核設施退役三維仿真系統的研究與設計

古強

摘? 要：核設施退役與三維仿真技術的結合是傳統行業與新興技術的碰撞與融合，將會實現技術的革新與產業的升級，在傳統的核設施退役行業開拓出新的工作領域，不僅會促進科研生產的發展，而且將反過來促進三維仿真技術的進步。本文對三維仿真技術在核設施退役領域進行了應用研究，重點結合國內某核退役廠的科研生產實際，以需求為導向，在退役數據庫管理、人員輻射劑量評估、退役方案推演與評估、虛擬培訓等方面展開，設計并研發了核退役三維仿真系統。該系統應用到企業的科研生產活動中，在退役方案推演及優化、操作人員培訓等方面發揮了非常重要的作用。不僅充實和優化了核設施退役工程研究的方法，而且在減少人員到輻射現場的頻次，保護人員健康方面取得了明顯的成效。

關鍵詞：核設施? 退役? 三維仿真? 研究? 設計

中圖分類號：TL943? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）09（b）-0001-07

Abstract：The application of 3D simulation in nuclear facility decommissioning represents the combination of traditional industry with emerging technology， which will lead to technical innovation and industrial upgrading. Such application will not only propel the development of nuclear facility decommissioning， but also the improvement of 3D simulation. This paper presents the research on application of 3D simulation in nuclear facility decommissioning based on the scientific research and production practices in a nuclear plant. A demand-oriented 3D simulation system capable of decommissioning data management， personnel dose assessment， plan review and optimization， and virtual training in nuclear facility decommissioning is developed. This system plays a very important role in the scientific research and production in the above plant， especially in the plan review and optimization， and operator training. It also provide new method for research on nuclear facility decommissioning projects and is very effective in protecting personnel such as reducing radiation exposure.

Key Words：Nuclear facility; Decommissioning; 3D simulation; Research; Design

核設施接近或達到其設計壽期或者由于技術進步、政治、經濟、事故等原因而終止運行，采用適當技術措施和行政手段使這些終止運行的核設施退出服役狀態，使場（廠）址獲得有限制或無限制開發和使用，即為核設施退役。國際原子能機構定義核設施退役是廣義上的，包括管理和技術上的綜合意義。本文中論述的核設施退役是從技術層面的，狹義上的，是指采取去污、拆除、固化、處置等技術手段，實現設施從“有到無”的過程，是建設的逆向過程。

三維仿真技術是指利用計算機技術生成一個逼真的，具有視、聽、觸等多種感知的虛擬環境，用戶可以通過自然技能使用各種傳感設備同虛擬環境中的實體相互作用的一種技術。三維仿真技術應用極其廣泛，在科研、生產、娛樂等各行各業均得到了使用，極大地提升了企業科研生產的效率及用戶的體驗。

核設施退役與三維仿真技術的結合是傳統行業與新興技術的碰撞與融合，將會實現技術的革新與產業的升級，在傳統的核設施退役行業開拓出新的工作領域，不僅會促進科研生產的發展，而且將反過來促進三維仿真技術的進步。

1? 國內外現狀調查

國內的核動力運行研究所，其仿真研究中心長期從事核電廠仿真技術的研究開發工作（見圖1），建立了具有國際同期先進水平的具有自主產權的仿真技術平臺。中國工程物理研究院計算機應用研究所與北京理工大學計算機科學與工程系共同開展了基于虛擬現實的反應堆退役模擬研究，并設計了基于虛擬現實的反應堆退役模擬系統。美國于2011年成立“先進輕水反應堆模擬仿真聯盟”。日本的JNCDI與JAERI以及挪威聯合開發了退役支持系統DEXUS用于幫助退役計劃的制定及退役工程的管理（見圖2），其中的VRdose模塊實現了施工場景的三維模擬。

三維仿真技術在國外核設施退役中已經有較為廣泛的應用，在國內雖然部分院所開展過一些研究工作，但還未有成熟、可推廣的工程應用案例。因此，基于國內外的一些研究經驗，探索和研究三維仿真技術在核設施退役中的應用具有重要的工程應用價值。

