标的毁伤评估建模打 下了铺垫。 关键词核电厂；毁伤指标；核辐射 中图分类号ＴＰ３０２．７ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｄａｍａｇｅ Ｉｎｄｅｘ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ａｔｔａｃｋｉｎｇ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｐｏｗｅｒ Ｐｌａｎｔ ＺＨＡＮ Ｒｅｎｃｈａｏ ＬＩ Ｙｉｎｇｑｉ ＺＨＡＩ Ｌｏｎｇｇａｎｇ （Ｔｈｅ Ｓｅｃｏｎｄ Ａｒｔｉｌｌｅｒｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００２５） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｐｒｉｍａｒｙ ｔａｓｋ ｏｆ ｅｖａｌｕａｔｉｎｇ ｎｕｃｌｅａｒ ｐｏｗｅｒ ｄａｍａｇｅ ｄｅｇｒｅｅ ｉｓ ｎｕｃｌｅａｒ ｐｏｗｅｒ ｐｌａｎｔ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｄａｍａｇｅ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ａｎｄ ｎｕｃｌｅａｒ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔａｒｇｅｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄ，ｎｕｃｌｅａｒ ｐｏｗｅｒ ｐｌａｎｔ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｄａｍａｇｅ ｄｅｇｒｅｅ ｉｎｄｅｘ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｒａｄｉａ— ｔｉｏｎ ｄｅｇｒｅｅ ｉｎｄｅｘ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｌｙ ｉｎ ａｎ ｉｎｄｅｘ ｓｙｓｔｅｍ．Ａ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｍａｔｈｅｍａｔｉ— ｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｎｕｃｌｅａｒ ｐｏｗｅｒ ｐｌａｎｔ ｄａｍａｇｅ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｉｓ ｌａｉｄ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ ｎｕｃｌｅａｒ ｐｏｗｅｒ ｐｌａｎｔ，ｄａｍａｇｅ ｉｎｄｅｘ，ｎｕｃｌｅａｒ ｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｃｌａｓｓ Ｎｕｍｂｅｒ ＴＰ３０２．７ １ 引言 防御方最为关心的问题。因此，在选取目标的功能毁伤 指标时，应综合考虑己方的作战意图和对方目标的任务 由于现代社会对能源的需求持续增加，核电对世界的 使命。 发展越来越占据着重要的作用，加之核电厂具有的放射性， 核电厂的整体毁伤程度可以从三个角度来衡量：发电 打击核电厂必然成为战争时被攻击的重点。在打击核电厂 能力、修复时间和供电可靠性。而发电能力的度量为剩余 的同时，需要进行毁伤效果评估。