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        【行业观察】开发数字化反应堆 提升反应堆设计与研发能力
        文章来源:中国核工业杂志 日期:2016年03月25日


          近年来,随着计算机软硬件技术的飞速发展,超级计算机的高性能计算能力得到了持续提升。在反应堆系统设计分析领域,各种精细化模型的反应堆系统计算分析软件层出不穷,先进数字化技术、工业仿真技术、虚拟现实技术等相继得到广泛应用,通过高性能计算平台,高精度、大规模、集成计算仿真复杂工业产品的综合性能日益成为可能。

          在此背景下,将先进的数字化技术引入核反应堆工程领域,开发数字化反应堆相关技术是近年来核反应堆工程学术界、工业界日益关注的一个新兴技术领域,是反应堆工程技术发展的一个重要方向,并逐步成为提高核动力系统自主创新能力,提升在役反应堆系统安全性,缩短研发、建造周期,提升反应堆工程技术经济性的一个良好选择。

          国内外研究现状

          数字化设计技术在国内外各行业中已经得到广泛的研究与应用,主要历经了设计软件的广泛应用、并行工程思想的提出与推行、统一模型数字样机技术的广泛应用、专业领域知识工程(KBE)与设计结合四个阶段,正朝着研发过程集成化、计算结果精细化、研发成果可视化等方向发展。

          在核反应堆工程领域,将数字化技术与核反应堆工程相结合,基于先进科学架构的建模与仿真技术,经过20多年的发展,在核动力建模仿真硬件系统及其模块化、集成化程度,高精度复杂建模能力,建模可视化、模块化,虚拟现实技术,三维数字化设计管理等方面进行了很多突破性的探索和研究,这些研究工作主要基于以下四种技术发展趋势。

          利用高性能计算系统及先进的理论模型进行精细化计算

          在超大规模计算机系统上,开展针对堆芯物理、热工、燃料的高精度计算分析,实现在统一平台上多专业的协同设计与仿真,并以高仿真可视化显示的方式对计算结果进行三维动态显示,可以有效地提高反应堆整体与局部关键特性的准确分析计算,实现对大量设计研究方案的评估、验证与优化,从而实现提高燃耗深度、延长寿期、提升安全裕量等反应堆整体性能的目的。

          美国能源部在数字化反应堆技术研究上投入了大量人力、物力和财力。其中,轻水反应堆先进建模和仿真联盟(CASL)计划的初期投资就达1.22亿美元。该计划以堆芯为重点,通过综合、科学的建模和仿真技术建立先进的虚拟反应堆,实现对新建、在役核电厂的功率提升、延寿及加深燃耗,并逐步将建模与仿真能力从堆芯扩展至反应堆及一回路系统,同时关注虚拟反应堆技术在第四代反应堆的应用。该项目的主要研究内容包括:先进的建模应用、虚拟反应堆集成、模型与数值方法、材料性能与优化、验证与不确定性分析。

          目前,中国核动力研究设计院等单位已经开发了较为完善的核动力设计分析软件包SARCS和核电工程设计分析软件包NESTOR,以及初步数字化反应堆集成研发平台VEACTOR。2010年,国家核电技术公司成立了软件技术研究中心并正式启动核电厂核设计与安全分析软件(COSINE)计划,计划开发出一套一体化软件包,目前已取得初步成果。中国广核集团中科华等单位也正在开发PCM软件包等核电软件包。

          利用三维数字化模型进行虚拟现实仿真

          基于结构、力学、物理、热工等多专业的统一的数据模型进行设计与分析,实现多专业设计数据模型的共享与关联统一;基于全三维模型的反应堆设备、系统各专业协同数字化设计,在统一的设计平台上进行反应堆总体、压力容器、堆内构件、燃料组件等设备的参数化数字化结构设计和反应堆系统数字化布置设计,通过自动总体装配、干涉检查,反应堆各设备、系统全范围数字化三维模型的精确集成与装配,实现各专业的协同与优化。通过这些手段与技术可以对工程方案进行有效验证、评估与优化,尽早发现工程结构设计问题,合理安排工程制造进度,优化安装维修方案,最终实现对全数字化三维几何模型和设备设计、安装、建造过程的虚拟现实仿真。

          法国的AREVA公司一直与达索公司合作,将虚拟现实技术应用于反应堆工程的设计、建造、运行、维护过程中,以三维模型为基础进行产品全生命周期中设计、制造、安装、使用、维修、运行过程的动态仿真。中国核动力研究设计院针对不同型号的反应堆系统和设备利用Delmia、UG等软件完成了反应堆系统结构数字样机系统的构建、检修仿真技术研究、数字化核电厂的构建以及反应堆系统安装/维修/换料过程工艺方案的仿真分析,为反应堆系统的维修、保障、评估、优化提供了技术支持。核动力运行研究所针对核电厂基于三维虚拟现实技术建立了虚拟检修系统,构建了核电站设备三维模型及检修工具的三维模型,可实现设备结构的培训以及进行检修过程培训。

