虛擬仿真實驗在核工程與核技術專業中的應用

吳 攀， 單建強， 張 博

(西安交通大學 核科學與技術學院， 西安 710049)

0 引 言

隨著能源發展與環境保護之間的矛盾逐漸顯現，核能作為一種經濟、安全、可靠的清潔能源，在很多國家得到了巨大的發展。根據我國能源需求和能源生產結構，我國政府制定了宏大的核電發展規劃[1]。盡管世界上的核電廠已擁有豐富的運行經驗和良好的安全記錄，但是，核電仍具有潛在的放射性危險，美國三里島核電廠[2]、前蘇聯切爾諾貝利核電廠[3]和日本福島核電廠[4]三大嚴重事故的發生，說明核電安全永遠是核電發展中重中之重的專題[5]。隨著核電技術的發展，高安全性、高經濟性、長壽期、低廢物排放等已成為核電發展的重要特征。這對核工程與核技術專業人才培養模式和教學內容提出了新的要求。

核電廠具有高溫高壓、強放射性等特點，給學生的實驗學習帶來巨大的挑戰。

(1) 核電廠的高放射性、高溫高壓特性：核反應堆內發生的裂變核反應帶來極強的放射性，因此整個回路系統具有不可接近性。

(2) 復雜的電廠系統實體難于分解展示[6]：如核電廠的壓力容器、蒸汽發生器、穩壓器、主泵等，均安裝在一回路中，在運行過程中，根本就無法接觸；對于一些已經建成的簡化模型，也未能使學生徹底了解這些設備的結構，這給課程的教學帶來很大的挑戰。

(3) 實體實驗平臺建設成本高：一方面，核電廠具有高壓高溫高功率等特點，如果根據電廠的特點建設用于分析的教學實驗平臺，必然會造成人力、物力成本的浪費。另一方面，對于核電廠來說，作為一個典型的核熱耦合的系統，如何在實驗系統中考慮核反饋，也是建設臺架的問題之所在，因此在高校進行此類型臺架的建設會大幅超過學科所能承受的范圍。

(4) 實驗的安全性保障：鑒于系統高溫和高壓的特點，尤其是核電廠放射性的特點，實驗過程自然會帶來巨大的危害。

綜上所述，傳統的實體實驗方法已經無法順應核工程與核技術專業高速發展的潮流，因此對其實驗教學的改革與創新勢在必行。利用虛擬仿真技術取代部分電廠系統實體實驗，可以幫助學生充分理解電廠的系統功能、運行和事故對策分析、降低實驗成本，還可以提高實驗的安全性，也拉近了學生和先進電廠技術之間的距離，為科研成果促進教學發展提供了條件。

1 虛擬仿真實驗計算平臺

我校核電廠與火電廠系統虛擬仿真國家級教學實驗中心的虛擬仿真實驗計算平臺的使用主要面向教學實驗與課程實踐，在保障對核工程與核技術課程、實驗全面覆蓋的同時，做到科教相長，既促進學生對知識的掌握，也推動其自身的科研素質以及獨立工作能力的提高。中心建設的虛擬仿真實驗教學平臺架構功能如圖1所示。

圖1 虛擬仿真教學平臺結構功能圖

仿真軟件共享平臺在計算集群及其他計算節點上裝有多套通用以及專用面向熱力工程專業的計算軟件。用戶可通過網絡連接到仿真軟件共享平臺，根據實驗的具體需求選取相應的仿真軟件進行虛擬仿真實驗。利用所共享的虛擬仿真軟件，學生既可以通過配置平臺提供的完整熱力系統進行實驗，也可以利用豐富的模塊庫組建系統，進行開放式實驗。

1.1 核電廠全范圍網絡虛擬仿真平臺

針對目前核電站模擬機均是C/S(Client/Server)結構,具有需要專門的客戶端安裝程序，分布功能弱，難以滿足不同需求的用戶群體定制化學習課程等局限性。基于3Keymaster平臺[7]，與現有的核電站原理模擬機結合，使用戶能在自己局域網環境中，通過賬戶登錄，利用瀏覽器，開展核反應堆控制、核電廠運行等實驗課程，不受場地和時間的限制，只需要用戶在網絡所到之處，就能開展教學，輕松方便。

該系統與中廣核仿真公司共建，其仿真參考對象為國內主流的CPR1000壓水堆核電廠[8-9]，仿真范圍主要包括核電廠一、二回路主要設備、工藝及其控制系統，整體運行可模擬反應堆啟停堆全過程以及瞬態和事故分析過程。