2? 系統研究與應用

國內某廠是從事核設施退役和三廢治理業務的專業機構，擁有幾乎覆蓋核設施退役與三廢治理領域全范圍的業務，基于對該廠業務的現狀調查，提出三維仿真技術在核設施退役領域研究與應用的方向和內容。經過研究分析，制定出研究的技術路線，并進行功能和系統結構設計。

2.1 研究內容

以需求為導向，提出包括4個方面的研究內容。

（1）建立核設施三維模型。

借助三維仿真技術對核設施現場進行逼真的三維展示是開展退役方案設計、實施、項目管理和人員培訓的基礎，采集設施及周圍環境的數據，建立立體的三維虛擬模型，展示設施當前最真實的狀態，為科研和退役工程實施提供必需的信息。

（2）模擬核設施虛擬輻射場。

建立模擬三維輻射場，通過模擬現場真實輻射分布情況，研究分析并做出評估，進一步優化退役方案以及廢物管理、人流物流管理的組織與規劃。

（3）模擬核設施退役過程。

核設施退役的過程一般包括去污、拆除、廢液回取、氣體的流向控制等，需要對物流、人員進行有效組織，并應做好應對突發事故的準備。

（4）建立虛擬培訓平臺。

利用仿真平臺的可重復性，進行反復模擬訓練、操作以增加員工對工器具的熟練運用程度，對操作步驟的準確掌握，有助于員工高效、可靠、安全地實施退役作業，在實際操作時可減少受照劑量和降低突發意外事故的可能性。

2.2 系統設計

設計出核退役三維仿真系統由退役數據庫管理系統、退役三維輻射評估系統、退役方案推演與評估系統和退役三維培訓系統等四個子系統以及退役三維模型庫和退役數學模型庫兩個模型庫組成，模型庫是各系統功能實現的基礎。核退役三維仿真系統功能結構如圖3。

2.2.1 退役數據庫管理系統

將源項調查數據、生產運行數據、設施數據以及退役活動中產生的數據進行統一分類管理，考慮數據種類、海量數據存儲與數據安全等因素，采用B/S架構，數據庫作為公用資源為其他系統調用。

2.2.2 退役三維輻射評估系統

以源項調查的結果數據或現場測量數據為輸入，調用后臺相應數學模型分析計算，利用三維虛擬場景及動態輻射場多模型對象耦合技術，建立輻射場仿真模型，最終通過顯示系統顯示輸出。

2.2.3 退役方案推演與評估系統

退役三維方案推演與評估系統是建立在設施內外部三維模型和劑量場模型的基礎上，結合退役過程中使用的工器具和設備模型，調用相應的數學模型進行仿真計算，實現對退役活動相關的工作進行模擬和再現，通過對工作過程進行分析和評估，以達到對方案設計與方案比選提供幫助和支持的目的。

2.2.4 退役三維培訓系統

根據不同的退役裝置的技術特性進行設計，實現數據輸入、動作過程仿真計算和三維仿真顯示。系統內置數據庫用于存儲系統所有的數據，如操作指令數據、設備數據、運動屬性數據等，設備屬性信息數據可直接從退役數據庫管理系統中讀取。動作過程仿真計算是按照實際的工作過程進行劃分，對每一個動作在一定的輸入條件下，設備機構運動的響應進行計算。

2.2.5 退役三維模型庫

建模范圍包括三維場景模型、退役對象模型、退役工器具模型、退役作業人員模型和其他一些模型。退役對象和工器具利用設備總裝圖、設備零件圖和工器具圖進行建模。建立退役作業人員模型，模擬人員的組織器官以及基本運動。

