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　　在反應堆研究、設計、建造、運行、退役的各個環節，會遇上各種技術問題。減少投資、縮短建設周期、提高安全性、減少核廢料……要實現這些目標，就得做大量實驗，進行更全面精細的分析，但這又使得成本進一步增加。

　　中國原子能科學研究院堆工部主任楊紅義表示，應用數字化、信息化和智能化技術開發數字反應堆，可以為核能行業解決上述困擾。數字反應堆將成為未來核能系統的先進研究平臺，世界核能大國將之視為競技的新戰場。

　　率先發布數字微堆系統；超算中心、數據中心等硬件平臺建成使用；Crystal-MD、Crystal-KMC等軟件研發成功；我國首個E級超算數值系統研發工作啟動，并被評為“2017年度中國核能行業信息化”最具影響力十件大事之一；全面項目管理系統和產品數據管理系統聯合上線……位于北京西南郊的原子能院，正在為中核集團乃至核能行業緊擁數字化時代的戰略機遇貢獻自己的力量。

　　布局，集硬件、人才、經驗于一體

　　進入原子能院院內，距離門口不到100米處，一幢新蓋起的11層工作大樓，最近正在變得“熱鬧”起來。300萬億次超級計算中心、200T大數據中心、萬兆高速網絡傳輸系統，相繼在這里“安家落戶”。

　　楊紅義告訴記者，這些平臺是為了讓設計出來的數字反應堆更加優化。今后，虛擬仿真中心、三維工程設計中心等更多的平臺將在這里落地，最終集成完整的數字反應堆研發平臺。

　　數字反應堆究竟是什么原理呢？簡單來講，數字反應堆就是對反應堆進行全方位、全周期的數字化模擬，讓它變得看得見、能操作，以完成反應堆現實的或超現實的研究。全方位，是指反應堆包括物理、化工、材料、熱工等所有技術性能和參數特點；全周期，是指反應堆的研究、設計、建造、運行、退役全過程。

　　從實體有形到虛擬無形，這種“從有到無”，并不簡單。這中間，除了需要精通反應堆工程技術，超級計算、大數據應用和數據高速傳輸等IT行業最尖端、最前沿技術，缺一不可。為此，原子能院積極開展數字堆在包括廣州天河、無錫神威這些國內外頂級超級計算機上的應用。

　　在新的平臺上進行操作，堆工部設計所的設計人員驚喜地發現，與以往相比，計算出來的結果更加充分，而他們腦中的idea也正在以更快的速度“變現”。不只設計所，堆工部下設的另外兩個所，即研究所和運行所的人員，同樣體會到了新平臺帶來的“好處”。

　　三個所的員工加起來有1200多名，幾乎占據了原子能院科技人員的半壁江山。堆工部龐大的人才隊伍，從事著反應堆從研究到運行甚至退役全部領域的研發工作。以研究所為例，該所下邊有8個研究室，分別為反應堆物理、熱工、燃料等，而這些正是反應堆研究最關鍵的8個技術領域。

　　楊紅義強調，“覆蓋反應堆技術全領域的研究單位也必須全部投入到數字反應堆的研發中，而且這是數字反應堆技術的核心所在！”

　　人才之外，還有一片研發的“沃土”。原子能院自上世紀50年代就建成我國第一座反應堆，在隨后的時間里，在國內外設計和建造了25座反應堆和核設施，擁有了上百個試驗臺架，并成功實現了我國首座反應堆的退役實施。此間，原子能院積累了上百堆年的反應堆工程運行經驗和雄厚的反應堆工程基礎技術和設計開發經驗。

　　硬件、人才、經驗，原子能院在反應堆全領域布局數字化實踐，以期在2030年實現“讓數字化在反應堆全生命周期得到推廣應用”這一目標。

　　發力，從藍圖到現實

　　打開程序，點擊“反應堆仿真運行”，便可在屏幕中看到反應堆正常運行狀態時的各項數據；戴上VR眼鏡，一路穿行，邁入大樓，登上臺階，進入反應堆大廳，一睹反應堆真容……在國際微堆應用和低濃化會議上，楊紅義向與會人員作了上述展示。

　　2016年，原子能院開發出數字微堆，成功試水數字反應堆領域。但在開發人員看來，這個如今被稱為1.0版本的數字微堆，充其量只能起到原理演示的作用，離數字反應堆的實際應用還有相當長一段距離。“數字微堆的原理和結構系統相對簡單，做起來容易。‘麻雀雖小，五臟俱全’，但目前也僅是對數字反應堆整個概念的一次實踐或示范。”楊紅義表示， 數字反應堆需要經過“三步走”戰略，即“演示驗證－示范應用－型號推廣”，才能真正達到開發的目的。