          另外,以虚拟现实技术为基础的数字化反应堆技术也在国内外很多核电站得到了广泛应用,如红沿河核电站等。

          针对多专业、全系统特征进行实时工况模拟

          针对多专业、全系统特征进行实时工况模拟。基于全范围的堆芯与流体系统等多专业模型,在全范围仿真平台或半实物仿真平台上对正常及事故运行工况进行动态模拟与验证,可以及时发现并改进反应堆系统设计中存在的缺陷,验证系统设备的响应程度,提高系统的可靠性和交互性;此外,通过建立的实时仿真机可以对操作人员进行培训和应急响应方案演练。

          核动力运行研究所开发了核动力仿真平台RINSIM,以此为基础建立全范围仿真机,涵盖包括三代AP1000在内的国内绝大部分运行和在建机组类型;哈尔滨工程大学基于GSE平台,针对中国实验快堆自主开发了全范围模拟机;中国核动力研究设计院初步建立了数字化反应堆设计仿真平台,开发了建模组态工具,完成了堆芯物理、热工水力和仪控的多专业间的联合仿真和耦合设计,还应用到了核电厂严重事故的分析与管理上,开发了秦山核电二期3、4号机组严重事故模拟软件、中核运行严重事故专家支持系统软件和田湾SAMG电子化软件,基于自定义的事故序列对严重事故进行预测、分析及仿真,依据SAMG对严重事故进行智能化管理。此外,还有台湾公元公司建立的龙门核电站模拟机,如图1所示。

          对数据库的开发和利用

          在实验数据库方面,美、欧、俄等核发达国家均在国家的扶持下建立了规模化的反应堆实验数据库。反应堆实验数据库既可作为反应堆仿真模型确认和校核的数据评价依据,保证反应堆各类仿真分析的精确性和可靠性,又可作为反应堆全周期研发活动的数据管理平台,对数据存储、分类、查询、关联等工作进行管理,为反应堆研发活动产生的各类数据建立信息化的档案系统,满足项目全程管理、技术信息实时查询、数据文档安全保密、档案系统可拓展和可移植等技术要求。

          国外成功研究经验

          目前,以美国、法国为代表的核发达国家,在核动力、核电站的设计能力上已经迈入以数字化、集成化与协同化为标志的新阶段,在数字化反应堆技术方面的研究工作取得了一些成功经验。

          一是重视总体规划,整合资源,强强联合,分步骤分阶段进行实施。作为研究领域新、难度大、周期长、涉及面广的大型系统工程,一方面,需以与应用紧密结合的核心科研院所为主体,联合其他核心力量进行优势互补;另一方面,需要加强总体规划,做好顶层设计,加强与其他预研项目的统筹考虑,分阶段、分步骤开展和完善工程应用等工作。

          二是依托型号建设,科研工作与工程任务紧密结合。无论是以数值模拟为特点的数字化反应堆技术,还是以实体样机为代表的传统实体反应堆工程技术,总体目标都是紧密围绕型号任务的需求背景,结合工程实际设立科研项目,并按照相对独立的发展规划持续开展研究工作,以解决反应堆工程研发、设计、运行保障中存在的实际问题,力图让研究工作更好地服务于国家重大核电、核动力工程项目。

          三是充分利用各相关学科最新研究成果,加强反应堆工程技术与计算机科学技术深度融合。国外核发达国家在开展数字化反应堆技术研究时,注重相关学科之间的深度融合,充分吸收与利用相关学科的最新研究成果。

          四是数字化反应堆系统与实体反应堆系统相互补充,互为验证。数字化反应堆系统可作为实体反应堆系统的重要补充,侧重于反应堆结构、热工水力参数、仪表与控制、安全分析等领域的设计性能,并可进行某些极端事故下反应堆特性的行为预测分析及安全状态的评估与应急演练,同时,利用实体反应堆的相关数据又可验证数字化反应堆技术的正确性。

          五是强调反应堆工程各研发环节资源、数据与流程的集成,提高研发效率,缩短研发周期。

          数字化反应堆技术可以在统一的集成研发平台上实现设计、实验、建造、运行保障及退役等各研发环节资源、数据与流程的集成,各种计算机软硬件资源能够实现任务的自动调度与负载均衡,研发数据能在不同研发环节实现高度的共享,研发流程能在集成研发平台上实现上下游环节研发数据的自动流转,并可提供大量高效的设计、实验、建造、运行保障及退役等方案快速生成与仿真验证工具、数据库。

          启示

          通过先进的数字化反应堆技术研发工作,能够持续提升设计理念和设计手段,可以实现反应堆特性的精确模拟预测,反应堆系统整体性能的提升,多专业并行协同研发和研发资源/数据/流程的高度集成,提升自主创新能力,对于加强核反应堆系统研制先进性、安全性,提升研发过程的水平与效率,都具有重要的现实意义。

          当前,国内外众多研究机构纷纷加大了这一领域的研究与开发工作,并取得了一系列初步的研究成果,对反应堆工程的高效研发与安全运行日益发挥着重要作用。同时,我们也应认识到,由于数字化反应堆技术领域新、难度大、研究周期长、专业涉及面广,有必要充分借鉴国外核发达国家的研发经验,以及国内其他行业在数字化技术发展的经验与教训,加强总体统筹规划,本着强强联合,合作共赢的原则,多渠道、系统性地推进研究工作。(作者系中国核动力研究设计院廖玮 于洋 刘东)

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