本發(fā)明涉及反應(yīng)堆設(shè)計和核動力裝置仿真技術(shù)，具體涉及一種用于核能系統(tǒng)的數(shù)字反應(yīng)堆。

背景技術(shù)：

核能系統(tǒng)設(shè)計流程通常是按照系統(tǒng)和功能進行分系統(tǒng)和分模塊設(shè)計，其驗證也是獨立進行的。設(shè)計人員的思想不能立即體現(xiàn)和直觀反映，同時由于缺乏集成化、耦合的仿真工具，對于設(shè)計中存在的問題，往往只有到了設(shè)備加工和工程建設(shè)階段才能暴露出來，造成經(jīng)濟損失和工期延誤，更嚴(yán)重的可能會導(dǎo)致設(shè)備損毀和人員傷亡。

為解決上述問題，國內(nèi)外一些單位和機構(gòu)利用數(shù)字化技術(shù)開展了反應(yīng)堆的設(shè)計與驗證的相關(guān)工作，但是主要是對某一具體問題研究。中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院和西北核技術(shù)研究所申請的專利，提出了針對反應(yīng)堆設(shè)計方法上某一具體問題的解決方法和具體過程；清華大學(xué)的學(xué)者提出了先進核電機組評價指標(biāo)體系，從數(shù)據(jù)庫設(shè)計、系統(tǒng)方案初步設(shè)計及詳細設(shè)計等方面對先進核反應(yīng)堆專家評估系統(tǒng)的實現(xiàn)進行詳細研究。針對反應(yīng)堆設(shè)計過程中交互式迭代的設(shè)計理念，還未見提出。英特工程仿真技術(shù)(大連)有限公司申請的專利，針對CAE工業(yè)設(shè)計中不同物理場模型間載荷傳遞的設(shè)計方法；國內(nèi)相關(guān)學(xué)者針對反應(yīng)堆物理-熱工耦合的方法進行了大量研究；瑞士保羅謝勒研究院提出應(yīng)用先進的反應(yīng)堆物理、熱工、系統(tǒng)仿真模型用于輕水反應(yīng)堆的多物理行為預(yù)測。將核能系統(tǒng)全物理過程仿真模型用于反應(yīng)堆設(shè)計，全物理構(gòu)成仿真模型包含堆芯物理分析模塊、系統(tǒng)熱工水力計算模塊、燃料性能分析模塊及反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)分析等模塊，還未見提出。南華大學(xué)的研究人員應(yīng)用4D可視化理論在核電站管道安裝中，實現(xiàn)管道安裝工藝及安裝進度的過程的可視化；清華大學(xué)的研究人員提出了基于OPENGL開發(fā)的高溫氣冷堆三維可視化系統(tǒng)，仿真模型計算結(jié)果可實時傳遞到可視化系統(tǒng)，現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的三維可視化處理，通過內(nèi)存映射文件，實現(xiàn)仿真計算程序與三維平臺的數(shù)據(jù)交互；合肥工業(yè)大學(xué)的研究人員提出了應(yīng)用三維技術(shù)和可視化手段來研究計算機在核能領(lǐng)域應(yīng)用中所發(fā)生的新問題，尤其是針對反應(yīng)堆概念設(shè)計階段。將可視化技術(shù)應(yīng)用于反應(yīng)堆輔助設(shè)計過程中，實現(xiàn)反應(yīng)堆狀態(tài)信息表達的多維化(1D\2D\3D\4D)，還未見提出。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種用于核能系統(tǒng)的數(shù)字反應(yīng)堆，將多專業(yè)過程仿真與設(shè)計與驗證過程相結(jié)合，相互迭代，使得設(shè)計結(jié)果更為優(yōu)化；采用多維化反應(yīng)堆狀態(tài)信息表達，能夠更加真實的反映反應(yīng)堆設(shè)計結(jié)果的建造和工作情況。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的：

一種數(shù)字反應(yīng)堆，包括：核能多專業(yè)過程仿真系統(tǒng)、設(shè)計與驗證系統(tǒng)和3D虛擬現(xiàn)實環(huán)境系統(tǒng)；

