CN101669176B - 确定核反应堆堆芯三维功率分布的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于确定核反应堆堆芯体积功率分布的方法(30),所述方法使用一组设置在反应堆容器外的用于测量中子流量的检测器和一组用于测量燃料组件出口处的冷却剂温度的探测器进行确定。方法(30)包括使用即时求解扩散方程的中子计算代码(40)确定第一三维功率分布并基于堆芯操作参数的值在燃料耗尽过程中更新堆芯的同位素平衡的步骤,和通过利用设置在反应堆容器外面用于测量中子流量的传感器提供的测量结果(80)和温度测量探测器提供的测量结果(100)调整第一体积功率分布(60,90)来确定新三维功率分布的步骤。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于确定核反应堆堆芯三维功率分布的方法。本发明的另一个目的是监视核反应堆堆芯正常操作的至少一个限制参数。本发明尤其适合于压水核反应堆。
背景技术
在正常操作中,核反应堆的堆芯必须遵守保证万一发生事故时符合安全标准的某些条件。这些条件(称为1类条件)对应于安全研究中采取的初始状态;因此,在正常操作中超过这些条件会破坏安全验证。不断地核实遵从正常操作极限,限定了“监视堆芯事故前条件”的功能。
这些条件是从代表核反应堆堆芯的组成燃料棒特定激活的参数制定出来的。以举例的方式,可以引用简单的参数,诸如堆芯的功率水平或者代表功率分布形式的因子(ΔI,FΔH等),还有更高级的参数,诸如临界热通量比值(与临界沸腾现象有关)或者线性功率密度(与燃料熔化现象有关)。因此,监视堆芯事故前条件可以通过计算这些参数中的一个或更多并与通过安全研究给出的预定阈值对比来完成。当选择的限定监视功能的参数是简单的时候,必须还采取不利假设来覆盖与这些参数的阈值对应的大量事故前状态。这些不利假设与事故研究中的安全标准遵从的兼容性要求反应堆堆芯的正常操作范围减小。因此,看起来改进监视功能,也就是说使用更高级的参数限定反应堆堆芯的正常操作极限,允许反应堆堆芯的正常操作范围得以扩展并因此允许操作得到挽救。
监视功能改进所对应的是需要有一种评估其所基于的高级参数的在线方法。如本例的情况那样,这种评估最常见的是必须访问在核反应堆堆芯中产生的功率分布的图像。这再一次说明,用来访问这种堆芯中功率分布图像所用的手段越简单,相关的保守性就越高,反应堆堆芯正常操作范围被截去的就越多。现在用来监视核反应堆堆芯正常操作极限的大多数方法,通过将二维径向图像与一维轴向图像相结合,重现堆芯中功率分布的图像。
以三维方式重建堆芯功率分布的方法也是已知的。
但是,这些方法必须在堆芯中添加额外的仪器。
发明内容
在这种情况下,本发明的目的是减轻前述的缺点,本发明旨在提供一种用于确定堆芯三维功率分布的方法,该方法是有效的并且不需要添加额外的仪器。
为此目的,本发明提出了一种用于确定核反应堆堆芯三维功率分布的方法,所述方法由编程的装置来实现,所述堆芯包括多个燃料组件,所述方法通过使用一组用于测量在反应堆容器外提供的用于测量中子通量的检测器和一组用于测量所述燃料组件出口处的冷却剂温度的探测器来确定核反应堆堆芯三维功率分布,所述方法包括下述步骤:
-基于堆芯操作参数值,通过使用即时求解扩散方程的中子计算代码并更新燃料消耗过程中堆芯的同位素平衡,确定第一三维功率分布,
-通过利用设置在所述反应堆容器外面的所述中子通量测量检测器和所述温度测量探测器给出的测量结果调整所述第一三维功率分布,确定新三维功率分布。
-连续地控制所述中子计算,所述控制包括下述步骤:
-从表征反应堆当前操作的参数值在时间步ti计算堆芯的当前三维功率分布。
-在调整了至少一个表征反应堆当前操作的参数以使堆芯边缘处一组组件上的平均功率轴向不平衡的计算结果和测量结果之间的差值最小之后,在时间步ti计算新三维功率分布。
