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　　“中核集團(tuán)設(shè)立了由中國核動力研究設(shè)計院牽頭，中國原子能科學(xué)研究院、中國核電工程有限公司、核動力運(yùn)行研究所、中核核電運(yùn)行管理有限公司、核工業(yè)計算機(jī)應(yīng)用研究所參與的中核核能軟件與數(shù)字化反應(yīng)堆工程技術(shù)研究中心；核動力院開設(shè)了數(shù)字反應(yīng)堆技術(shù)重點(diǎn)研究領(lǐng)域并設(shè)立了院首席專家，組建了一支包含200余名各專業(yè)技術(shù)人員的研發(fā)團(tuán)隊來推進(jìn)數(shù)字反應(yīng)堆技術(shù)的研發(fā)。”

　　2018年7月的一個普通工作日，在中國核動力研究設(shè)計院的一間辦公室里，一名科研設(shè)計人員坐在電腦前，鼠標(biāo)在電腦屏幕上熟練地滑動、點(diǎn)擊，很快屏幕上展示出一幅精致的核反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)的組成圖，圖中冷卻劑在管道和各個部件中緩緩流動。這是核動力院自主研發(fā)的數(shù)字化反應(yīng)堆性能分析與驗證平臺，它是基于中國自主核電品牌“華龍一號”核反應(yīng)堆研發(fā)的，聯(lián)合了堆芯物理、流體、儀控等多個專業(yè)。通過這個平臺核電設(shè)計人員可以方便、直觀地查看系統(tǒng)的各個性能參數(shù)以及它們的變化趨勢，快速、全面地驗證與評價核反應(yīng)堆系統(tǒng)在各種工況下的控制功能和運(yùn)行特性。

　　簡單來說，數(shù)字反應(yīng)堆是能夠精準(zhǔn)模擬真實(shí)反應(yīng)堆、具有“生命力”的數(shù)字虛擬樣機(jī)系統(tǒng)，與真實(shí)反應(yīng)堆就好比是一對“孿生兄弟”。真實(shí)反應(yīng)堆從研究、設(shè)計、建造、運(yùn)行到退役全生命周期各階段的物理、熱工、燃料、結(jié)構(gòu)、控制等各專業(yè)性能、參數(shù)、行為等特性都可以在數(shù)字反應(yīng)堆中展現(xiàn)出來。此外，數(shù)字反應(yīng)堆來源于現(xiàn)實(shí)又高于現(xiàn)實(shí)，除了對真實(shí)反應(yīng)堆進(jìn)行全面、準(zhǔn)確、直觀地模擬，還能夠科學(xué)預(yù)測分析各種類型反應(yīng)堆的性能與安全性；甚至針對大破口、堆芯融化等極端事故現(xiàn)象，數(shù)字反應(yīng)堆都能夠逼真地呈現(xiàn)出來，并快速地提供最優(yōu)的應(yīng)急響應(yīng)預(yù)案。

　　如果說數(shù)字反應(yīng)堆是一個嶄新的生命，那么研發(fā)團(tuán)隊就像技術(shù)精湛的外科醫(yī)生，通過對實(shí)體反應(yīng)堆庖丁解牛般的剖析，一點(diǎn)一滴地構(gòu)建起數(shù)字反應(yīng)堆的血和肉，并不斷地進(jìn)行“基因改良”，使其逐步成長為實(shí)體反應(yīng)堆的“孿生兄弟”。

　　精細(xì)化計算軟件：讓反應(yīng)堆“活”起來

　　軟件是核電站核心技術(shù)中的核心，沒有軟件，數(shù)字反應(yīng)堆就無法“活”起來。正因為如此，從數(shù)字反應(yīng)堆研發(fā)初期開始，研發(fā)團(tuán)隊就致力于解決對反應(yīng)堆特性機(jī)理認(rèn)知不足的問題。由大量的工程簡化到回歸真實(shí)性的物理過程，從根本上增加模型與實(shí)際反應(yīng)堆的符合程度，提升模擬的精準(zhǔn)性，這個過程知易行難。而從模型發(fā)展到軟件，還需要解決高精度數(shù)值求解、軟件規(guī)模大、系統(tǒng)復(fù)雜等難題。不以山高為懼，不因路遙而疲，在中核集團(tuán)“龍騰2020項目”的支持下，新老專家共同攻關(guān)，啃下了一個個“硬骨頭”。