　　堆工部研究所副所長楊文進一步向記者解釋：“數字反應堆技術創新的難點全在其核心——軟件開發上。只有軟件的計算結果可以跳過試驗驗證這一步，直接應用到工程建設中，數字反應堆才算開發成功。”

　　“一個反應堆，使用原來的計算軟件，由于計算能力差，只能把它分成幾塊，2個模型之間用邊界條件去近似一下，這樣出來的結果具有不同程度的偏差，依然需要試驗驗證、糾偏。”楊紅義說，“只有軟件足夠‘高精細’，把反應堆當成一個大塊算，不用近似，才能達到100%的仿真。”

　　這幾年，楊文帶領著一個以年輕人為主的團隊，聯合中科院計算機網絡信息中心和北京科技大學計算機信息學院，一直力圖在材料軟件開發上達到上述目標。

　　跨領域合作，這對數字反應堆研發流程和工作人員個人來說，都是新的體驗。一個反應堆工程本身的技術，一個超級計算技術，一個軟件開發技術。三個團隊融合在一塊，原來基本上不懂、相互也不了解，但每兩周的定期交流很好地解決了這個問題。

　　強強聯合，“小核心、大協作”的方式很快見效。僅用不到兩年時間，這個聯合團隊就開發出Crystal－MD和Crystal－KMC兩個軟件。使用這兩個軟件耦合計算出來的結果，精度比以前提高了一大截。

　　不只是材料軟件，楊文還帶隊于2017年啟動了科技部重點研發計劃——我國首個E級超算數值系統開發及示范應用項目。這個項目囊括了數字反應堆的物理、熱工、燃料、結構力學、材料5套核心軟件包，計劃在4年時間內，全部開發出來。

　　而楊文的同事、堆工部設計所副所長劉天才認為，數字反應堆不只要考慮到設計本身，設計的流程同樣重要。

　　今年5月22日，原子能院聯合上線了全面項目管理系統（IPDPM系統）和產品數據管理系統（PDM系統），打通了反應堆研發設計管理的全流程，顯著提升了研發設計效率和質量。

　　基于先進的軟硬件設施，模擬數字化反應堆逐漸走向“高精細”，而研發流程也變得更加順暢，原子能院規劃中的數字快堆、數字研究堆等等，在他們日復一日的努力下，正在由藍圖變為現實。

　　未來，實現數字孿生

　　“實現了數字反應堆技術，這樣，我們就更有競爭力或者有更先進的技術，與世界其他國家同臺競技，使‘走出去’的步伐更快。”楊紅義表示，在這樣的機遇面前，原子能院愿意做我國數字反應堆領域的創新者、引領者、推動者。

　　這個路程漫長而艱辛，不只是技術上的，更有觀念上的。

　　在楊紅義和他帶領的團隊人員心中，數字反應堆就是真實反應堆的“數字孿生”，雙方有著一絲不差的“DNA”，“模樣”和“性格”毫無二致。在數字反應堆上的一切操作，完全可以放到真實的反應堆中去執行，分毫不差。

　　“比如，所謂退役就是把核設施拆了，拆之前首先要進行詳細準確的輻射調查。此前需要工作人員拿著儀表一個點一個點地測。實現數字化后，只要測出反應堆內幾個點的輻射數值，就可以快速準確模擬出整個廠房所有地方的輻射劑量，然后按照計算結果指導工作人員拆解的先后順序即可。”楊紅義解釋道。

　　然而數字反應堆作為新興事物，在其可靠性沒有得到試驗的充分證明之前，上至政府部門、專家，下至普通百姓，沒有人相信它能做到上面所描述的。大多數人依然認為只有試驗驗證出來的、看得見的結果，才真實可靠。

　　實踐是認識的來源。為扭轉觀念，原子能院率先行動起來，正在把數字反應堆輸出的結果與試驗結果進行比對。

　　研究方面，正在開展大量的材料和燃料研究、熱工流體和物理試驗等的高精度計算。

　　設計方面，在上百臺試驗臺架的海量數據支撐下，正在做試驗臺架和試驗過程的數字化，輸入數據、建立三維模型，再驗證得出的數據是否與臺架一致。

　　運行方面，正在編制運行規程，再輸入計算機，驗證是否最優。

　　……

　　有了技術，還要把它規范化，形成標準。最晚到2020年，原子能院計劃將完成數字反應堆整體架構設計并發布我國首個數字反應堆行業規范和行業標準。

　　“數字反應堆是一次徹底的、顛覆性的、系統性的、整體性的創新性變革”，有雄厚基礎、有成功探索、有全面布局，原子能院有意愿更有實力成為這場變革的引領者和推動者。（申文聰）