核能多專業(yè)過程仿真系統(tǒng)，用于將設(shè)計工藝仿真、設(shè)備級三維仿真、核應(yīng)急指揮與決策仿真三部分仿真功能集成到統(tǒng)一的仿真環(huán)境中，根據(jù)外部輸入的反應(yīng)堆的設(shè)計參數(shù)進行多專業(yè)過程仿真模擬；其中，設(shè)計工藝仿真、設(shè)備級三維仿真和核應(yīng)急指揮與決策仿真通過數(shù)據(jù)交換進行耦合，使得各自的仿真參數(shù)實時參與其他部分的仿真計算；

設(shè)計與驗證系統(tǒng)，用于通過數(shù)據(jù)通訊組件獲取所述核能多專業(yè)過程仿真系統(tǒng)的仿真結(jié)果；將獲取的仿真結(jié)果與預(yù)存的反應(yīng)堆設(shè)計的限制條件進行對比分析，判斷當(dāng)前設(shè)計參數(shù)是否滿足限制條件，如果不滿足，則設(shè)計與驗證系統(tǒng)接收用戶對設(shè)計參數(shù)的修改，修改后的設(shè)計參數(shù)反饋回所述核能多專業(yè)過程仿真系統(tǒng)，由核能多專業(yè)過程仿真系統(tǒng)根據(jù)修改后的設(shè)計參數(shù)進行下一輪的迭代仿真，直到滿足限制條件，則驗證通過，輸出報告，優(yōu)化設(shè)計結(jié)束；

3D虛擬現(xiàn)實環(huán)境系統(tǒng)，用于通過數(shù)據(jù)通訊組件獲取所述核能多專業(yè)過程仿真系統(tǒng)的實時仿真數(shù)據(jù)，包括設(shè)計工藝仿真和設(shè)備級三維仿真的仿真過程和結(jié)果，通過在預(yù)存的反應(yīng)堆現(xiàn)實環(huán)境的三維模型上疊加實時仿真數(shù)據(jù)，以多維形式將反應(yīng)堆的狀態(tài)信息直觀的呈現(xiàn)出來。

優(yōu)選地，所述核能多專業(yè)過程仿真系統(tǒng)包括反應(yīng)堆設(shè)計工藝仿真子系統(tǒng)、設(shè)備級三維仿真子系統(tǒng)和核應(yīng)急指揮與決策子系統(tǒng)；

所述反應(yīng)堆設(shè)計工藝仿真子系統(tǒng)，用于存儲反應(yīng)堆設(shè)計過程中所有專業(yè)工藝系統(tǒng)的仿真模型，根據(jù)輸入的反應(yīng)堆的設(shè)計參數(shù)進行仿真計算，將仿真計算結(jié)果發(fā)送給設(shè)備級三維仿真子系統(tǒng)和核應(yīng)急指揮與決策子系統(tǒng)，還將仿真計算過程和結(jié)果發(fā)送給3D虛擬現(xiàn)實環(huán)境系統(tǒng)進行三維顯示；

所述設(shè)備級三維仿真子系統(tǒng)，用于存儲反應(yīng)堆設(shè)計過程中關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)備模型，根據(jù)反應(yīng)堆設(shè)計工藝仿真子系統(tǒng)提供的仿真計算結(jié)果，利用設(shè)備模型計算模擬出設(shè)備的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)；該關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)還反饋回反應(yīng)堆設(shè)計工藝仿真子系統(tǒng)，使得設(shè)備級三維仿真的參數(shù)實時參與設(shè)計工藝仿真計算；還將仿真計算過程和結(jié)果發(fā)送給3D虛擬現(xiàn)實環(huán)境系統(tǒng)進行三維顯示；