　　從具體軟件研發(fā)過程來說，每個軟件經(jīng)歷了需求分析、理論模型建立、軟件編碼、測試、驗證等復(fù)雜的步驟，“沒有捷徑可以走，項目部只能嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，組建專業(yè)技術(shù)隊伍，明晰研發(fā)流程，同時制定相關(guān)技術(shù)規(guī)范，通過引入第三方測試及驗證，確保軟件產(chǎn)品的高質(zhì)量”。

　　目前，數(shù)字反應(yīng)堆的“大腦”——精細(xì)化設(shè)計分析軟件包已研發(fā)完畢，它涉及物理設(shè)計、屏蔽與源項設(shè)計、熱工水力、安全分析、燃料元件等多個專業(yè)領(lǐng)域，覆蓋了核反應(yīng)堆設(shè)計研發(fā)與運(yùn)行支持的主要領(lǐng)域，包括軟件近百余個，獲得軟件著作權(quán)80余項，專利10余項，已成功應(yīng)用于“華龍一號”示范工程福清5、6號的反應(yīng)堆工程設(shè)計工作中，部分軟件已應(yīng)用于包括方家山、福清、昌江、田灣等在役電廠的技術(shù)服務(wù)中。成套軟件產(chǎn)品的成功開發(fā)，不僅提高了核電工程設(shè)計、建設(shè)、運(yùn)行的效率和質(zhì)量，也為數(shù)字反應(yīng)堆的研發(fā)奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

　　綜合研發(fā)平臺：讓千人聯(lián)動起來

　　在核反應(yīng)堆的設(shè)計研發(fā)過程中，涉及到結(jié)構(gòu)、力學(xué)、物理、熱工、儀控等70多個專業(yè)，有上千名設(shè)計人員同步參與，每一次參數(shù)的修改和同步，都會引起核電機(jī)組的連鎖反應(yīng)，包括組件的更換、組件接口的改變、安全系統(tǒng)的配合等等，如何讓百余個面向單個專業(yè)的設(shè)計分析軟件聯(lián)動起來，讓近千名設(shè)計人員協(xié)同開展設(shè)計是個大問題。

　　傳統(tǒng)設(shè)計過程基本采用手工準(zhǔn)備輸入、執(zhí)行計算、分析結(jié)果，這導(dǎo)致設(shè)計周期長，且容易出錯；多專業(yè)間計算協(xié)同設(shè)計程度不高，并行工作能力不強(qiáng)，各專業(yè)間的數(shù)據(jù)接口集成度不高；設(shè)計方案優(yōu)化還主要依賴于工程設(shè)計經(jīng)驗，很難實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)優(yōu)化，這些問題都成為提升核反應(yīng)堆設(shè)計效率的主要障礙。

　　近十年來，由核動力院牽頭，聯(lián)合十余家科研機(jī)構(gòu)、高校、企業(yè)，聚合相關(guān)領(lǐng)域的優(yōu)勢資源力量，集智攻關(guān)，如今已小有所成。目前，核動力院設(shè)計研發(fā)的數(shù)字反應(yīng)堆綜合研發(fā)平臺已完成了堆芯物理、熱工、流體、儀控、結(jié)構(gòu)等多個專業(yè)的集成與聯(lián)合仿真，可以從不同角度對核反應(yīng)堆系統(tǒng)的綜合性能及行為特性進(jìn)行全方位精確模擬。今后該研發(fā)平臺還將進(jìn)一步集成燃料、材料、屏蔽、水化學(xué)等所有核心專業(yè)領(lǐng)域，為核反應(yīng)堆全壽期內(nèi)的研發(fā)設(shè)計、虛擬制造、運(yùn)行維護(hù)、退役處置提供精確模擬與科學(xué)預(yù)測手段。

　　高性能計算：成就反應(yīng)堆之強(qiáng)健“骨骼”

　　在中國核動力院辦公基地的東北角，有一座占地面積近千平方米的方形建筑，這是在國家有關(guān)部委的支持下建立的國內(nèi)首個數(shù)字化反應(yīng)堆技術(shù)實(shí)驗室。這里為設(shè)計人員提供了集高性能計算、協(xié)同設(shè)計、聯(lián)合仿真、虛擬實(shí)驗和虛擬制造為一體的數(shù)字化綜合研發(fā)平臺，它以目前國內(nèi)水平最先進(jìn)的銀河高性能計算機(jī)支撐大規(guī)模并行計算，以超大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)支撐各種計算的數(shù)據(jù)管理，以虛擬現(xiàn)實(shí)交互設(shè)備支撐人機(jī)交互模擬、沉浸式體驗等功能。