-使用从先期计算结果中给出的新功率分布作为在随后的时间步ti+1进行中子计算的初始条件。
“即时”被理解为指的是针对每一个时间步用不到一分钟(在30秒的量级上)的时间步执行中子计算。
由于本发明,可以从通过在线执行的中子计算得到的三维信息,评价堆芯中的功率分布。这个信息由从关于压水反应堆现有仪器(称之为芯外部分的反应堆容器外面的热电偶和探测器)得到的测量结果进行校正,以考虑计算时堆芯的所有特性。这种方法不要求必须有任何额外仪器。这种校正的结果是堆芯当前功率分布的三维图像,其用作确定正常操作的高级限定参数(例如已知为DNBR的偏离自然沸腾比和线性功率)的基础。
于是,由于执行了核反应堆堆芯当前功率分布的三维中子计算,由于允许这种三维计算与由现有仪器提供的测量结果信息相结合,而且由于基于对反应堆堆芯正常操作的限制参数的这种计算结果,在反应堆所在地并在与在线堆芯监视功能的要求相容的时间内,根据本发明的方法在对核单元设备影响最小的情况下允许精确并有效地监视反应堆堆芯的事故前条件,并因此允许可用于核单元最优化开发的待释放的存储。
连续中子计算控制的目的是优化对堆芯功率分布有直接影响的瞬变现象的中子代码表示。
根据本发明的方法还可以提供下面特征中的一个或者更多,单独考虑或者根据任何技术上可能的组合。
根据一个优选实施例,确定新功率分布的步骤包括下述步骤:
-调整所述第一计算出的功率分布的第一步骤,所述调整是利用使计算出的功率分布的轴向分量和容器外的“芯外”中子通量测量检测器给出的测量结果之间的差值最小的数学函数进行的。
-调整所述第一计算出的功率分布的第二步骤,所述调整是利用使计算出的功率分布的径向分量和温度测量探测器给出的测量结果之间的差值最小的数学函数进行的。
优选地,根据本发明的重构方法包括周期性校正源自中子计算代码的堆芯模型的步骤,这种周期性校正包括修改堆芯模型固有的参数以使中子代码计算出的三维功率分布和从称之为芯内探测器的反应堆堆芯内部的中子通量测量检测器所提供的测量结果推导出的三维功率分布之间的差值最小的步骤。
本发明的另一个目的是一种用于监视核反应堆堆芯的正常操作的至少一个限制参数的方法,该方法包括下述步骤:
-实现根据本发明的确定所述堆芯三维功率分布的方法。
-从这个堆芯三维功率分布出发计算反应堆堆芯正常操作的至少一个限制参数。
-计算所计算出的参数相对于预定阈值的差值。
因此,由根据本发明的方法重构的功率分布用作计算正常反应堆堆芯操作的至少一个限制参数的支持,正常反应堆堆芯操作的限制参数相对预定极限的裕度可以因此在线重建,其中,监视可以允许万一这个极限被超过时,引起警报。
有利的方式是,监视方法包括万一所计算出的参数超过阈值时在控制室中的警报启动步骤。
有利的方式是,正常反应堆堆芯操作的限制参数是从下述参数选择的:称之为Plin的线性功率,称之为DNBR的分离自然沸腾比,称之为Dpax的轴向功率不平衡,以及称之为Dpaz的方位角功率不平衡。
不同的计算出的参数、功率分布或甚至计算出的裕度,也可以连续地显示在一个或更多的控制室屏幕上。
本发明的另一个目的是计算机程序,其包括当该计算机程序在计算机上执行时用于执行根据本发明方法的编程装置。
附图说明
本发明的其他特点和优点,参照附图从下面给出的用于说明但绝不是限制的目的的描述中清楚的显现出来。在附图中,
-图1示意性地表示压水反应堆的容器,说明根据本发明的方法的实现;
-图2是根据本发明方法的不同步骤的方框图。
具体实施方式
图1示意性地表示压水反应堆的容器1。
容器1包括配备有燃料组件的堆芯6并配备有:
-用于测量堆芯组成燃料组件的出口处的制冷剂温度的探测器3(称为堆芯出口热电偶)。
-用于测量堆芯外的中子通量的腔4(称为芯外腔)。
由芯内探测器7构成的堆芯内的仪器8。