所述核應(yīng)急指揮與決策子系統(tǒng)，用于存儲核應(yīng)急指揮模型和決策模型，根據(jù)反應(yīng)堆設(shè)計工藝仿真子系統(tǒng)的仿真計算結(jié)果，抽取對事故工況的仿真數(shù)據(jù)，進行應(yīng)急指揮和輔助決策，產(chǎn)生實現(xiàn)事故工況下反應(yīng)堆應(yīng)急指揮決策的處置建議以及評估事故的影響范圍及程度，并且反饋回反應(yīng)堆設(shè)計工藝仿真子系統(tǒng)。

優(yōu)選地，所述反應(yīng)堆設(shè)計工藝仿真子系統(tǒng)中各專業(yè)工藝系統(tǒng)的仿真模型耦合在一起，相互進行參數(shù)的傳遞，實現(xiàn)相互參數(shù)驗證。

優(yōu)選地，所述設(shè)備級三維仿真子系統(tǒng)存儲的設(shè)備模型包括幾何仿真模型和性能仿真模型。

優(yōu)選地，所述設(shè)備級三維仿真子系統(tǒng)進一步接入在役核電站機組，實現(xiàn)對反應(yīng)堆狀態(tài)的實時監(jiān)控。

優(yōu)選地，所述3D虛擬現(xiàn)實環(huán)境系統(tǒng)具有如下兩類功能：1)反應(yīng)堆運行工況的虛擬現(xiàn)實展示，包括反應(yīng)堆正常運行的流程和事故發(fā)生的現(xiàn)象；2)三維仿真推演，即設(shè)計與驗證系統(tǒng)驗證完成后，利用驗證通過的設(shè)計參數(shù)進行設(shè)備選型和安裝建造過程的三維虛擬顯示展示。

有益效果：

(1)將多專業(yè)過程仿真與設(shè)計與驗證過程相結(jié)合，相互迭代，使得設(shè)計結(jié)果更為優(yōu)化；采用多維化反應(yīng)堆狀態(tài)信息表達，能夠更加真實的反映反應(yīng)堆設(shè)計結(jié)果的建造和工作情況，輔助完成反應(yīng)堆設(shè)計與驗證過程。

(2)本發(fā)明多專業(yè)過程仿真過程所使用的各模型之間相互耦合進行相互進行參數(shù)的傳遞，實現(xiàn)相互參數(shù)驗證。從而檢驗整個反應(yīng)堆設(shè)計的參數(shù)是否合適，保證建造安裝集成后的正確性和可靠性，在設(shè)計階段減少可能存在的潛在問題。

(3)本發(fā)明能夠綜合模擬、預(yù)測真實反應(yīng)堆從設(shè)計、制造、運行到退役等全生命周期內(nèi)反應(yīng)堆的各種性能、參數(shù)等特征，為核能系統(tǒng)提供設(shè)計、分析與驗證的4D動態(tài)虛擬環(huán)境。

(4)設(shè)備級三維仿真子系統(tǒng)通過接入在役機組，實現(xiàn)對反應(yīng)堆狀態(tài)的實時監(jiān)控。

附圖說明

圖1為本發(fā)明數(shù)字反應(yīng)堆的組成框圖。

圖2為本發(fā)明數(shù)字反應(yīng)堆中各子系統(tǒng)的信息交互關(guān)系。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖并舉實施例，對本發(fā)明進行詳細描述。

本發(fā)明提供了一種數(shù)字反應(yīng)堆，其核心思想是：把設(shè)計工藝仿真、設(shè)備級三維仿真、核應(yīng)急指揮與決策仿真三個部分仿真功能集成到統(tǒng)一的仿真環(huán)境中，進行全專業(yè)的實時仿真。利用數(shù)據(jù)通訊組件把核能多專業(yè)過程仿真系統(tǒng)的實時仿真結(jié)果映射到設(shè)計與驗證系統(tǒng)和3D虛擬現(xiàn)實環(huán)境中，實現(xiàn)設(shè)計、修改、仿真的實時可視化。

下面先結(jié)合圖1對本發(fā)明的數(shù)字反應(yīng)堆進行詳細描述。如圖1所示，該數(shù)字反應(yīng)堆包括三大部分：核能多專業(yè)過程仿真系統(tǒng)、設(shè)計與驗證系統(tǒng)和3D虛擬現(xiàn)實環(huán)境系統(tǒng)。

