核與輻射安全仿真系統SuperMC／RVIS2.3研發與應用

吳宜燦，何 桃，胡麗琴，龍鵬程，尚雷明，周少恒，楊 琪，趙錦波，張 澍，楊子輝，李 廷，程 翔，王 靜，王 杰，宋 婧，程夢云，俞盛朋，郝麗娟

（中國科學院 核能安全技術研究所，中國科學院 中子輸運理論與輻射安全重點實驗室，安徽 合肥 230031）

當前，隨著核能的迅猛發展，核與輻射環境下核設施維修、退役等作業實踐也越來越頻繁。在核設施全生命周期的各階段不可避免地需進行各部件維修、調試和拆解。如何盡可能降低涉核從業人員所受到的輻射劑量一直是輻射防護領域關注的熱點問題之一。

基于安全性、經濟性、合理性的考慮，在實施各項作業實踐之前，作業實踐方案的預先模擬演練和評估能有效提高作業的效率以及降低工作人員的輻射暴露劑量。但受限于現有核分析應用軟件的功能，核輻射環境下的屏蔽、維修和退役等各種工作方案的制定與優化，大多依靠專家或以往實踐的經驗，而無法進行預先精確的定量分析與優化，難以事先明確工作方案帶來的職業照射劑量情況，更難以為工作人員提供有效的培訓演練。

仿真科學［1-2］將理論和實驗研究連接起來，已被廣泛應用于基于計算機模擬核與輻射環境下各類應用方案的設計、評估與優化，且得到了廣泛和深入的研究和應用，主要包括工作人員培訓、劑量評估、維修方案的制定與仿真等方面。國外代表性核與輻射安全仿真平臺與軟件包括法國原子能委員會（CEA）發展的基于虛擬現實技術框架和點核積分方法，支持情景設計、快速劑量計算，適用于核設施退役輻射評估的ALARA 分析工具NARVEOS 系統；比利時SCK·CEN 于1995年開始發展了一款基于普通個人計算機的三維ALARA 計劃工具軟件VisiPlan［3］；巴西核工程研究所發展了基于虛擬現實引擎Unreal-Engine2 的面向核電站與核應急的虛擬仿真系統［4-5］；日本OECD／NEA、JAEA 和Halden 反 應 堆 工 程 中 心 共 同研發了一套人員劑量評估系統VRDose［6］；韓國慶熙大學先進技術學院利用VRML 與JAVA Applet技術，開發了一套核電站輻射劑量分布仿真系統［7］；日本日立能源與工業研究實驗室開發了一套面向核電站維修支持的輻射場計算與可視化系統VR-DOSE。國內也有部分大學和研究所開展了相關研究，包括上海交通大學核科學與工程學院仿真實驗室針對核電廠仿真需求研發了一套核電廠虛擬現實系統［8］；哈爾濱工程大學核科學與技術學院圍繞核設施退役需求開展了虛擬仿真系統關鍵技術研究［9］。綜合國內外研究現狀來看，基于虛擬現實、可視化等技術發展的核與輻射安全仿真相關軟件系統已得到深入研究，且已被廣泛應用于輻射劑量評估和仿真領域。

本文在充分調研國內外相似軟件系統的基礎上，依托中國科學院核能安全技術研究所·FDS團隊［10-14］多學科交叉優勢和先進的計算機軟硬件環境，基于數字反應堆和輻射虛擬人兩類創新技術，結合FDS團隊基于真實人體切片數據構建的中國成年高精度輻射虛擬人模型Rad-HUMAN［15］，發展一大型通用核與輻射安全仿真系統SuperMC／RVIS2.3，并以國際熱核聚變實驗堆ITER 極向場線圈PF4 檢修以及中國鉛基研究實驗堆CLEAR-Ⅰ［16］散裂靶更換等過程仿真與劑量評估為例，驗證其有效性和正確性。

