可視化交互式核動力系統模擬平臺VITARS的開發與驗證

張鵬輝，盧國慶，陳榮華，許宛清，蘇光輝，田文喜，秋穗正

(西安交通大學 核科學與技術學院，陜西 西安 710049)

RELAP5是經過美國核管理委員會認證的核動力系統兩相流最佳估算程序[1]。最早的RELAP5程序是針對三哩島小破口事故后續分析開發的。此后，程序中的熱工水力模型被不斷優化，同時添加了一些新的模型[2-6]，也有很多學者在程序中增加了液態鉛鉍、鈉和熔鹽等工質的物性方程和相關流動阻力與傳熱模型[7-11]。經過數十年的發展與大量實驗數據的驗證，RELAP5程序已成為目前核電廠系統設計、安審評價和操作員培訓過程中最常用的軟件之一[12]。

由于RELAP5程序開發時間較早，當時較初級的計算機語言系統導致程序的部分功能模塊不夠友好。如其輸入輸出方式仍采取編輯文本文件的形式，對新用戶來說使用較為困難，也導致了較低的使用效率。針對RELAP5程序的功能拓展問題，部分學者做過相關軟件升級開發工作。根據開發軟件的功能可將其分為兩大類：第1類為可視化建模軟件，用于RELAP5輸入文件的可視化建立，包括國內開發的RVMS軟件[13-14]、美國的SNAP軟件等[15]；第2類為可視化交互平臺軟件，不僅可滿足建模的需求，同時增加了人機交互操作、計算實時演示和實時控制等方面的功能，如韓國的VISA軟件等[16]，但目前國內該類軟件的開發情況仍鮮見文獻。

為滿足RELAP5程序可視化建模、人機交互操作、計算實時演示和實時控制的需求，本文以RELAP5程序為基礎對其進行改造，開發RELAP5的數據傳遞接口，同時采用模塊化編程技術開發可視化交互平臺軟件(VITARS)及其耦合數據處理模塊，并開發獨立的反應堆邏輯控制仿真模塊以滿足真實反應堆復雜的控制系統模型的建立，提高RELAP5程序的友好性與功能性。

1 軟件基本結構

VITARS程序基于Java Script語言在Node.js構架下采用模塊化編程方式[17]開發，其結構與數據框架如圖1所示。為使RELAP5程序能與VITARS平臺之間進行數據交互，基于Fortran語言在RELAP5原始程序基礎上進行改造，開發了所需的數據接口。改造后的RELAP5進程與可視化交互平臺進程相互獨立，兩者間數據采用管道方式進行通信，因此可視化交互平臺可通過調用多個不同的RELAP5進程來進行同步計算或耦合計算。VITARS程序分為8個模塊，其功能列于表1。

圖1 VITARS程序結構Fig.1 Program structure of VITARS

表1 VITARS模塊功能Table 1 VITARS module function

在計算模型建立過程中，用戶可通過界面進行RELAP5計算模型、控制邏輯模型和運行界面模型的建立。通過界面調用一個RELAP5進程來自動讀取所建立的RELAP5輸入文件進行計算，并可通過計算控制模塊對所調用的RELAP5進程進行暫停、繼續運行、快照和終止等操作。在RELAP5計算過程中，每個步進前都會與平臺的數據交互模塊進行雙向數據傳遞，RELAP5所輸出的數據會進入數據交互模塊按照控制邏輯模型進行計算處理，其原始數據或處理過的數據進入顯示操作模塊進行圖形化顯示，或可直接返回RELAP5進程對泵轉速、閥門開度和加熱功率等設備參數進行調節，也可對計算控制信號(TRIP)、時間相關部件的流量、流速、溫度、壓力和空泡份額等模型參數進行覆蓋。同時顯示操作模塊還可實時接受來自用戶操作的數據，并能在下一步進計算中返回給數據處理模塊進行處理。整個運行中所生成的文件、數據都在運行結果模塊中進行管理，以便后續能重新打開回看。

2 軟件功能特征

2.1 RELAP5模塊化建模

VITARS程序內置了RELAP5所有的部件模型，作為基本圖元供用戶選擇。通過在畫布上對不同圖元進行拖拽連接以完成對RELAP5輸入模型的建立。完成模型搭建后，可通過程序界面，進一步完成模型參數的選擇或填寫。最后程序可根據輸入信息自動生成RELAP5可讀的輸入文件。圖2為RELAP5模塊化建模界面。

圖2 RELAP5模塊化建模界面Fig.2 Modular modeling interface for RELAP5

除上述基本功能外，為使程序使用更加方便高效，還開發了以下輔助功能：1) 拖拽到畫布上的部件會自動編號，以代替RELAP5模型建立時人工設置部件號；2) 所有的控制體具有固定的隱藏錨點，當接管靠近時可自動吸附完成連接，程序會根據接管連接信息自動識別前后部件號，從而自動填寫接管的來去向信息；3) 程序會根據RELAP5卡片建立規則對填寫的參數進行自動錯誤檢測，對用戶進行提示，大幅提高了建模效率；4) 程序增加了模型美化方面的功能，如圖樣填充、文本框插入、字體格式修改等，可使可視化的模型更加直觀。

2.2 反應堆控制邏輯計算系統

為實現更復雜的比例積分微分邏輯控制系統的建立，VITARS設計了一套獨立的邏輯控制計算系統，以代替RELAP5程序中原有的控制卡功能。類似于RELAP5建模界面，邏輯控制計算系統通過邏輯控制建模界面，采用基礎元件拖拽連接的形式來完成邏輯控制模型的建立。