2.2.6 退役數學模型庫

為實現對去污、拆除、廢液回取等退役過程以及氣流流向等退役現象進行模擬，建立較為完善的數學模型。主要為常規物理特征的和一些特殊功能的數學模型。

2.3 系統詳細設計

2.3.1 退役數據庫管理系統

（1）數據范圍及基本特點。

①設施生產運行的歷史數據：包括核設施設計建造資料、生產運行史、事故史等數據。

②核設信息數據：包括核設施、系統、設備的基本信息與特征參數。

③設施內源項監測數據：包括輻射場測量數據、取樣分析數據及放射性污染測量數據。

④環境輻射監測數據：包括環境輻射測量數據以及取樣分析數據。

⑤放射性廢物數據：包括放射性廢物排放情況、放射性廢物貯存及管理情況、放射性廢物流向情況。

⑥退役活動數據：退役實施過程中的動態數據，包括清洗、拆除、整改、處理處置、事故事件及由此發生的放射性物質轉移數據。

⑦人員受劑量數據：工作人員及公眾內照射及外照射數據、個人劑量、集體劑量檔案等。

⑧退役項目文檔資料數據：包括退役項目的規劃、總體設計、項目建議書、可行性研究報告、設計方案、實施方案、質保記錄、管理政策、法規、技術引用文件等。

系統應具備數據組織合理、響應速度快、安全、操作簡單等特點。

（2）系統結構設計。

采用B/S架構，通過瀏覽器直接進行數據錄入、查詢、備份和日常維護等操作。實現對生產運行歷史數據、退役核設施特征參數數據、放射性測量數據、環境測量數據、退役活動數據、人員劑量數據管理功能，并具備文件資料管理、系統維護管理模塊，其功能結構圖如圖4所示。

2.3.2 退役三維輻射評估系統

（1）主要功能。

①沾污物分布計算。基于源項調查結果，通過逆向推算，輸出沾污物的成分及分布情況。

②靜態輻射場的建立。對將退役對象進行三維數學建模，基于沾污物分布計算結果和源項調查數據，利用三維粒子輸運軟件模擬出三維輻射場，使三維輻射場與現場實測值基本一致。

③動態輻射場的建立。根據退役方案中各階段對研究對象與環境造成的改變，結合劑量場仿真計算模塊，計算出劑量場的變化范圍與變化過程。

④現場實時輻射場的建立。在現場施工階段，通過現場布置多個實時監測點（或定期巡測），得到現場實時輻射監測數據，將現場實時數據反饋到系統中，修正動態劑量場的估算結果。

⑤人員輻射劑量評估。在動態劑量場及現場實時劑量場的基礎上，結合虛擬作業人員多段人體模型，對各階段退役工作中人員所受的劑量進行評估。

（2）系統結構。

系統分為劑量場仿真計算模塊和三維仿真模型兩大功能模塊。劑量場仿真計算模塊包含劑量場分布計算、人員劑量計算、輻射防護計算、人員路徑規劃四個子模塊。三維仿真模塊分為周邊環境及設施三維顯示、輻射劑量場三維顯示、現場測量點三維顯示、人員工作路徑顯示、設施信息查詢五個子模塊。通過劑量場仿真計算得出相應的仿真模型，再通過三維虛擬仿真技術將仿真模型轉化為三維模型呈現，功能結構圖如圖5所示。

①劑量場仿真計算模塊。

劑量場分布計算：根據源項調查的結果數據，以及退役過程中的現場輻射防護監測數據，通過仿真程序計算出輻射劑量場分布的仿真模型，數據傳送給輻射劑量場三維顯示子模塊使用。另外對超出設計閥值的熱點進行統計，給出劑量值、坐標等信息，供現場測量點三維顯示調用。

人員劑量計算：以典型工作人員為對象，結合輻射劑量場分布的仿真模型數據，以工作人員現場操作的路徑和停留時間為基數，給出工作人員現場工作的受照劑量報告，包括總體受照劑量、不同組織器官的受照劑量、不同防護手段下的受照劑量等。

輻射防護計算：根據現場的輻射劑量場分布情況，結合不同材質屏蔽體對射線的屏蔽系數，采用相應的算法，計算最佳的屏蔽體厚度。

人員路徑規劃：以設施內部的輻射劑量場分布數據為基礎，結合屏蔽體的輻射防護系數，采用相應算法，計算出到達現場工作點的最佳路徑，對路徑中的熱點給出提示，最終輸出形成三維的工作路徑。

②三維仿真模塊。

周邊環境及設施三維顯示：采用三維建模技術，建立退役工程周邊環境和設施內部的三維模型，進行三維場景瀏覽。

輻射劑量場三維顯示：根據劑量場分布計算的結果，結合周邊環境和設施的三維模型，三維顯示環境和設施內部劑量場分布。

現場測量點三維顯示：建立現場測量設備的外觀模型，實時顯示各測量點的測量信息。同時根據劑量場計算結果，顯示內部各超出設計閥值熱點的位置，在三維場景中以紅色高亮顯示，提供超限點的數據表單，以便進行數據瀏覽。