由于核电厂目标的特殊 容量比或损失容量比；可靠性的度量为输出电力期望和供 性，可将毁伤效果评估分为两步进行，即功能毁伤评估和核 电有效度。 辐射安全评估。功能毁伤评估的主要任务是对打击目标执 这些指标中，发电能力指标反映了己方打击电厂的作 行预定任务的功能或作战能力的损毁情况进行定性评估。 战意图，修复时间指标体现了电厂功能下降持续的时间，而 通过分析目标的结构与工作流程，确定关键子部件，根据物 供电可靠性指标则反映了电厂目标使命任务（供电）的实现 理毁伤评估的结论，将打击目标现状与初始目标进行比较， 情况。 从而确定目标功能发生的变化。核辐射安全评估的主要任 ２．２辐射程度指标 务是在打击核电厂目标后，根据核反应堆堆芯溶化与安全 在对核电厂进行打击后，我们需要评估核电厂放射性 壳完整性失效的结论，判断核电厂周围放射性物质的释放 物质是否泄漏。当核电厂功能毁伤程度指标达到攻击方要 量以及居民全身和甲状腺所接受的辐射剂量是否超过允许 求的同时，能成功避免放射性物质泄漏是攻击方最愿意接 的规定值。 受的。因为放射性物质一旦大量向外泄漏，受害方不仅仅 要对打击核电厂目标进行毁伤效果评估，就必须首先 是被攻击方，也可能是攻击方或者其他地区，大大加大了国 构建核电厂功能毁伤程度的指标体系与核电厂辐射程度的 际舆论的压力，所以攻击方必须对打击核电厂后核辐射程 指标体系。 度做全面的评估。 为了便于建立模型，我们可以用两个指标来度量核辐 ２核电厂目标毁伤指标体系组成 射程度：放射性核素释放量指标与放射性物质在环境中的 ２．１功能毁伤指标 溶度指标。需要注意的是上述两个指标是建立在核反应堆 目标功能的毁伤程度是实战中攻击方最为关注的 堆芯溶化与安全壳完整性失效的前提下而提出的。核电厂 问题，而目标是否能完成特定环境下的任务使命，却是 目标毁伤指标体系如图１所示。 ＊收稿日期：２０１２年７月１３日，修回日期：２０１２年８月２６日 作者简介：詹仁超，男，硕士，助理工程师，研究方向：导弹作战评估与论证。 ２０１３年第ｌ期 舰船电子工程 ４３ 图１核电厂毁伤指标体系 ３核电厂目标毁伤指标分析 ３．１基于电厂发电能力下降程度的指标 度量电厂发电能力的指标主要有装机容量（Ｉｎｓｔａｌｌｅｄ Ｃａｐａｃｉｔｙ）、剩余发电容量（Ｌｅｆｔ Ｃａｐａｃｉｔｙ）和损失容量（Ｄｅ— ｓｔｒｏｙｅｄ Ｃａｐａｃｉｔｙ）［ 。 电厂发电能力可以分为两个层次：一是单个机组的发 电能力，二是电厂整体的发电能力。对于一台机组有如下 关系： Ｃｉ（装机容量）一ＬＣｉ（剩余发电容量）＋ＤＣｉ（损失容量） 对于一个发电厂有如下关系： Ｃ（装机容量）一ＬＧ（剩余发电容量）＋ＤＣ，（损失容量） 因此，可以将电厂整体剩余发电容量与装机容量的比 值、损失容量与装机容量的比值作为度量其发电能力下降 程度的功能毁伤指标，分别称为剩余容量比和损失容量比： ＬＲ （剩余容量比）一ＬＧ（剩余发电容量）／ｃ（装机容量） ＤＲ （损失容量比）一ＤＧ（损失容量）／ｃ（装机容量） 将剩余容量比与损失容量比＿２ 统称为发电能力指标。 作战时，由于电厂子目标毁伤状态的判断具有不确定 性，所以计算得出的发电能力指标也具有随机性，ＬＲ 是一 个随机变量。对于计入这种概率因素，有三种解决方案（以 剩余容量比为例）： １）以剩余容量比的数学期望Ｅ（ＬＲ ）作为功能毁伤指 标； ２）以剩余容量比小于某阈值ＬＲ 的概率Ｐ（ＬＲ ＜ ＬＲ ）作为功能毁伤指标； ３）以置信度为１～ａ的剩余容量比上限值ＬＲ 作为功 能毁伤指标，即要求Ｐ（ＬＲ ％ＬＲ ）一１一ａ。 ３．２基于电厂修复时间的指标 从作战的角度来看，打击者不仅关心打击后目标的能 力下降情况，更关心其功能降低或失效的持续时间。