1 系統架構與主要功能

結合國內外核與輻射安全仿真相關研究可發現，核與輻射安全仿真系統主要是以在計算機中模擬核輻射環境下的作業過程、降低工人所接受的輻射劑量及制定合理的工作計劃為主要目標。其實現的主要內容是基于虛擬環境實現對核輻射環境下各類操作過程的模擬評估人員所受到的輻射劑量，一般包括拆裝過程仿真、輻射劑量場的計算及可視化、人員行走路徑的漫游仿真與實時劑量評估、行走路徑的優化等。

在充分調研國內外相似軟件系統和結合實際工程需求的基礎上，SuperMC／RVIS2.3 提出了其三大主要功能：1）復雜系統部件建模與虛擬裝配仿真；2）三維動態數據場與模型疊加可視化分析；3）輻射環境下人員虛擬漫游與器官劑量評估。系統詳細功能結構如圖1所示。

結合當前先進信息技術，SuperMC／RVIS2.3構建了一套支持多種服務模式、基于組件技術的面向核與輻射安全集成仿真的層次化、模塊化系統架構，滿足了在計算機中完成方案的交互設計、仿真和分析，人員劑量管理、虛擬培訓等需求。SuperMC／RVIS2.3采用分層架構，整個系統被劃分為資源層、核心層、服務層和應用層4層，如圖2所示，上層的應用均以下層為基礎，同時采用仿真組件技術封裝核心層各功能模塊的實現細節。

1）資源層：是指核與輻射安全仿真所需的各種軟硬件資源，包括計算、存儲、軟件、信息資源（如輻射劑量評估人體模型、劑量閾值等核信息等）、VR 外設等。其中軟件資源不僅包括三維CAD 商業設計軟件，還包括輻射輸運數值模擬軟件（如MCNP、TORT 等）以及課題組獨立開發的支持核與輻射安全集成仿真的各種計算軟件，如仿真場景維護、圖像實時渲染計算、碰撞檢測等仿真計算軟件資源。

圖1 SuperMC／RVIS2.3系統功能示意圖Fig.1 Functional models of SuperMC／RVIS2.3

圖2 SuperMC／RVIS2.3系統架構Fig.2 Framework of SuperMC／RVIS2.3

2）核心層：是指基于資源層提供的各類軟硬件資源，基于仿真組件技術，實現核與輻射安全集成仿真中各獨立的所有核心功能模塊集合。核心層中的各核心功能模塊用于支撐服務層的完整服務流程實現，包括仿真場景維護、并行渲染、疊加可視化、虛擬操作仿真等，同時封裝實現細節，僅提供開發仿真應用的接口、規范和工具。

3）服務層：是指支持核與輻射安全集成仿真中所有具備對外提供完整服務流程的集合，包括方案交互設計服務、方案漫游仿真與實時器官劑量評估服務、數據可視分析服務等。

4）應用層：是指通過對服務層的各種服務組合和調用，最終面向用戶具體應用，響應用戶交互、處理各種任務的終端環境，主要包括可視化界面客戶端、虛擬現實仿真環境和Web瀏覽器終端。可視化界面客戶端為用戶提供基于計算機的輻射環境下各類應用方案模擬、設計與優化服務，Web瀏覽器終端為用戶提供應用方案管理與查看的遠程管理服務，虛擬現實仿真環境為用戶提供高沉浸感三維立體交互仿真體驗，服務方案的虛擬操作培訓。

SuperMC／RVIS2.3采用面向對象的開源圖形圖像渲染引擎OGRE 作為圖形渲染開發工具包，開源可視化工具包VTK 作為可視化算法支撐庫，開源圖形框架工具包QT 作為圖形界面開發包，網絡引擎RakNet作為網絡通信工具包，在Visual Studio 2008系統上進行開發。虛擬現實仿真工作在中國科學院核能安全技術研究所·FDS團隊核與輻射安全綜合實驗平臺支持下開展，其中虛擬現實仿真環境采用主動立體投影機、先進實時動作追蹤系統ART、數據手套和數據頭盔等先進虛擬現實外設搭建，能提供高沉浸感的三維立體仿真環境和交互仿真體驗，可用于操作培訓、虛擬拆裝仿真等，其系統組成如圖3所示。

