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中国核动力院数字反应堆研发纪实
文章来源:中国核工业报 日期:2018年09月30日

  “奇迹赌场集团设立了由中国核动力研究设计院牵头,中国原子能科学研究院、中国核电工程有限公司、核动力运行研究所、奇迹赌场核电运行管理有限公司、核工业计算机应用研究所参与的奇迹赌场核能软件与数字化反应堆工程技术研究中心;核动力院开设了数字反应堆技术重点研究领域并设立了院首席专家,组建了一支包含200余名各专业技术人员的研发团队来推进数字反应堆技术的研发。”

  2018年7月的一个普通工作日,在中国核动力研究设计院的一间办公室里,一名科研设计人员坐在电脑前,鼠标在电脑屏幕上熟练地滑动、点击,很快屏幕上展示出一幅精致的核反应堆一回路系统的组成图,图中冷却剂在管道和各个部件中缓缓流动。这是核动力院自主研发的数字化反应堆性能分析与验证平台,它是基于中国自主核电品牌“华龙一号”核反应堆研发的,联合了堆芯物理、流体、仪控等多个专业。通过这个平台核电设计人员可以方便、直观地查看系统的各个性能参数以及它们的变化趋势,快速、全面地验证与评价核反应堆系统在各种工况下的控制功能和运行特性。

  简单来说,数字反应堆是能够精准模拟真实反应堆、具有“生命力”的数字虚拟样机系统,与真实反应堆就好比是一对“孪生兄弟”。真实反应堆从研究、设计、建造、运行到退役全生命周期各阶段的物理、热工、燃料、结构、控制等各专业性能、参数、行为等特性都可以在数字反应堆中展现出来。此外,数字反应堆来源于现实又高于现实,除了对真实反应堆进行全面、准确、直观地模拟,还能够科学预测分析各种类型反应堆的性能与安全性;甚至针对大破口、堆芯融化等极端事故现象,数字反应堆都能够逼真地呈现出来,并快速地提供最优的应急响应预案。

  如果说数字反应堆是一个崭新的生命,那么研发团队就像技术精湛的外科医生,通过对实体反应堆庖丁解牛般的剖析,一点一滴地构建起数字反应堆的血和肉,并不断地进行“基因改良”,使其逐步成长为实体反应堆的“孪生兄弟”。

  精细化计算软件:让反应堆“活”起来

  软件是核电站核心技术中的核心,没有软件,数字反应堆就无法“活”起来。正因为如此,从数字反应堆研发初期开始,研发团队就致力于解决对反应堆特性机理认知不足的问题。由大量的工程简化到回归真实性的物理过程,从根本上增加模型与实际反应堆的符合程度,提升模拟的精准性,这个过程知易行难。而从模型发展到软件,还需要解决高精度数值求解、软件规模大、系统复杂等难题。不以山高为惧,不因路遥而疲,在奇迹赌场集团“龙腾2020项目”的支持下,新老专家共同攻关,啃下了一个个“硬骨头”。

  从具体软件研发过程来说,每个软件经历了需求分析、理论模型建立、软件编码、测试、验证等复杂的步骤,“没有捷径可以走,项目部只能严把质量关,组建专业技术队伍,明晰研发流程,同时制定相关技术规范,通过引入第三方测试及验证,确保软件产品的高质量”。

  目前,数字反应堆的“大脑”——精细化设计分析软件包已研发完毕,它涉及物理设计、屏蔽与源项设计、热工水力、安全分析、燃料元件等多个专业领域,覆盖了核反应堆设计研发与运行支持的主要领域,包括软件近百余个,获得软件著作权80余项,专利10余项,已成功应用于“华龙一号”示范工程福清5、6号的反应堆工程设计工作中,部分软件已应用于包括方家山、福清、昌江、田湾等在役电厂的技术服务中。成套软件产品的成功开发,不仅提高了核电工程设计、建设、运行的效率和质量,也为数字反应堆的研发奠定了坚实的基础。

  综合研发平台:让千人联动起来

  在核反应堆的设计研发过程中,涉及到结构、力学、物理、热工、仪控等70多个专业,有上千名设计人员同步参与,每一次参数的修改和同步,都会引起核电机组的连锁反应,包括组件的更换、组件接口的改变、安全系统的配合等等,如何让百余个面向单个专业的设计分析软件联动起来,让近千名设计人员协同开展设计是个大问题。