这个 时间从目标的角度来看，就是修复时间。修复时间的大小 对下一步的作战决策甚至作战进程都会产生影响。对于电 厂目标，发电功能失效一小时与失效一星期的意义是完全 不同的，有时甚至能决定战争的胜负。因此，修复时间也是 衡量电厂功能毁伤程度的重要指标之一。 电厂的修复时间取决于其设备的损坏数量、损坏程度、 有无备件以及维修工人数量等等。将备件、维修人员等统 称为修复资源。电厂修复时间的长短由目标的毁伤状态和 修复资源二者同时决定。 作战时，由于子目标毁伤状态的判断具有不确定性，所 以计算得出的修复时间也具有随机性。将修复时间记为随 机变量Ｔ。对于计入这种概率因素，同样有三种解决方案： １）以修复时间的数学期望Ｅ（Ｔ）作为功能毁伤指标； ２）以修复时间大于某阈值 的概率Ｐ（丁＞７＂ｏ）作为 功能毁伤指标； ３）以置信度为１一 的电厂修复时间下限值丁 作为 功能毁伤指标，即要求Ｐ（丁＞ ）一１一ａ。 ３．３基于电厂供电可靠性的指标 对电厂打击后，可能会造成电厂自身发电能力的下降， 但不一定会对电厂向外界供电的功能产生大的影响，因为 电厂的发电机组一般都有一定的备用裕度，在能够满足一 般负荷需求的基础上另设有备用设备与机组［５］。此时由于 电厂整体备用裕度的下降以及电厂子目标本身的故障率， 电厂供电的可靠性会下降。首先介绍电厂可靠性评估中几 个常用的概念ｌ５］。 电厂整体的可用发电容量是指考虑子目标故障率时电 厂在能够持续输出的最大容量，记为ＡＣ。电厂整体的停 运容量是指考虑子目标故障率不能连续带负荷的容量，记 为ＯＣ，。 根据以上定义，对于一台机组有如下关系： ＬＣｉ（剩余发电容量）＝ＡＣ （可用发电容量）＋ＯＣｉ（停 运容量） 对于一个发电厂有如下关系： ＬＣ（剩余发电容量）一ＡＧ（可用发电容量）＋ （停 运容量） 一般地，设某电厂遭受打击后的剩余发电容量为Ｌ ， 电厂停运容量为ＯＣ， ，ＯＣ， ，…，０ 的概率是Ｐ ，Ｐｚ，…， Ｐ 将停运容量与对应的概率制成表格如表１，该表称为 容量停运概率表［２］。 表１容量停运概率表 停运容量 概率 ｏ ｌ—Ｌ —ＡＣ，１ Ｐｌ Ｏ ２＝ＬＧ—ＡＧ２ Ｐ２ ＯＣ 一Ｌ —ＡＣ Ｐ 由容量停运概率表可以计算得到两个可靠性指标：电 厂的可用发电容量期望、电厂供电有效度。 １）电厂的可用发电容量期望 电厂的输出电力期望ＥＣ，为 一Ｅ（ＡＣ ）一＞：ＡＣ Ｐ 输出电力期望表示电厂能够平均输出的电力。 ２）电厂供电有效度 电厂的供电有效度即它满足用户要求的程度，这里定 义为输出电力满足用户最低负荷需求的概率ｌ１ ］。假设某 一短期时间内，电厂的最低负荷为一定值Ｍ，若电厂所有状 态中可用发电容量不小于Ｍ的容量状态为ＡＣ Ａ ｚ，…， Ａ ，则电厂的有效度定义为 ｋ Ｐ ｆ—Ｐ（ＡＣ 一 ］Ｐ（ＡＣ 一ＡＣ ）一２—＿５Ｐｉ一 作战时，由于电厂子目标毁伤状态的判断具有不确定 ４４ 詹仁超等：打击核电厂目标的毁伤指标分析 第２２３期 性，所以计算得出的可靠性指标大小也具有随机性。对于 计入这种概率因素，同样有三种解决方案（以电厂供电有效 度为例）： １）以电厂供电有效度的数学期望Ｅ（Ｐ ）作为功能毁 伤指标； ２）以电厂供电有效度小于某阈值Ｐ 的概率Ｐ（Ｐ ＜ Ｐ 。）作为功能毁伤指标； ３）以置信度为１一ａ的电厂有效度上限值Ｐ 作为功 能毁伤指标，即要求Ｐ（Ｐ Ｐ ｂ）一１一ａ。 ３．４放射性核素释放量指标 物进入大气后，在被风朝向下风向输送的同时，将受大气湍 流影响，于水平和垂直方向迅速地稀释扩散。要估算放射 性释出物对居民的辐射后果，首先必须研究气载物的在大 气的稀释扩散规律，以计算居民所在处地面空气中放射性 浓度Ｘ。 