2 主要方法

2.1 建模與虛擬裝配仿真方法

為完成復雜仿真場景的構建，SuperMC／RVIS2.3采用并發展了系列建模與虛擬裝配仿真方法，如實體模型格式與面片模型格式轉換算法、基于SuperMC／MCAM［17-21］的輻射輸運自動建模方法、基于并行技術的幾何模型快速分割方法、多細節層次（LOD）渲染方法、基于視景體裁剪和背面剔除技術的復雜仿真場景實時交互渲染方法等。

圖3 三維立體虛擬仿真平臺系統組成Fig.3 System components of 3Dstereoscopic virtual reality simulation platform

其中，針對OGRE僅支持其特有的MESH幾何模型格式，無法實現其他通用CAD 幾何模型格式的直接導入的現狀，SuperMC／RVIS2.3發展了一種通用CAD 模型格式STL與OGRE MESH 幾何模型格式的轉換方法。該方法首先基于VTK 實現了STL 模型所有三角面片頂點信息的讀取，然后利用頂點信息計算出各面片外法向量信息，最后通過OGRE自定義ManualObject實體對象依次加載頂點信息、法向量信息等，將該實體對象轉換為OGRE MESH 數據結構，實現了STL 與OGRE MESH 幾何模型格式的直接轉換。

另外，SuperMC／RVIS2.3 還提供對基于虛擬現實硬件設備的復雜核設施系統部件的三維交互虛擬拆裝仿真功能，能實現部件裝配的碰撞檢測、裝配方案的評估與裝配路徑的優化，從而達到從裝配的角度上驗證核設施模型設計的合理性、評估裝配方案、培訓裝配工人等目的。

2.2 面向中子學分析的數據可視化方法

為解決中子學分析過程中大規模時變數據場分析處理的難題，基于科學計算可視化技術，SuperMC／RVIS2.3發展了多種面向中子學分析的數據可視化方法，如面向輻射屏蔽可視化分析的工作流、輻射場的等值面和等值線可視化、沿指定曲線的物理數據變化可視化、基于模型的物理場數據裁減和極值提取、三維動態數據場與模型的疊加可視化［22-24］等。

三維動態數據場與模型的疊加可視化能將物理結果關聯到分析人員所熟悉的幾何模型上，進而幫助用戶更加深刻透徹地理解計算結果，已被廣泛應用于各類科學計算結果的可視分析。該方法根據顏色映射將數據場處理成三維紋理，再根據幾何模型頂點相對于輻射場的位置確定其紋理坐標，最后將紋理賦給模型，能實現模型各區域上輻射場分布情況的直觀顯示。另外，針對目前的輻射輸運計算中不規則數據場，如圓柱坐標系網格或非均勻笛卡爾坐標系網格，研究并發展了基于圖像特征的數據規則化方法［25］和基于可編程GPU 的大規模非規則數據場和模型的疊加可視化方法［26］。其中基于可編程GPU 的大規模非規則數據場和模型疊加可視化方法利用可編程GPU 渲染管線的頂點著色器和片段著色器，首先對幾何模型每個片段的世界坐標進行平移、縮放、旋轉等變換，判斷該片段是否在數據場范圍之內，準確定位幾何模型的著色區域；再通過變換后的片段坐標和預先建立的一維、二維查找表或輔助索引軸，可無需對數據場進行規則化處理，直接對原始數據場進行查詢，確定每個片段的顏色，從而實現幾何模型的表面繪制。

2.3 虛擬漫游與器官劑量評估方法

為精確評估人體各器官在輻射場中的輻射劑量，SuperMC／RVIS2.3 能實現模擬輻射環境下各類方案的設計與優化，發展了多人協同異地仿真方法、基于器官最小包圍盒策略的輻射劑量評估方法［27］和基于體素人體模型的精確人體輻射劑量評估方法［28］、基于多目標算法的路徑自動優化方法［29］等。