根据本发明的堆芯监视方法由编程的装置5实现。这种监视方法是基于从当前堆芯6功率的三维分布出发对反应堆堆芯6正常操作的至少一个限制参数的计算,当前堆芯6功率的三维分布是从有关压水反应堆(PWR)的现有仪器提供的测量结果和三维中子计算结果确定的,这些仪器是用于测量堆芯外的中子通量的腔4和出口热电偶3。
芯外腔4包括沿着堆芯6高度的若干测量级4a、4b(例如6个级,只有2个表示在图1中),并大体上布置在堆芯6的外周,在相对于堆芯6的相互成90°角的两个轴对称平面对称的四个位置处。于是,芯外检测器的错开的腔4a至4d允许在要获得的不同方位角上在绕着堆芯6分布的四个区域中沿着堆芯6的高度在不同水平上进行中子通量测量。芯外腔4因此提供了有关堆芯6功率分布的轴向和方位角类型的信息。可以注意到,该图示出分别在两个级上的两个芯外腔4,4a-4b和4c-4d,但这四个芯外腔最常用在特别是1300MWe功率的反应堆上(每一个腔有六个级)和900MWe功率的反应堆(每个腔有两个级)。
堆芯出口热电偶3在垂直于堆芯6高度的水平面内形成了网络,并安装在燃料组件的上方并且面对着燃料组件。堆芯出口热电偶3因此允许堆芯6的某些组成燃料组件(称之为配备仪器的组件)的出口处的冷却剂温度得以测量。燃料组件出口处的冷却剂温度与这些组件所产生的核功率相关联,堆芯出口热电偶3因此提供了有关堆芯6功率分布的径向信息。
为了标定这两个仪器4和3,并为保证它们的响应表示它们应当测量的结果,用由芯内探测器7构成的堆芯内的“芯内”仪器8周期性地进行测量,芯内探测器7一般是给出三维测量信息的可动裂变腔。芯内探测器7每个都固定到称之为Teleflex线缆的柔性线缆端部,确保其在测量通道9内的位移。芯内探测器7周期性提供的堆芯6中三维功率分布的图像被称之为通量图。
在根据本发明的监视方法中,这些通量图用作确定芯外测量结果和热电偶的调整系数的基础,这样,它们可以分别表示周边轴向功率分布和组件出口处的冷却剂温度。周边轴向功率分布被理解为指的是有关堆芯6周边附近一组组件的每个组件的轴向功率分布的加权平均。根据本发明的方法可以使用周边轴向不平衡的量(也称之为“轴向偏移”),指定关于堆芯6周边附近的一组组件的轴向功率偏移的加权平均作为对于这个周边轴向功率分布的位移。
用于实现根据本发明的堆芯监视方法的编程的装置5因此处理来自下述装置的信息:
-热电偶3,
-芯外腔4,
-芯内仪器8。
编程的装置5还可以处理反应堆操作参数(例如堆芯的平均热功率,容器中冷却剂的平均入口温度以及控制组的受控位置)的当前值2。
为了更详细地描述根据本发明的监视方法,在图2中提供了一个方框图,在第一栏中表示用于实现根据本发明的监视方法的步骤顺序,在第二栏中表示在每个步骤中使用的测量信息。
在框30内分在一组的步骤说明根据本发明的堆芯三维功率分布重构或确定方法的步骤。
这个重构方法30使用芯外测量结果80和热电偶测量结果100,利用标定系数在通量图上进行调整。
三维功率分布30的这种重构是基于从用中子代码计算功率分布的阶段40以及调整在芯外测量结果80和热电偶测量结果100上计算出的功率分布的两个阶段60和90的结果。
功率分布计算阶段40实现三维中子代码,三维中子代码从当前反应堆50操作参数值(例如堆芯的平均热功率,容器中冷却剂的平均入口温度以及控制组的受控位置)出发,更新燃料消耗过程中堆芯的同位素平衡并在分布在堆芯中不同位置上的一组核功率数值的形式下在线求解扩散方程以重建当前堆芯功率的三维分布。以举例的方式,可以引用基于高级节点型3D建模的SMART中子计算代码。在文献“Méthodes de calcul neutronique de coeur”(由Giovanni B.Bruna和Bernard Guesdon发表于Techniques de l’ingénieur-B3070-)进一步详细地描述了堆芯中子计算的原理。