核能多專業(yè)過程仿真系統(tǒng)，用于將設(shè)計工藝仿真、設(shè)備級三維仿真、核應(yīng)急指揮與決策仿真三部分仿真功能集成到統(tǒng)一的仿真環(huán)境中，進行全專業(yè)的高保真實時仿真。該核能多專業(yè)過程仿真系統(tǒng)根據(jù)外部輸入的反應(yīng)堆的設(shè)計參數(shù)進行多專業(yè)過程仿真模擬；其中，設(shè)計工藝仿真、設(shè)備級三維仿真和核應(yīng)急指揮與決策仿真通過數(shù)據(jù)交換進行耦合，使得各自的仿真參數(shù)實時參與其他部分的仿真計算。

該核多專業(yè)過程仿真系統(tǒng)包括：反應(yīng)堆設(shè)計工藝仿真子系統(tǒng)、設(shè)備級三維仿真子系統(tǒng)、核應(yīng)急指揮與決策子系統(tǒng)。

反應(yīng)堆設(shè)計工藝仿真子系統(tǒng)，用于存儲反應(yīng)堆設(shè)計過程中所有專業(yè)工藝系統(tǒng)的仿真模型，包括總體設(shè)計、反應(yīng)堆工程、輻射防護與屏蔽、工藝系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、儀控系統(tǒng)、土建、設(shè)備、布置設(shè)計和廠址規(guī)劃十大專業(yè)的仿真模型，每個專業(yè)對應(yīng)一個仿真模型，根據(jù)輸入的反應(yīng)堆的設(shè)計參數(shù)進行仿真計算，獲得仿真結(jié)果，將仿真結(jié)果發(fā)送給設(shè)備級三維仿真子系統(tǒng)和核應(yīng)急指揮與決策子系統(tǒng)，還將仿真過程數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果發(fā)送給3D虛擬現(xiàn)實環(huán)境子系統(tǒng)進行三維顯示。

傳統(tǒng)核電廠的設(shè)計通常分為上述十大專業(yè)進行獨立的系統(tǒng)設(shè)計，然后獨立仿真，獨立驗證，驗證結(jié)果如果符合設(shè)計要求的話，就認(rèn)為是該專業(yè)的設(shè)計是合理的。這些系統(tǒng)最終需要建造安裝集成在一起，但由于各專業(yè)是獨立設(shè)計和驗證的，潛在問題到了加工制造或安裝階段才會暴露出來。比如對于某個設(shè)計參數(shù)來說，滿足A系統(tǒng)的設(shè)計要求，但對B系統(tǒng)來說就不合適。為了解決該問題，本發(fā)明將反應(yīng)堆設(shè)計工藝仿真子系統(tǒng)中各專業(yè)工藝系統(tǒng)仿真模型耦合在一起，相互進行參數(shù)的傳遞，實現(xiàn)相互參數(shù)驗證，從而檢驗整個反應(yīng)堆設(shè)計的參數(shù)是否合適，保證建造安裝集成后的正確性和可靠性，在設(shè)計階段減少可能存在的潛在問題。

優(yōu)選地，本反應(yīng)堆設(shè)計工藝仿真子系統(tǒng)通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫管理各專業(yè)工藝仿真模型的數(shù)據(jù)和計算結(jié)果，實現(xiàn)各專業(yè)工藝仿真模型間的集成和數(shù)據(jù)交互。