其中，SuperMC／RVIS2.3 選 用FDS 團 隊自主發展的中國成年高精度輻射虛擬人模型Rad-HUMAN 作為人體輻射劑量評估模型，發展的基于人體體素模型的精確人體輻射劑量評估方法，能實現器官級輻射劑量評估。該方法基于通量劑量轉換因子方法，首先遍歷所有體素實現同器官體素的合并，然后提取計算體素所在位置的通量計算器官的當量劑量，最后計算得到人體的有效劑量。

3 應用

為驗證SuperMC／RVIS2.3系統的有效性和正確性，開展了大量的測試與驗證工作。本文以國際熱核聚變實驗堆ITER 極向場線圈PF4檢修以及中國鉛基研究實驗堆CLEAR-Ⅰ散裂靶更換等過程仿真與劑量評估為例介紹SuperMC／RVIS2.3的應用情況。

3.1 在國際熱核聚變實驗堆ITER上的應用

國際熱核聚變實驗堆ITER 計劃是迄今為止國際最大的熱核聚變項目，由歐盟、中國、印度、韓國、日本、美國、俄羅斯等7個國際單位參與。ITER 各部件的可維護性關系著ITER 的實用性效果，是ITER 設計需求中重點分析的問題之一。ITER 極向場線圈（PF Coils）是由NbTi超導材料組成的雙層纏繞線圈，主要用于為等離子體平衡提供合適的磁場位形，同時控制等離子的位置和大小。為保障ITER 運行過程中磁場位形的穩定，在ITER 運行過程中，需要ITER 停堆進行極向場線圈雙絞線接頭斷開的人工檢測和維修［30］。

在國際合作框架協議的支持下，FDS團隊承擔了國際熱核聚變實驗堆ITER 極向場線圈PF4的維修劑量評估與過程仿真工作，用于指導ITER PF4部件維修方案的制定，確保維修過程中工作人員輻射劑量符合ITER 設計標準。基于核與輻射安全仿真系統SuperMC／RVIS2.3和FDS團隊的集成虛擬現實仿真環境完成了ITER PF4部件維修的全過程仿真，包括仿真場景建模、維修過程虛擬漫游仿真、工作人員輻射劑量實時評估、輻射場分布可視分析。

根據ITER 設計需求，假設ITER 根據SA2方案運行，停堆冷卻7天后，需2位工作人員從低溫室頂蓋進入低溫室檢修PF4 線圈雙絞線接頭，維修方案路徑如表1所列。輻射劑量場分布采用ITER 國際組織提供的計算結果［31］，基于SuperMC／RVIS2.3完成了該結果與模型的疊加可視化分析，如圖4所示。在檢修過程中，需分析停堆后輻射場的分布情況、評估檢修工作人員所受到的輻射劑量。

表1 ITER 極向場線圈PF4雙絞線接頭斷開檢修任務步驟Table 1 Step by step description of ITER PF4coil double pancake maintenance

圖4 ITER 停堆7天后光子通量場與模型疊加可視化分析（能群：0.1～1keV）Fig.4 Mixed visualization of photon flux field and geometry after 7dfrom ITER shutdown（Energy：0.1-1keV）

在裝配有Intel Core i5-2400 3.10GHz的CPU、4GB 內存、NVIDIA GeForce GT420顯卡、Windows 7 64 位 操 作 系 統 的PC 機 上，SuperMC／RVIS2.3實現了PF4維修過程虛擬漫游仿真與器官劑量評估（圖5），并依托中國科學院核能安全技術研究所·FDS 團隊的先進反應堆設計和安全仿真實驗室，基于Super-MC／RVIS2.3完成了ITER PF4 維修虛擬現實仿真環境（圖6）的建立。

通過仿真發現，該維修任務人員接受的最大光子劑量率為304.4μSv／h，發生在人員沿樓梯抵達ITER PF4區域的過程中，累積劑量為2.19mSv。根據ITER 的設計標準［32］，人工維修過程中劑量率不得超過100μSv／h，年均所有維修任務的累積劑量為500 mSv，可發現從該維修任務的最大劑量率限值的角度來看，針對該維修任務需引入臨時屏蔽或推遲人員進入時刻點來降低維修工人所受到的輻射劑量，其中推遲人員進入時刻需開展進一步分析計算。