人員工作路徑顯示：根據人員路徑規劃子模塊計算結果，三維場景中的標準工作人員，按照規劃路徑進行三維現場模擬顯示。

源項調查工作過程模擬：根據源項調查工作過程進行分解，將工作分為若干的工作步驟，模擬每一個步驟的工作過程。

設施信息查詢：根據退役工程數據庫管理系統的數據和一些現場輸入的數據，工作人員可以在系統中任意的查詢有關設備的詳細信息和現場的工作狀態。

2.3.3 退役方案推演與評估系統

（1）主要功能。

根據調研情況，主要功能包括現場的三維仿真，以及基于現場環境、工器具的仿真完成回取、去污、拆除、人流物流方案以及事故的模擬。

（2）系統結構。

分為劑量場現場三維仿真、殘液回取過程仿真、清洗去污過程仿真、拆除拆毀過程仿真、人流物流方案仿真、碰撞檢測、事故模擬和動畫錄制8個功能模塊，每個功能模塊又分為一些子模塊，功能結構圖如圖6所示。

①現場三維仿真模塊。

包括現場工作環境三維顯示和現場工器具狀態三維顯示兩個子模塊，根據三維模型和相應的參數信息顯示現場工作環境和工器具的狀態。

②殘液回取過程仿真模塊。

包含殘液回取過程計算、殘液回取過程三維顯示、殘液回取過程控制三個子模塊。殘液回取過程計算子模塊是根據罐內殘液的相關參數和設備參數，計算出殘液在設施之間的流動過程和設備相關的內部動作。殘液回取過程三維顯示是根據計算結果，三維顯示出殘液在設施之間的流動過程和設備相關的內部動作。殘液回取過程控制是針對相應過程，記錄各重要參數，復現實施過程。

③清洗去污過程仿真模塊。

包括清洗去污過程計算、清洗去污過程三維顯示和清洗去污過程控制三個子模塊。清洗去污過程計算是根據高壓水射流流量、射流作用范圍、入射角度等結合作用時間進行相關的計算;采用泡沫去污過程的計算是根據前期科研結果的相關計算公式計算出擴散過程及泡沫所填充的體積;采用霧化去污過程的計算是通過霧化的相關公式及現場操作結果、經驗模擬其霧化去污的過程，同時對采用不同去污手段現場實施方案和過程記錄，重現清洗去污實施過程。

④拆除拆毀過程模擬仿真。

根據方案進行拆除過程的模擬（包括操作的精度、準度、方法、步驟等要求），并結合碰撞檢查，對實施方案進行優化。拆除完成后，根據工程過程記錄，重現工作過程。

⑤人流、物流組織方案驗證仿真。

根據給定的原則和確定的限制條件，結合退役工程輻射防護監測數據，規劃出合理的人流物流通道，或根據確定的人流物流組織方案進行驗證和優化。

⑥碰撞檢測。在退役工程方案驗證過程中，建立精準的碰撞模型，實時計算各個物體間的相對位置關系，一旦物體間發生碰撞者提示用戶碰撞及碰撞位置，同時可設置碰撞預警的精度。

⑦事故模擬。對退役的廢液回取、去污、拆除和廢物運輸等過程中可能發生的事故進行模擬，動態展示事故發生過程，分析事故發生的原因，其生成的影像資料，可作為培訓演示的材料。

⑧動畫錄制模塊。動畫錄制模塊主要是將三維運動的過程記錄，并以視頻動畫的形式輸出。根據工程過程記錄，重現工作過程，也可作為培訓使用，供培訓人員在操作完成后的經驗總結和相關過程的分析。