設(shè)備級三維仿真子系統(tǒng)，用于存儲反應(yīng)堆設(shè)計過程中關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)備模型，至少包括幾何仿真模型和性能仿真模型，該設(shè)備模型需要精確、細化的建模。根據(jù)反應(yīng)堆設(shè)計工藝仿真子系統(tǒng)提供的仿真計算結(jié)果，利用設(shè)備模型計算模擬出設(shè)備的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)，包括外觀尺寸、設(shè)備材料屬性、零部件的安裝工序等，該關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)還反饋回反應(yīng)堆設(shè)計工藝仿真子系統(tǒng)，使得設(shè)備級三維仿真的參數(shù)實時參與設(shè)計工藝仿真計算；還將仿真計算過程和結(jié)果發(fā)送到3D虛擬現(xiàn)實環(huán)境子系統(tǒng)進行三維展示。例如，對一個主泵設(shè)備的設(shè)計，如果其尺寸、外觀的設(shè)計滿足設(shè)備專業(yè)設(shè)計要求，但在安裝的時候有可能不滿足土建專業(yè)的要求，如沒有安裝位置，或不匹配安裝環(huán)境。本子系統(tǒng)的功能就是進行設(shè)備級的幾何仿真(包括設(shè)備的安裝、碰撞干涉檢測等)和性能仿真。該設(shè)備級三維仿真子系統(tǒng)還通過接入在役核電站機組，實現(xiàn)對反應(yīng)堆狀態(tài)的實時監(jiān)控，該監(jiān)控數(shù)據(jù)發(fā)送給3D虛擬現(xiàn)實環(huán)境系統(tǒng)進行三維顯示。

核應(yīng)急指揮與決策子系統(tǒng)，用于存儲核應(yīng)急指揮模型和決策模型，根據(jù)反應(yīng)堆設(shè)計工藝仿真子系統(tǒng)的仿真計算結(jié)果，抽取對事故工況的仿真數(shù)據(jù)，進行應(yīng)急指揮和輔助決策，即應(yīng)急方案驗證，產(chǎn)生實現(xiàn)事故工況下反應(yīng)堆應(yīng)急指揮決策的處置建議以及評估事故的影響范圍及程度，并輸出。其中，處置建議例如如何救援、如何撤離等。

設(shè)備級三維仿真子系統(tǒng)的仿真計算結(jié)果以及核應(yīng)急指揮與決策子系統(tǒng)的仿真計算結(jié)果均會為反應(yīng)堆工藝設(shè)計仿真子系統(tǒng)提供輸入?yún)?shù)信息。

設(shè)計與驗證系統(tǒng)，其存儲有反應(yīng)堆設(shè)計的限制條件，例如安全評審要求、設(shè)備工藝參數(shù)要求。通過數(shù)據(jù)通訊組件獲取核能多專業(yè)過程仿真系統(tǒng)(主要是反應(yīng)堆設(shè)計工藝仿真子系統(tǒng))的仿真結(jié)果，將獲取的仿真結(jié)果與預(yù)存的反應(yīng)堆設(shè)計的限制條件進行對比分析，判斷當(dāng)前設(shè)計參數(shù)是否滿足限制條件，如果不滿足，則設(shè)計與驗證系統(tǒng)接收用戶對設(shè)計參數(shù)的修改，修改后的設(shè)計參數(shù)反饋回所述核能多專業(yè)過程仿真系統(tǒng)，由核能多專業(yè)過程仿真系統(tǒng)根據(jù)修改后的設(shè)計參數(shù)進行下一輪的迭代仿真，直到滿足限制條件，則驗證通過，輸出報告，優(yōu)化設(shè)計結(jié)束。優(yōu)選地，該設(shè)計與驗證系統(tǒng)提供統(tǒng)一的仿真框架，包括人機界面和流程管理，其中流程管理是對上述設(shè)計驗證過程中狀態(tài)、數(shù)據(jù)、文檔的管理；用戶可以通過人機界面向該設(shè)計與驗證系統(tǒng)輸入約束設(shè)計的限值條件；根據(jù)流程設(shè)計該系統(tǒng)實時訪問其它子系統(tǒng)的參數(shù)，進行對比分析。還可以根據(jù)對比分析結(jié)果輸出優(yōu)選設(shè)計參數(shù)和報告。