網絡模擬機硬件配置如圖2所示，主要由以下幾部分組成：

仿真服務器，用于運行3Keymaster服務端，進行電廠模型計算功能。

Web服務器，用于網絡管理，運行關系數據庫，具備個人信息識別，網絡登錄，課程維護，網絡模擬機使用等管理功能。Web服務器一臺可滿足要求。

工程師站，用于更新3Keymaster服務器上的電廠模型。每個工程師站提供4臺服務器上的3Keymaster模型，則需要4臺工程師站。

KVM，主要用于切換工程師站和3Keymaster服務器之間的顯示及輸入。1臺可以滿足需要。

圖2 網絡模擬機硬件系統圖

1.2 核電廠嚴重事故仿真平臺

核電廠嚴重事故仿真平臺也是基于3Keymaster仿真平臺，其核心分析程序為MELCOR2.1[10]。MELCOR2.1是一個完整的第二代系統性程序，是美國Sandia國立實驗室為美國核管會(NRC)開發的且經NRC[11]批準的嚴重事故分析程序；它是以PSA和源項分析為目的的一體化嚴重事故分析程序，能模擬輕水堆嚴重事故進程的主要現象，并能計算放射性核素的釋放及其后果，可以消氫，也可以通過控制函數完成廠區內外放射性物質的質量、活度、比活度、放射性物源項和放射性分析[12]。

圖3是反應堆熔融坑的顯示界面，圖4為安全殼參數顯示界面。通過該平臺，可以實現核電廠各種嚴重事故序列的仿真，嚴重事故導則的設計與驗證。

圖3 熔融坑顯示界面

圖4 安全殼參數顯示界面

1.3 核電廠虛擬現實仿真平臺

由于核電的特殊性，進入核電現場受到嚴格限制，絕大多數人員無機會親臨現場，這給教學和培訓工作帶來了困難。虛擬現實技術是對真實環境進行建模，生成一個三維的虛擬環境，用戶可通過外設與虛擬環境中的對象進行交互，以達到等同真實環境的感受和體驗。CPR1000核電廠三維虛擬現實系統，就是在計算機上搭建一個真實的核電廠，用戶足不出戶可以進行虛擬漫游，身臨其境感受和體驗核電廠的內部結構和流程，顯著提升培訓效果。

該平臺的功能為：

(1) 核電廠漫游。熟悉核電廠區各廠房的布置，以第一人稱和第三人稱進行虛擬漫游，如圖5所示。

(2) 核島內部漫游。實現固定路線漫游和自由路線漫游。

圖5 核電廠漫游示意

可以對漫游路徑上出現的重大設備進行信息顯示，對其設備功能及相關參數進行介紹。

(4) 三維流程演示。三維演示核電廠主回路的運行流程，動態演示核電廠事故進程的變化，如圖6所示。把復雜的物理現象或難以描述的物理過程通過直觀的三維方式進行展示，更加形象和生動，便于提高教學培訓效果和質量。

2 虛擬仿真實驗教學資源

根據實驗項目的特點及實驗目的，本中心的虛擬仿真實驗教學項目可進一步分為基礎理論學習、專業技能訓練和前沿技術研究4個層次，內容由淺入深、由點及面，從而滿足學生在不同培養階段的需要，具體參見表1。

2.1 專業技能訓練類實驗項目

(1) 核電廠系統與動力設備課程實驗。基于核電廠虛擬現實仿真平臺，該實驗配合核電廠系統與動力設備課程教學同期進行，是核工程與核技術專業重要的實踐性教學環節。在核電廠虛擬現實仿真平臺上，學生可建立和理解核電廠的整體概貌模型，廠房布置、各廠房內建筑結構、設備布置(如堆芯、蒸汽發生器等的具體結構)、管路連接情況，進而深入了解核電站系統的整體運行過程，并且實現在核島、常規島等重要廠房的虛擬漫游，這將有助于提高學生的學習興趣，使學生對核電站的總體組成、設備結構、工作流程有直觀和感性的認識，加強學生對課程理解與掌握。

(2) 核反應堆控制課程實驗[12]。該實驗基于核程教學同期進行，共8課時，是核工程與核技術專業重要的實踐性教學環節。本課程實驗利用核電廠全范圍實時仿真平臺提供的建模和分析工具，通過學習核電廠全范圍實時仿真平臺廠的使用，開展壓水堆核電廠功率調節系統和冷卻劑平均溫度控制系統的實驗，使學生能掌握核電廠功率和冷卻劑平均溫度控制的基本原理，分析控制系統各組成部分的作用，掌握核反應堆控制的相關概念和原理，學會利用所學理論知識分析和解決具體問題的能力，并對實際核反應堆控制有深入的認識和理解。