　　數(shù)字反應(yīng)堆要實(shí)現(xiàn)全方位、精細(xì)化、高效率的模擬，離不開超大規(guī)模高性能計算機(jī)，它就像一副強(qiáng)健的“骨骼”，支撐起數(shù)字反應(yīng)堆的高效可靠運(yùn)轉(zhuǎn)。以前的反應(yīng)堆計算分析大多采用相對簡單粗糙的模型處理，計算規(guī)模較小，核心軟件絕大多數(shù)采用單機(jī)版串行計算的模式；現(xiàn)在采用了更加先進(jìn)精細(xì)化的模型，多專業(yè)間的計算協(xié)同設(shè)計程度更高，計算模式也正在向超大規(guī)模計算機(jī)并行計算轉(zhuǎn)變。

　　為了提供更便捷、更高效的計算服務(wù)，2017年核動力院構(gòu)建了數(shù)字反應(yīng)堆基礎(chǔ)云平臺，平臺整合了百萬億次銀河超級計算機(jī)、應(yīng)用服務(wù)器、圖形工作站、存儲服務(wù)器等異構(gòu)的硬件資源和不同操作系統(tǒng)環(huán)境下的專業(yè)軟件及應(yīng)用系統(tǒng)資源，可以同時連線上千個終端。而每個終端的背后都有一名設(shè)計人員實(shí)施操作，借助平臺強(qiáng)大的計算能力，可以模擬分析反應(yīng)堆的系統(tǒng)性能和運(yùn)行特性。

　　海量數(shù)據(jù)：凝練反應(yīng)堆之珍貴“血液”

　　從上世紀(jì)80年代秦山一期核電站實(shí)現(xiàn)中國核電“零的突破”開始，到上世紀(jì)90年代大量“二代加”核電機(jī)組的研發(fā)建設(shè)，再到2000年后三代核電站的建設(shè)……30年來，核動力院累計收錄了幾百個試驗臺架、數(shù)千項實(shí)驗工況、30臺核電機(jī)組和其它各種類型反應(yīng)堆全生命周期的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的紙質(zhì)版摞起來有一棟辦公樓那么高。

　　海量的數(shù)據(jù)是一筆寶貴的財富，使用得當(dāng)對提升核反應(yīng)堆的性能、質(zhì)量、安全等方面都具有重要的促進(jìn)和推動作用，但是要想把它們組織好、利用好，挖掘出其巨大的潛在價值卻并不容易。這些數(shù)據(jù)形式多樣、關(guān)系復(fù)雜，對其進(jìn)行挖掘首先需要對原始的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的特性、格式特點(diǎn)進(jìn)行凝練，建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫；在此基礎(chǔ)上根據(jù)核反應(yīng)堆系統(tǒng)在設(shè)計研發(fā)、運(yùn)行保障、退役等方面的應(yīng)用需求構(gòu)建各類應(yīng)用數(shù)據(jù)庫；最后利用大數(shù)據(jù)、人工智能等先進(jìn)信息技術(shù)充分挖掘數(shù)據(jù)價值，建立各類大數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)。目前第一、第二階段的工作已基本完成，正在開展第三階段的研發(fā)。

　　龐大的數(shù)據(jù)庫支撐，實(shí)實(shí)在在的工程建設(shè)反證，設(shè)計分析軟件日益完善，數(shù)字反應(yīng)堆也在不斷地發(fā)展成熟。

　　目前，數(shù)字反應(yīng)堆第一階段的研發(fā)已基本完成，相關(guān)研究成果獲國防科技進(jìn)步三等獎兩項、集團(tuán)科技進(jìn)步一等獎一項。然而，與所有新生事物的發(fā)展規(guī)律一樣，數(shù)字反應(yīng)堆誕生初期，其基本用途還局限在原理演示和示范驗證，但“麻雀雖小，五臟俱全”。反應(yīng)堆的研發(fā)要實(shí)現(xiàn)由“依賴試驗驗證”向“依靠數(shù)值模擬”轉(zhuǎn)變，建立可全面應(yīng)用于設(shè)計驗證、工程評估與優(yōu)化的數(shù)字反應(yīng)堆，高效指導(dǎo)新一代核反應(yīng)堆的研發(fā)、工程驗證、優(yōu)化設(shè)計、運(yùn)行支持，實(shí)現(xiàn)數(shù)字反應(yīng)堆在實(shí)際工程中的應(yīng)用還有很長的一段路要走。但依靠雄厚的科研基礎(chǔ)、優(yōu)秀的人才實(shí)力和不斷探索的創(chuàng)新精神，數(shù)字反應(yīng)堆也一定能從藍(lán)圖變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。（陽惠）