3D虛擬現(xiàn)實環(huán)境子系統(tǒng)，存儲了反應(yīng)堆現(xiàn)實環(huán)境的三維模型。該子系統(tǒng)基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)，通過數(shù)據(jù)通訊組件獲取所述核能多專業(yè)過程仿真系統(tǒng)的實時仿真數(shù)據(jù)，包括設(shè)計工藝仿真和設(shè)備級三維仿真的仿真過程和結(jié)果，通過在預(yù)存的反應(yīng)堆現(xiàn)實環(huán)境的三維模型上疊加實時仿真數(shù)據(jù)，以多維形式將反應(yīng)堆的狀態(tài)信息直觀的呈現(xiàn)出來，其中，1D為數(shù)字顯示，2D為曲線或表格顯示，3D為數(shù)據(jù)場或虛擬場景顯示，4D為三維空間模型疊加了一維狀態(tài)信息的顯示。該子系統(tǒng)的其作用主要有：1)反應(yīng)堆運行工況的虛擬現(xiàn)實展示，包括反應(yīng)堆正常運行的流程和事故發(fā)生的現(xiàn)象，給人更加直觀和深刻的體驗；例如對周邊地理環(huán)境以及放射性核素擴散情況進行三維直觀展示。2)三維仿真推演。即設(shè)計與驗證系統(tǒng)驗證完成后，3D虛擬現(xiàn)實環(huán)境子系統(tǒng)還利用驗證通過的設(shè)計參數(shù)進行設(shè)備選型和安裝建造過程的三維虛擬仿真；如關(guān)鍵設(shè)備的安裝，零部件的拆卸過程和結(jié)果。通過三維虛擬現(xiàn)實預(yù)演一遍，有助于發(fā)現(xiàn)問題和掌握安裝過程。

下面結(jié)合圖2對本發(fā)明系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的信息交互進行描述，下面描述中的標(biāo)號與圖2中的標(biāo)號相對應(yīng)。

①反應(yīng)堆設(shè)計工藝仿真子系統(tǒng)根據(jù)反應(yīng)堆的設(shè)計參數(shù)，代入專業(yè)工藝系統(tǒng)的仿真模型，進行多專業(yè)過程的多仿真模型的聯(lián)合模擬；

②反應(yīng)堆工藝設(shè)計仿真子系統(tǒng)的仿真計算結(jié)果(包括流量、壓力、溫度、水位參數(shù)等)為設(shè)備級三維仿真子系統(tǒng)提供輸入?yún)?shù)信息；設(shè)備級三維仿真子系統(tǒng)進行設(shè)備級的仿真，包括幾何仿真和性能仿真；

③設(shè)備級三維仿真子系統(tǒng)的仿真計算結(jié)果(包括尺寸、材料、屬性參數(shù))為反應(yīng)堆工藝設(shè)計仿真子系統(tǒng)提供輸入?yún)?shù)信息；

④反應(yīng)堆工藝設(shè)計仿真子系統(tǒng)的仿真計算結(jié)果(包括輻射劑量、風(fēng)速、流量、擴散速度和氣象信息等參數(shù))為核應(yīng)急指揮與決策子系統(tǒng)提供輸入?yún)?shù)信息；

⑤核應(yīng)急指揮與決策子系統(tǒng)的仿真計算結(jié)果(包括輻射劑量、核素擴散信息、撤離路線等參數(shù))為反應(yīng)堆工藝設(shè)計仿真子系統(tǒng)提供輸入?yún)?shù)信息；

⑥對反應(yīng)堆設(shè)計工藝仿真子系統(tǒng)的仿真計算結(jié)果進行判斷，如果符合限制條件，驗證通過，設(shè)計結(jié)束；

⑦如果不符合限制條件，通過設(shè)計與驗證系統(tǒng)修改設(shè)計參數(shù)，進行下一輪的迭代；

⑧反應(yīng)堆設(shè)計工藝仿真子系統(tǒng)的仿真計算過程和結(jié)果發(fā)送到3D虛擬現(xiàn)實環(huán)境子系統(tǒng)進行三維展示；

⑨設(shè)備級三維仿真子系統(tǒng)的仿真計算過程和結(jié)果發(fā)送到3D虛擬現(xiàn)實環(huán)境子系統(tǒng)進行三維展示。

綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。