为了便于建立模型，我们采用半经验的高斯烟云扩散模型 （正态分布模型）来描写气载物在大气中的稀释扩散规律 。 假设有一个距地面高度为ｈ均匀连续排放源Ａ。 轴 沿平均风向向水平延伸， 轴在水平上垂直于 轴， 轴垂 直向上，原点０在排放源点Ａ的垂直地面处。在平坦的地 形条件下，当大气中垂直温度梯度均匀，方向没有不连续变 放射性物质由主回路进入安全壳以后，一般是以气体 或悬浮的气溶胶形态存在于安全壳空间中。要计算出放射 化时，可以假设气载物的浓度在下风向的每一位置处，横风 性物质从安全壳向环境的释放量，首先要计算其释放率，即 为放射性浓度和安全壳体积泄漏率的乘积 ］。为了便于建 立模型，假设安全壳内气体始终充分混合，放射性物质浓度 是均匀的，则有： ｄＣ— — 一（Ａ＊＋ ＋ ）ｃ（￡） （１） 以 其中：Ｃ（￡）为放射性核素的浓度；国 （ ）为主回路系统向安 全壳是释放率； 为安全壳体积； 为因安全壳泄漏引起 的放射性减弱常数；Ａ为放射性衰变常数；Ａ为放射性去除 常数。 对于各类核素： 其中： 为安全壳的体积泄漏率。 去除常数 考虑了自然减弱和工程去除两个方面因 素，它一般是时问的函数，它们的变化往往取决于安全壳内 压力、温度等条件和安全壳系统的运行状态。安全壳的泄 漏率也随时间变化，通常 正比于安全壳内外测压差的平 方根。而主回路向安全壳的释放率也随时间变化，因此要 精确地解方程式（１），必须考虑方程中各量为时间的函数。 但为了简化计算，往往用某一保守值作为某一时间间隔内 的数值，这样方程式（１）即成为一个常系数线性微分方程， 可以很容易得到解。 假设在 一０时，由主回路瞬时向安全壳释放放射性物 质Ｑ，其余时间无释放，则方程解为 ｃ（ｆ）一 ｅ－ｕ 卅 （３） Ｖ 放射性物质从安全壳向环境的释放率即为放射性浓度 和安全壳体积泄漏率的乘积。 Ｑ （￡）一Ｆ Ｃ（ ） （４） 由事件开始到时间ｔ，总共向环境释放放射性物质的累 积总量为 Ｑ（ ）一Ｉ Ｑ （ｆ）ｄｔ （５） 将式（３），（４）代人，由此可求出Ｑ（ｆ），得 ）一 与 西 （６） ３．５放射性物质在环境中的溶度指标 放射性物质一般呈气体或者气溶胶形态从安全壳释放 到大气层中，我们统称这两种形态物为气载物。这些气载 方向和垂直方向的分布都是对称分布。假设气载物顺风移 动时既没有从烟云中消失，也没有增加，则气载物应满足连 续条件 Ｑ 一ｆ（７） Ｊ ０ 『Ｊ ∞ 由连续条件及加上所假设的对称性，即能解得气载物 在大气中的浓度分布的正态模型 一 唧［一ｃ ＋ ）］（ｓ 其中：Ｑ，为均匀连续排放源的排放率；Ｘ为在（ ，ｙ， ）处空 气中放射性的浓度；五为平均风速 ，以分别为 方向和 方向的扩散系数，它随天气类型而变化，也是Ｘ的函数。 若地面对气载物不吸收，而仅起全反射作用，则地面的 作用相当于在（Ｏ，０，－－ｈ）处有一个像源。此时有 ｘ（ｚ ）一一 ｒ＇ｅ唧ｘｐ ｛ ＹＣｘｚ｛ｅｘｐ［ｌ（一 ）Ｉ） ］ ＋ｅｘｐ『＿（一 ） ］｝ ㈣ 当 一０，＾一０时，则地面排放源造成的地面浓度为 ｘ（ｘ，ｙ，Ｏ，Ｏ）一 佑、 ．ｅｘｐ（‘＼ Ｚ一 ） 、 ／ （１０） ３．６核电厂毁伤评估流程 掌握情况 ｌ１ 分析子目标毁伤情况Ｉ Ｉ ｌ堆芯溶化与安全壳失效是否同时发生ｌ 是 否Ｉ 汁算目标辐射程度指标ｌ ｌ计算目标整体的功能毁伤指标ｌ ， ｌ 预测与评估周围居民接受ｌ Ｉ预测与评估目标整体的ｌ 的辐射剂量 Ｉ Ｉ 功能毁伤程度 ｌ ，喜、 图２核电厂毁伤评估流程（下转第６３页） ２０１３年第１期 舰船电子工程 ６３ 为理想控制力矩，姿态稳定过程如图６所示。