  传统设计过程基本采用手工准备输入、执行计算、分析结果,这导致设计周期长,且容易出错;多专业间计算协同设计程度不高,并行工作能力不强,各专业间的数据接口集成度不高;设计方案优化还主要依赖于工程设计经验,很难实现多目标优化,这些问题都成为提升核反应堆设计效率的主要障碍。

  近十年来,由核动力院牵头,联合十余家科研机构、高校、企业,聚合相关领域的优势资源力量,集智攻关,如今已小有所成。目前,核动力院设计研发的数字反应堆综合研发平台已完成了堆芯物理、热工、流体、仪控、结构等多个专业的集成与联合仿真,可以从不同角度对核反应堆系统的综合性能及行为特性进行全方位精确模拟。今后该研发平台还将进一步集成燃料、材料、屏蔽、水化学等所有核心专业领域,为核反应堆全寿期内的研发设计、虚拟制造、运行维护、退役处置提供精确模拟与科学预测手段。

  高性能计算:成就反应堆之强健“骨骼”

  在中国核动力院办公基地的东北角,有一座占地面积近千平方米的方形建筑,这是在国家有关部委的支持下建立的国内首个数字化反应堆技术实验室。这里为设计人员提供了集高性能计算、协同设计、联合仿真、虚拟实验和虚拟制造为一体的数字化综合研发平台,它以目前国内水平最先进的银河高性能计算机支撑大规模并行计算,以超大规模数据存储系统支撑各种计算的数据管理,以虚拟现实交互设备支撑人机交互模拟、沉浸式体验等功能。

  数字反应堆要实现全方位、精细化、高效率的模拟,离不开超大规模高性能计算机,它就像一副强健的“骨骼”,支撑起数字反应堆的高效可靠运转。以前的反应堆计算分析大多采用相对简单粗糙的模型处理,计算规模较小,核心软件绝大多数采用单机版串行计算的模式;现在采用了更加先进精细化的模型,多专业间的计算协同设计程度更高,计算模式也正在向超大规模计算机并行计算转变。

  为了提供更便捷、更高效的计算服务,2017年核动力院构建了数字反应堆基础云平台,平台整合了百万亿次银河超级计算机、应用服务器、图形工作站、存储服务器等异构的硬件资源和不同操作系统环境下的专业软件及应用系统资源,可以同时连线上千个终端。而每个终端的背后都有一名设计人员实施操作,借助平台强大的计算能力,可以模拟分析反应堆的系统性能和运行特性。

  海量数据:凝练反应堆之珍贵“血液”

  从上世纪80年代秦山一期核电站实现中国核电“零的突破”开始,到上世纪90年代大量“二代加”核电机组的研发建设,再到2000年后三代核电站的建设……30年来,核动力院累计收录了几百个试验台架、数千项实验工况、30台核电机组和其它各种类型反应堆全生命周期的基础数据,这些数据的纸质版摞起来有一栋办公楼那么高。

  海量的数据是一笔宝贵的财富,使用得当对提升核反应堆的性能、质量、安全等方面都具有重要的促进和推动作用,但是要想把它们组织好、利用好,挖掘出其巨大的潜在价值却并不容易。这些数据形式多样、关系复杂,对其进行挖掘首先需要对原始的基础数据的特性、格式特点进行凝练,建立基础数据库;在此基础上根据核反应堆系统在设计研发、运行保障、退役等方面的应用需求构建各类应用数据库;最后利用大数据、人工智能等先进信息技术充分挖掘数据价值,建立各类大数据应用系统。目前第一、第二阶段的工作已基本完成,正在开展第三阶段的研发。

  庞大的数据库支撑,实实在在的工程建设反证,设计分析软件日益完善,数字反应堆也在不断地发展成熟。

  目前,数字反应堆第一阶段的研发已基本完成,相关研究成果获国防科技进步三等奖两项、集团科技进步一等奖一项。然而,与所有新生事物的发展规律一样,数字反应堆诞生初期,其基本用途还局限在原理演示和示范验证,但“麻雀虽小,五脏俱全”。反应堆的研发要实现由“依赖试验验证”向“依靠数值模拟”转变,建立可全面应用于设计验证、工程评估与优化的数字反应堆,高效指导新一代核反应堆的研发、工程验证、优化设计、运行支持,实现数字反应堆在实际工程中的应用还有很长的一段路要走。但依靠雄厚的科研基础、优秀的人才实力和不断探索的创新精神,数字反应堆也一定能从蓝图变为现实。(阳惠)

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