从芯外测量结果80出发的功率分布的第一调整阶段60实现数学过程,该过程试图将从计算结果给出的周边轴向功率分布或者轴向偏移和标定在通量图上的由芯外腔80测量的轴向功率分布或者周边轴向偏移结合起来。所实现的算法根据所用信息是轴向功率分布型还是轴向偏移型(这两个术语在轴向三维功率分布分量的上位术语下分在一起)而不同。
如果所用信息是轴向分布型,则算法使用“最小二乘”型来构建Nz个校正系数的矢量(Nz是源自中子计算代码的堆芯模型的轴向网格数量),应用于每个组件的轴向功率分布,以使有关周边轴向功率分布的计算结果和测量结果之间的差值最小。对于四个可得到的对(计算出的周边轴向功率分布,测量出的周边功率轴向分布)应用这个算法。因此重建了四个修正系数矢量,每个矢量与一个芯外腔有关。每个堆芯组件的轴向功率分布接着由这四个矢量的线性组合进行校正,这种线性组合的系数与从该组件到四个芯外腔的距离相关联,保证遵从平均堆芯功率。
如果所用信息是轴向偏移型,则算法重建型的函数,应用于每个组件的轴向功率分布,以使有关周边轴向偏移的计算结果和测量结果之间的差值最小。该函数可以被看做Nz个校正系数的矢量,其中Nz是源自中子计算代码的堆芯模型的轴向网格数量。插在这个校正函数定义中的函数f(z)是可带参数的并被预先定义。系数α(i)和数字N是通过迭代过程得到的。这种算法被用于四个可得到的对(计算出的周边轴向偏移,测量出的周边轴向偏移)。四个校正系数矢量因此得以重建,每个矢量与一个芯外腔有关。每个堆芯组件的轴向功率分布接着通过这四个矢量的线性组合进行校正,每个线性组合的系数与从该组件到四个芯外腔的距离相关联,并且保证遵从平均堆芯功率。
功率分布的第二调整阶段90(从热电偶测量100开始)实现数学过程,该数学过程试图将带仪器组件的平均功率,诸如通过中子代码计算出的以及从标定在通量图上的通过热电偶在这些组件出口处测量100的冷却剂温度推导出的,集合起来。该算法使用二阶多项式回归并重建校正函数,应用于径向功率分布,以使有关带仪器的热电偶组件的功率的计算结果和测量结果之间的偏差最小。这种校正函数可以被看作一组Nass个校正系数,其中Nass是核反应堆堆芯组件的数量。
在核反应操作中,应用根据本发明的这种确定堆芯三维功率分布的方法30,该方法刚被描述为计算阶段40和两个调整阶段60和90的结果,其中,周期在30秒的量级上。因此大约每隔30秒,就由根据本发明的方法重建一个反应堆堆芯当前功率的三维分布。这种功率分布可以看作分布在堆芯中不同位置上的一组Nass×Ncray×Nz个核功率数值。其中,Nass是堆芯组成组件的数量,Ncray是一个组件组成燃料棒的数量,Nz是源自中子计算代码的堆芯模型的轴向网格的数量。
当前堆芯功率的这种新三维分布被用于实现根据本发明的监视方法,允许对正常核反应堆堆芯操作的限制参数,尤其是下面定义的参数的计算110:
-Plin:线性功率,即堆芯燃料元件每单位长度的功率。
-DNBR:偏离自然沸腾比,表示冷却剂热工水力条件相对于临界沸腾状态的差值。
-Dpax:堆芯中的轴向功率不平衡(或轴向功率偏移)。
-Dpaz:堆芯中的方位角功率不平衡(或功率倾斜)。
通过根据本发明的监视方法计算出的堆芯的限制性正常操作参数,与安全研究中定义的阈值进行对比。这种对比允许相对阈值对裕度进行计算(步骤120),并且有可能的是,万一阈值被越过时,允许生成核反应堆控制室中的警报信号。可以注意到,一些限制参数的计算可能要求知道当前反应堆50操作参数值,这些操作参数值不构成中子计算40所须的直接输入数据(因此有箭头F存在):这是例如DNBR的情形,要求知道不是中子计算40必须的输入数据的流量和压力数据。计算出的不同参数、功率分布甚至计算出的裕度也可以连续地显示在一个或者更多的控制室屏幕上。