与理想力 性及较高的稳态精度基础上，且对环境干扰变化及星体内 矩作用下相比，俯仰、偏航、滚动通道的超调略增，但不大于 部不确定性具有良好的适应性。在实际应用中可直接通过 １．５ ，其响应时间和稳态精度变化不明显，这表明了此控 星载计算机生成期望目标函数，简单高效。稳态响应时间 制系统对系统误差变化具有良好的适应性。 与理想调整时间有一定延迟，但满足工程指标。 ０ ２５ Ｏ ２ ／＼ｌｌ■００． ．．ｆ＿＿霎景酬 嚣 参考文献 ０ １ ５ ［１］刘昆，刘述田，等．微小卫星反作用飞轮控制方法研究＿Ｊ］．上海 售、０ １ 航天，２００４，２１（２）：ｌ１—１３． Ｏ ０５ ［２］王伟，张晶涛，柴天佑．ＰＩＤ参数先进整定方法综述［Ｊ］．自动化 ０ ≤０ ： 一 Ｏ 学报，２０００，２６（３）：３４７—３５５． ［３］Ａｓｔｒｏｍ Ｋ Ｊ，Ｈａｇｇｌｕｎｄ Ｔ，Ｗａｌｌｅｎｂｏｒｇ Ａ．Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｔｕｎｉｎｇ ｏｆ ｌ萎 器 蓬 ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ ｗｉｔｈ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｔｏ ＨＶＡＣ ｐｌａｎｔｓ［Ｊ］．Ａｕｔｏ— ＼ ； ｍａｔｉｏｎ，ｌ９９３，２９（５）：１３３３—１３４３． ・。 。。一 ¨’ ［４］Ａｓｔｒｏｍ Ｋ Ｊ，Ｈａｇｇｌｕｎｄ Ｔ，Ｈａｎｇ Ｃ Ｃ，Ｈｏ Ｗ Ｋ．Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｔｕｎ— ｉｎｇ ａｎｄ ａｄａｐｔａｔｉｏｎ ｆｏｒ ＰＩＤ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ－Ａ ｓｕｒｖｅｙ［ｊ］．Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｅｎｇ．Ｐｒａｔｉｃｅ，１９９３，１（４）：６９９—７１４． ｒ５］Ｓｃｈｅｉ Ｔ Ｓ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｔｕｎｉｎｇ ｏｆ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ ｂａｓｅｄ Ｏｉｌ ｔｒａｎｓ— ｆｅｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ａｕｔｏｍａｔｉｃａ，１９９４，３０（１２）：１９８３— １９８９． Ｅ６］周黎妮，唐国金．基于Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的航天器姿态动力学与 控制仿真框架［Ｊ］．系统仿真学报，２００５，１７（１０）：２５１７—２５２０． ［７］李源，吴宏悦．基于遗传算法ＰＩＤ整定的卫星姿态控制研究 ｔ／ｓ ［Ｊ］．中国空间科学技术，２００７（４）：６６—７１． 图６实际控制力矩下的姿态角响应 ［８］刘军，韩湘．基于单神经元的卫星姿态自适应ＰＩＤ控制［Ｊ］．计 ５ 结语 算机仿真，２００６，２３（３）：４５—４８． ［９］黄钏圭．航天器姿态动力学［Ｍ］．长沙：国防科技大学出版社， 本文通过设计期望目标函数的方法，将姿态角及角速 ｌ９９７． 度目标值设置为期望目标函数的形式，其与实际姿态角及 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