圖3為VITARS程序的邏輯控制建模界面。邏輯運行部件相比原有的RELAP5控制系統部件有所拓展。同時，VITARS程序中的控制邏輯計算系統可以與原有的RELAP5控制系統部件和TRIP聯合使用。

圖3 VITARS反應堆控制邏輯計算系統建模界面Fig.3 Modeling interface for reactor control logic calculation system in VITARS

圖4展示了反應堆控制邏輯計算系統可以處理的信號類型。如圖4所示，來自RELAP5計算進程、人機交互接口和其他邏輯控制模型的參數均可作為一個邏輯控制模型的輸入，經過模型計算后，可根據設置返回到RELAP5計算進程、其他邏輯控制進程或顯示操作進程。改造后的RELAP5進程可輸出變量包括了所有可通過小編輯定義的變量，同時可讀取變量到交互式輸入數據，進而傳遞到TRIP、時間相關部件、閥泵等相關模型參數。

圖4 參數交互處理樞紐Fig.4 Interaction hub for different parameters

2.3 計算運行控制

完成輸入文件的生成后，用戶可通過VITARS界面點擊運行按鈕來進行計算。運行過程中，VITARS程序可通過改造后的RELAP5程序接口來實時對RELAP5計算進程進行控制，包括暫停、繼續運行、快照和終止。當RELAP5程序計算錯誤異常退出后，VITARS程序會自動檢索RELAP5輸出文件中的運行錯誤信息，并將其復制在界面運行信息框中進行直接顯示，方便用戶進行檢查。

2.4 計算結果實時顯示

RELAP5程序在計算過程中可實時將計算數據輸出給VITARS界面進行顯示處理，從而使用戶能實時對RELAP5計算參數進行監視。顯示具有動態儀表顯示和動態曲線顯示兩種格式，數據刷新頻率可進行人為調節，方便用戶根據需要進行選擇。同時，數據也可直接輸出成文本格式進行進一步處理。

2.5 人機交互控制

VITARS除了可實時讀取RELAP5計算數據進行處理外，也可通過人機操作接口在計算過程中實時讀取人工輸入的參數進行處理，可在計算過程中實時對閥門開度、主泵轉速、加熱器開關、邊界溫度、壓力、流量等參數進行直接手動調節，使用戶可實時對計算模型參數進行操作控制。在此基礎上，可衍生出LOCA等破口事故手動觸發的功能。

2.6 自定義運行界面

由于VITARS內置有底層的繪圖模塊和數據交互模塊，因此基于這些模塊開發了自定義運行界面功能。該功能集成了VITARS的大多數子功能模塊，使得RELAP5程序可形成一個如同模擬機的系統供用戶使用。

利用模型建立模塊，用戶可用不同的元素與顯示單元在畫布上進行繪圖疊加。圖5為所建立的運行界面。界面上可添加的顯示或控制部件具體如下：1) 動態儀表顯示部件，可顯示如控制體溫度、壓力等的RELAP5計算變量；2) 指示燈，可根據控制邏輯計算系統得到的信號進行指示燈顯示，方便用戶設置報警、預警等信號指示；3) 輸入部件，即前文描述的人機操作接口。

圖5 基于VITARS針對嶺澳機組設計的運行界面Fig.5 Developed operating interface for Ling’ao reactor system by VITARS

該功能保證用戶可以建立一個自定義的界面，對RELAP5計算結果、邏輯控制系統計算結果等數據進行實時監測，同時該界面可以根據實時參數點亮或熄滅各種不同的信號指示燈。在計算過程中，用戶還可以模擬操作員指令對閥門開度、主泵轉速等參數進行調節。程序支持針對一個計算進程建立多個不同的運行界面，同時支持跨屏幕顯示，大幅提高了工程應用潛力。

3 反應堆系統模擬驗證

為驗證VITARS程序的可靠性，本文分別采用原始RELAP5程序與VITARS分別針對嶺澳機組進行了穩態模擬。

反應堆冷卻劑系統的分析模型節點如圖6所示。模型包括壓力容器、穩壓器、蒸汽發生器、反應堆冷卻劑泵與熱管段、冷管段及過渡段等管道部分，在此基礎上引入反應堆壓力控制系統、蒸汽發生器給水控制系統、主給水流量控制系統及穩壓器壓力保護系統、蒸汽發生器壓力保護系統等反應堆控制與保護系統，實現滿功率運行穩態計算。

圖6 VITARS界面中建立的反應堆一回路節點圖Fig.6 Node of reactor system model created by VITARS

將采用VITRAS程序計算的結果與采用原始RELAP5程序計算的結果進行對比，如表2所列。從表2可發現，VITARS程序不影響原始RELAP5程序的計算精度。

表2 穩態計算結果Table 2 Steady-state calculation result

4 總結

本文基于RELAP5開發了可視化交互式核動力系統模擬平臺VITARS。VITARS程序可實現從圖形化建模、計算控制、結果顯示到數據處理的整個核動力系統可視化熱工模擬分析。同時其具備一個與RELAP5連接的反應堆邏輯控制系統與數據交互處理樞紐，可讀取、處理、分發來自RELAP5、邏輯控制計算系統或用戶實時輸入的數據，使整個運行過程類似模擬機進行實時操作顯示，極大提高了RELAP5的使用效率與交互性。