根据本发明的重构方法30,如到现在为止所描述的那样,允许根据步骤40在线计算功率分布并根据步骤60和90在线计算调整,以尽可能减少相对于表示计算时真实堆芯功率分布的芯外测量结果80和热电偶测量结果100的差值。这种计算出的功率分布,一旦根据测量结果进行调整,就因此表示计算时堆芯的物理特性并用作堆芯限制性正常操作参数计算110的支持,接着可以为此根据步骤120评估相对预定阈值极限的裕度。
调整的功率分布的精确度,即与真实堆芯功率分布的一致性,要求控制用在功率分布调整阶段60和90中的计算结果和测量结果之间的差值。事实上,当计算结果和测量结果之间的差值在功率分布调整过程的有效性是最佳的某个范围之外时,调整的功率分布的精确度变差。为了将计算结果和测量结果之间的差值维持在功率分布调整方法60和90的最佳有效范围中,根据本发明确定堆芯三维功率分布的方法30提供了按两种截然不同的方式按计算结果进行动作的可能性:
-连续控制中子计算70,
-周期性控制中子计算10。
连续中子计算控制70的目的是最佳化对堆芯功率分布有直接影响的瞬变现象,特别是反应堆堆芯中氙分布振荡的中子代码表示。这种控制模式在根据本发明的方法中在线实现,并因此可以按照同适合于上述根据本发明的功率分布重构过程30的周期(大致30秒)相同的周期进行激活。这是一个迭代过程,该过程是基于用在中子计算入口处的一个或者更多操作参数数值(例如,堆芯的平均热功率,容器中冷却剂的平均输入温度以及控制组的受控位置)的修改50。在每一个计算时间步ti,将计算出的(但还没有根据测量结果进行调整的)功率分布的周边轴向偏移与芯外腔80所测量的周边轴向偏移进行对比。如果有关周边轴向偏移的计算结果和测量结果之间的差值不满足预定标准,则进行一个或者更多操作参数数值的修改50,并用带有修改后参数值的代码执行新中子计算。换言之,一个或者更多操作参数值被因此迫使成为不一定表示真实情况的值。反复进行这种操作,直到关于有关周边轴向偏移的计算结果和测量结果之间的差值的标准得到满足。当这种迭代实现时,认为功率分布受到控制。这种受控功率分布被用作在随后时间步ti+1进行中子计算的初始条件。应该注意,计算出的功率分布的控制过程70与上述重构过程30并行进行。换言之,对利用中子计算40入口处使用的没有修改的,即表示真实情况的操作参数值50计算的功率分布,进行重构过程30固有的对测量结果的调整60和90。
周期性控制中子计算10的目的是最佳化对堆芯功率分布有直接影响的静态现象或者有缓慢形成的运动学的现象,尤其是核反应堆堆芯内耗尽或慢化不平衡的中子代码表示。这种控制模式是基于使用从芯内探测器20进行测量而周期性获得的通量图。这种控制模式可以因此利用同适合于通量图的周期(一般为月的量级)相同的周期进行激活。这是一个迭代过程,该过程是基于对源自中子计算代码的三维堆芯模型固有的参数进行修改。堆芯模型固有的参数被理解为指的是插在扩散方程中的参数。这些参数因此被反复修改直到有关代码计算出的功率分布和对应于通量图的功率分布之间的差值的标准得到满足。关于通量图重新设置中子代码因此按照这种方式周期性执行。在两个连续的中子代码重新设置(大约相隔一个月)之间,对于前面描述的重构过程30或连续控制过程70在每个时间步执行的中子计算,使用诸如在所执行的最后重新设置过程中获得的堆芯模型固有的参数的修改后数值。
在根据本发明的方法中执行的这两种控制中子计算的方法10和70因此保证计算出的功率分布一定程度地遵从真实堆芯功率分布。计算出的和真实的功率分布之间的遵从程度对于维持功率分布重构过程30的执行是必须的,无论反应堆遇到什么正常操作瞬变现象(例如,负载跟随,控制点调整或在减少功率上的延伸操作)或者堆芯的物理特性(例如燃料耗尽不平衡或者慢化)。功率分布重构过程30接着用作对芯外仪器80和热电偶仪器100提供的连续测量值的精确功率分布调整。关于一方面控制中子计算10和70另一方面调整60和90的混合动作,分别建立了由根据本发明的方法执行的反应堆堆芯事故前条件监视的稳健性和精确性。