2.3.4 退役三維培訓系統

（1）主要功能。

包括退役去污、拆除等動作過程的模擬，并且根據每次模擬的情況錄制動畫，用作復盤。

（2）系統結構。

退役三維培訓系統分為運動仿真計算、三維仿真、動畫錄制3個功能模塊，每個功能模塊又分為一些子模塊，功能結構如圖7所示。

①運動仿真計算模塊。

包含了機構運動計算、操作指令計算及反饋計算，系統根據接收到的操作指令分析，機構按照操作指令分析結果判斷機構運動，同時計算出機構運動后的相關參數并實時反饋給系統。

②三維仿真模塊。

包含了廢物回取工具運動三維模擬、切割工具運動三維模擬、金屬剪切工具運動三維模擬、離線去污工具運動三維模擬、混凝土拆除工具運動三維模擬、洗刨工具運動三維模擬、工具更換運動三維模擬，三維仿真模塊主要接收系統指令分析結構，將機構的運動在三維場景中進行三維的動態運行過程的展示，同時對運動的結構進行相關信息的反饋。

③動畫錄制模塊。

將三維運動的過程記錄，并以視頻動畫的形式輸出，供培訓人員在操作完成后進行經驗總結和相關過程的分析。

2.3.5退役三維模型庫

（1）建模范圍包括：三維場景模型（核設施結構本體及布局、輔助系統管線、周邊環境等）、退役對象模型（設備室及設備本體、配套管線及配套設施）、退役工器具模型（廢液回取工具、拆除機器人、工具頭等拆除工具、去污工具以及退役過程中使用到的其他的工器具）、退役作業人員模型（人員多段人體模型，模擬作業人員的組織、器官等以及一些基本的運動，如行走、手臂運動、轉彎等）。

（2）建模技術。

三維場景建模，采用Multigen_Creator或3Dmax進行建模，在不具備核設施周邊地理數據的情況下，采用Google地圖紋理貼圖的方式，將地表數據以貼圖的方式覆蓋到三維模型上，使得三維場景更加真實。對一些地表建筑物和標識物等進行建模，既能保證物體的存在，又能夠保證位置的準確性。

設備裝置（工器具等）建模，核設備和專業工具采用專業機械設計軟件PRO/E進行三維建模，根據設備總裝圖和設備零件圖進行零部件的建模和裝配，建立詳細、精準的設備內部結構模型。

2.3.6 退役數學模型庫

根據物理、化學以及工程驗證的經典公式，或者通過實驗測算，建立以下數學模型：

（1）機械運動模型，分析機械工作運動原理，設計該機械的運動軌跡的數學模型，在三維場景中來驅動對應的模型進行運動。

（2）碰撞檢測模型，在三維虛擬場景中，檢測兩個物體在空間沿給定軌跡移動時是否發生碰撞。

（3）流體傳輸模型，通過引進國際通用的三維粒子輸運程序（例如基于三維蒙特卡洛方法的粒子輸運程序MCNP等），并對其進行改造（增加相關接口耦合程序）使其滿足項目需求。

（4）重力影響模型，模擬物理學牛頓萬有引力定律，在三維場景中對各運動模型的影響。

（5）應力影響模型，模擬應力在三維場景中對各運動模型的影響。

（6）輻射劑量估算模型，輻射場分布計算，基于源項調查結果，采用改造后的三維粒子輸運程序，計算三維輻射場的分布。

（7）人體各部位受照射模型，模擬人體不同組織、器官受照射的輻射劑量。

（8）工器具功能模型，包括了運動計算，操作指令計算及反饋計算，平臺根據接受到的操作指令進行分析，按照分析結果判斷運動形式，將運動形式在三維場景中進行動態展示，同時計算出運動后的相關參數并實時反饋給平臺。

（9）廢物產生量模型，獲取原設施的體積，根據工程經驗獲取的比例值得到拆除后廢物產生量。

3? 結語

三維仿真技術在核設施退役中的應用，是國內一次較為全面、系統地在核退役領域的應用，具有很強的落地性和實用性。目前已實現了系統的開發，其中三維模型建立、虛擬輻射場仿真、三維培訓系統、退役數據庫管理系統等應用到企業的科研生產活動中，在退役方案推演及優化、操作人員培訓等方面發揮了非常重要的作用。不僅充實和優化了核設施退役工程研究的方法，而且在減少人員到輻射現場頻次，保護人員健康方面取得了明顯的成效。

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