表1 各知識層次的課程和實驗設置及依托平臺

(3) 核反應堆安全分析課程實驗。該實驗配合核反應堆安全分析課程教學同期進行，是核工程與核技術專業重要的實踐性教學環節。本課程實驗利用核電廠全范圍實時仿真平臺提供的建模和分析工具，開展壓水堆核電廠的典型設計基準事故，如反應性引入事故、熱阱喪失事故、失流事故、一回路冷卻劑喪失事故、蒸汽管道破裂事故、給水管道破裂事故和蒸汽發生器管道破裂事故等嚴重事故的仿真模擬[13]。通過對這些事故的仿真模擬，加深學生對各種事故的演化過程的理解。同時，學生可以修改系統或設備的仿真模型、控制方案，通過仿真來驗證仿真模型、控制方案的可行性和有效性，有利于培養學生的動手能力和創新實踐能力。

(4) 壓水堆核電廠運行課程實驗。該實驗配合壓水堆核電廠運行課程教學同期進行，是核工程與核技術專業重要的實踐性教學環節[14]。本課程實驗利用核電廠全范圍實時仿真平臺提供的建模和分析工具，開展壓水堆核電廠在調試、啟動、功率運行、停堆和負荷跟蹤等工況的仿真模擬實驗，加強學生對核電站運行原理和運行方式的理解。通過建模、設置控制方案等實踐過程，培養和提高學生靈活運用所學理論知識進行創新及綜合實踐的能力。

2.2 前沿技術研究類實驗項目

(1) 事故規程分析專題實驗。中心所提供的核電廠全范圍實時仿真平臺，將為學生提供進行仿真實驗和評估的基本環境。在該專題實驗中，學生需要在老師的指導下對核電廠事故規程研究前沿技術展開調研，利用虛擬仿真平臺模擬分析，進行基于事件導向或狀態導向的核電廠運行規程的開發和制定。通過該專題實驗，學生可以得到初步的科研訓練，了解本專業的發展動態，理解創新研究的一般流程，并在有余力的情況下，獨立展開初步的研究工作。

(2) 嚴重事故管理對策專題實驗。該專題實驗利用核電廠嚴重事故系統分析軟件為學生演示核電廠嚴重事故過程中涉及的主要事故現象，主要包括核電廠嚴重事故過程中基本的一回路系統熱工水力現象，堆內嚴重事故現象及過程，如堆芯過熱，堆芯熔化，堆芯碎片床的形成，熔融物行為及安全殼響應等嚴重事故機理及現象。學生需要在老師的指導下對核電廠嚴重事故管理策略的研究展開調研，并基于中心所提供的核電廠全范圍實時仿真平臺對核電廠嚴重事故的模擬仿真，進行嚴重事故管理導則和核電廠應急規程的開發和制定。通過該專題實驗，學生可以得到初步的科研訓練，了解本專業的發展動態，理解嚴重事故管理對策研究的一般流程，并在有余力的情況下，獨立展開初步的研究工作。

(3) 核反應堆控制設計專題。該專題實驗基于核電廠共享式全范圍仿真平臺，主要用于高年級本科生的課程設計，共12學時。利用壓水堆核電廠全范圍仿真平臺的建模和分析工具，針對具體的核電廠中的某一系統，從核電廠全范圍實時仿真平臺中提供的核電廠模型中進行隔離，對該核電廠系統進行動態特性分析，并基于已有的控制系統和控制目標提出改進方案，設計控制系統，并通過仿真平臺進行仿真，與原有的控制系統進行比較，驗證控制方案的可行性和有效性。通過該專題實驗，學生可以得到初步的科研訓練，有助于學生深入理解課程知識，真正掌握核反應堆控制的方法，培養學生的動手能力和創新實踐能力。

3 結 語

我校結合核工程與核技術專業人才培養的特點，利用虛擬仿真技術取代部分電廠系統實體實驗，與中廣核(北京)核電技術仿真公司共建了3個仿真平臺，幫助學生充分理解電廠的系統功能、運行和事故對策分析、降低實驗成本，還可以提高實驗的安全性，也拉近了學生和先進電廠技術之間的距離，為科研成果促進教學發展提供了條件。

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