当然,本发明不限于已经描述过的实施例。因此,虽然本发明是针对四个芯外腔进行描述的,但是腔的数量是可以改变的。
此外,即使本发明在压水反应堆的情况下做了更具体地描述,但是,本发明可以应用于任何类型的反应堆,包括配备有测量温度的探测器和芯外仪器的堆芯。
任何手段都可以用等同手段代替。
Claims (7)
1.一种确定核反应堆堆芯三维功率分布的方法(30),所述方法通过编程的装置来实现,所述堆芯包括多个燃料组件,所述方法通过使用一组设置在反应堆容器外的中子通量测量检测器和一组用于测量所述燃料组件出口处的冷却剂温度的探测器来确定核反应堆堆芯三维功率分布,所述方法(30)包括下述步骤:
-根据反应堆操作参数值,通过使用即时求解扩散方程的中子计算(40)以及更新燃料耗尽过程中堆芯的同位素平衡,来在时间步ti确定第一三维功率分布,
一利用设置在所述反应堆容器外面的所述中子通量测量检测器给出的测量结果(80)和所述探测器给出的测量结果(100),通过调整所述第一三维功率分布(60,90),在时间步ti确定新三维功率分布,
-连续地控制中子计算(70),所述控制包括下述步骤:
-根据表征反应堆当前操作的参数值,在时间步ti计算堆芯的当前三维功率分布,
-在调整至少一个表征反应堆当前操作的参数以使得在堆芯边缘处一组组件上进行平均的轴向功率不平衡的计算结果和测量结果之间的差值最小之后,在时间步ti计算受控三维功率分布,
-使用从先前计算结果中给出的所述受控三维功率分布作为在随后的时间步ti+1进行中子计算的初始条件。
2.根据权利要求1所述的确定核反应堆堆芯三维功率分布的方法(30),其特征在于,所述确定新三维功率分布的步骤包括下述步骤:
-调整所述第一三维功率分布的第一步骤(60),所述调整是利用使所述第一三维功率分布的轴向分量和设置在所述容器外的所述中子通量测量检测器给出的测量结果(80)之间的差值最小的数学函数进行的,
-调整所述第一三维功率分布的第二步骤(90),所述调整是利用使所述第一三维功率分布的径向分量和所述探测器给出的测量结果(100)之间的差值最小的数学函数进行的。
3.根据前述权利要求中的一项所述的确定核反应堆堆芯三维功率分布的方法(30),其特征在于,所述方法包括周期性校正源自所述中子计算的堆芯模型的步骤(10),所述周期性校正步骤包括步骤:修改所述堆芯模型固有的参数以使由所述中子计算计算出的三维功率分布和从由称之为芯内探测器的反应堆容器内部的中子通量测量检测器所提供的测量结果(20)推导出的三维功率分布之间的差值最小。
4.一种监视核反应堆堆芯正常操作的至少一个限制参数的方法,所述方法包括下述步骤:
一实现根据权利要求1至3中一项所述的确定所述堆芯三维功率分布的方法(30),
-根据所述堆芯的该新三维功率分布,计算反应堆堆芯正常操作的至少一个限制参数(110),
-计算所述至少一个限制参数相对于预定阈值的差值(120)。
5.根据权利要求4所述的监视核反应堆堆芯正常操作的至少一个限制参数的方法,其特征在于,所述监视核反应堆堆芯正常操作的至少一个限制参数的方法包括万一所述阈值被所述至少一个限制参数超过时触发控制室警报的步骤。
6.根据权利要求4或5所述的监视核反应堆堆芯正常操作的至少一个限制参数的方法,其特征在于,所述反应堆堆芯正常操作的至少一个限制参数是下述参数中的一个:称之为P1in的线性功率密度,称之为DNBR的临界热通量比,称之为Dpax的轴向功率不平衡,以及称之为Dpaz的方位角功率不平衡。
7.根据权利要求4或5所述的监视核反应堆堆芯正常操作的至少一个限制参数的方法,其特征在于,所述至少一个限制参数、所述新三维功率分布或者所述差值连续地显示在至少一个控制室屏幕上。
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