圖5 檢修工作人員虛擬漫游仿真與器官劑量評估Fig.5 Virtual roaming simulation and organic dose assessment of workers

圖6 ITER PF4維修過程虛擬培訓仿真示意圖Fig.6 Virtual reality-based simulation of ITER PF4maintenance

3.2 在中國鉛基研究實驗堆CLEAR-Ⅰ上的應用

中國鉛基研究實驗堆CLEAR-Ⅰ（熱功率10 MW）是中國科學院戰略性先導科技專項“未來先進核裂變能——ADS嬗變系統”中次臨界反應堆的第1階段研究目標，主要研究內容包括鉛鉍冷卻反應堆的設計及安全分析，專用軟件和數據庫的開發，液態鉛鉍合金綜合實驗平臺的設計、建造與運行技術。散裂靶是連接加速器和次臨界堆的關鍵部件，接受高能質子轟擊，發生散裂反應產生中子，為次臨界堆提供中子源。CLEAR-Ⅰ靶的更換過程中，除遙操設備外，還需必要的人工干預活動，且人工參與過程中的受照劑量必須在CLEAR-Ⅰ設計規定的劑量限值以下，同時必須保證維修工人受照劑量滿足ALARA 原則。

根據維修方案，工人必須進入堆頂包容小室內，完成散裂靶更換前小室內遙操設備滑軌、臨時屏蔽等基礎設施的搭建以及散裂靶更換完成后相關設施的拆除工作。為了評估維修過程中工作人員的受照情況，本文基于“兩步法”對質子管維修過程中堆頂包容小室內光子通量場分布進行了計算，計算流程及軟件如圖7所示。基于計算模型和計算的輻射場數據，SuperMC／RVIS2.3完成了輻射仿真場景構建，并實現了三維輻射場和場景模型的疊加可視化，可用于通過規避高劑量區域指導維修路徑的設計。此外，基于SuperMC／RVIS2.3 能實現不同劑量的實時評估，包括器官當量劑量率的實時評估、有效劑量率的實時評估、累積劑量的實時評估，如圖8所示。

圖7 停堆光子通量場計算Fig.7 Calculation method and codes

圖8 靶窗更換過程虛擬漫游仿真與器官劑量實時評估Fig.8 Virtual roaming and organic dose assessment during change of spallation target

4 結論

本文在分析國內外研究成果的基礎上，基于輻射虛擬人和數字反應堆兩類技術，發展了核與輻射安全仿真系統SuperMC／RVIS2.3，具有復雜系統部件建模與虛擬裝配仿真、三維動態數據場與模型的疊加可視化分析、核輻射環境下人員虛擬漫游仿真和器官劑量評估等功能。以國際熱核聚變實驗堆ITER 極向場線圈PF4檢修以及中國鉛基研究堆CLEAR-Ⅰ散裂靶更換等過程仿真與劑量評估為代表的應用結果表明，該系統可模擬核輻射環境中多種應用方案的設計與優化，特別是核電站安全評估、維修與事故應急的決策支持等，具有廣闊的應用前景。

系統下一步將應用最新的逆向建模技術，如激光掃描點云數據逆向建模和地圖、圖像識別技術逆向建模等，解決處于核電廠基礎之外的環境的CAD 模型來源以及建設年代久遠、中途翻修過的核電廠設施仿真場景幾何模型來源等問題；同時還可考慮針對計算和仿真的統一模型描述規則進行研究，解決數據類型繁多帶來的數據解析和數據重用率低等問題。

本文工作中ITER PF4維修任務的制定得到 了ITER 職 員Michael Loughlin 博 士 和John Oldfield博士的指導，同時感謝中國科學院核能安全技術研究所·FDS 團隊其他成員對本文工作的支持和幫助。

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