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为了“数字孪生”——解码原子能院数字反应堆研发
文章来源:中国核工业报 日期:2018年07月18日

  在反应堆研究、设计、建造、运行、退役的各个环节,会遇上各种技术问题。减少投资、缩短建设周期、提高安全性、减少核废料……要实现这些目标,就得做大量实验,进行更全面精细的分析,但这又使得成本进一步增加。

  中国原子能科学研究院堆工部主任杨红义表示,应用数字化、信息化和智能化技术开发数字反应堆,可以为核能行业解决上述困扰。数字反应堆将成为未来核能系统的先进研究平台,世界核能大国将之视为竞技的新战场。

  率先发布数字微堆系统;超算中心、数据中心等硬件平台建成使用;Crystal-MD、Crystal-KMC等App研发成功;我国首个E级超算数值系统研发工作启动,并被评为“2017年度中国核能行业信息化”最具影响力十件大事之一;全面项目管理系统和产品数据管理系统联合上线……位于北京西南郊的原子能院,正在为中核集团乃至核能行业紧拥数字化时代的战略机遇贡献自己的力量。

  布局,集硬件、人才、经验于一体

  进入原子能院院内,距离门口不到100米处,一幢新盖起的11层工作大楼,最近正在变得“热闹”起来。300万亿次超级计算中心、200T大数据中心、万兆高速网络传输系统,相继在这里“安家落户”。

  杨红义告诉记者,这些平台是为了让设计出来的数字反应堆更加优化。今后,虚拟仿真中心、三维工程设计中心等更多的平台将在这里落地,最终集成完整的数字反应堆研发平台。

  数字反应堆究竟是什么原理呢?简单来讲,数字反应堆就是对反应堆进行全方位、全周期的数字化模拟,让它变得看得见、能操作,以完成反应堆现实的或超现实的研究。全方位,是指反应堆包括物理、化工、材料、热工等所有技术性能和参数特点;全周期,是指反应堆的研究、设计、建造、运行、退役全过程。

  从实体有形到虚拟无形,这种“从有到无”,并不简单。这中间,除了需要精通反应堆工程技术,超级计算、大数据应用和数据高速传输等IT行业最尖端、最前沿技术,缺一不可。为此,原子能院积极开展数字堆在包括广州天河、无锡神威这些国内外顶级超级计算机上的应用。

  在新的平台上进行操作,堆工部设计所的设计人员惊喜地发现,与以往相比,计算出来的结果更加充分,而他们脑中的idea也正在以更快的速度“变现”。不只设计所,堆工部下设的另外两个所,即研究所和运行所的人员,同样体会到了新平台带来的“好处”。

  三个所的员工加起来有1200多名,几乎占据了原子能院科技人员的半壁江山。堆工部庞大的人才队伍,从事着反应堆从研究到运行甚至退役全部领域的研发工作。以研究所为例,该所下边有8个研究室,分别为反应堆物理、热工、燃料等,而这些正是反应堆研究最关键的8个技术领域。

  杨红义强调,“覆盖反应堆技术全领域的研究单位也必须全部投入到数字反应堆的研发中,而且这是数字反应堆技术的核心所在!”

  人才之外,还有一片研发的“沃土”。原子能院自上世纪50年代就建成我国第一座反应堆,在随后的时间里,在国内外设计和建造了25座反应堆和核设施,拥有了上百个试验台架,并成功实现了我国首座反应堆的退役实施。此间,原子能院积累了上百堆年的反应堆工程运行经验和雄厚的反应堆工程基础技术和设计开发经验。

  硬件、人才、经验,原子能院在反应堆全领域布局数字化实践,以期在2030年实现“让数字化在反应堆全生命周期得到推广应用”这一目标。

  发力,从蓝图到现实

  打开程序,点击“反应堆仿真运行”,便可在屏幕中看到反应堆正常运行状态时的各项数据;戴上VR眼镜,一路穿行,迈入大楼,登上台阶,进入反应堆大厅,一睹反应堆真容……在国际微堆应用和低浓化会议上,杨红义向与会人员作了上述展示。

  2016年,原子能院开发出数字微堆,成功试水数字反应堆领域。但在开发人员看来,这个如今被称为1.0版本的数字微堆,充其量只能起到原理演示的作用,离数字反应堆的实际应用还有相当长一段距离。“数字微堆的原理和结构系统相对简单,做起来容易。‘麻雀虽小,五脏俱全’,但目前也仅是对数字反应堆整个概念的一次实践或示范。”杨红义表示, 数字反应堆需要经过“三步走”战略,即“演示验证-示范应用-型号推广”,才能真正达到开发的目的。

  堆工部研究所副所长杨文进一步向记者说明:“数字反应堆技术创新的难点全在其核心——App开发上。只有App的计算结果可以跳过试验验证这一步,直接应用到工程建设中,数字反应堆才算开发成功。”

  “一个反应堆,使用原来的计算App,由于计算能力差,只能把它分成几块,2个模型之间用边界条件去近似一下,这样出来的结果具有不同程度的偏差,依然需要试验验证、纠偏。”杨红义说,“只有App足够‘高精细’,把反应堆当成一个大块算,不用近似,才能达到100%的仿真。”

  这几年,杨文带领着一个以年轻人为主的团队,联合中科院计算机网络信息中心和北京科技大学计算机信息学院,一直力图在材料App开发上达到上述目标。

  跨领域合作,这对数字反应堆研发流程和工作人员个人来说,都是新的体验。一个反应堆工程本身的技术,一个超级计算技术,一个App开发技术。三个团队融合在一块,原来基本上不懂、相互也不了解,但每两周的定期交流很好地解决了这个问题。

  强强联合,“小核心、大协作”的方式很快见效。仅用不到两年时间,这个联合团队就开发出Crystal-MD和Crystal-KMC两个App。使用这两个App耦合计算出来的结果,精度比以前提高了一大截。

  不只是材料App,杨文还带队于2017年启动了科技部重点研发计划——我国首个E级超算数值系统开发及示范应用项目。这个项目囊括了数字反应堆的物理、热工、燃料、结构力学、材料5套核心App包,计划在4年时间内,全部开发出来。

  而杨文的同事、堆工部设计所副所长刘天才认为,数字反应堆不只要考虑到设计本身,设计的流程同样重要。

  今年5月22日,原子能院联合上线了全面项目管理系统(IPDPM系统)和产品数据管理系统(PDM系统),打通了反应堆研发设计管理的全流程,显著提升了研发设计效率和质量。

  基于先进的软硬件设施,模拟数字化反应堆逐渐走向“高精细”,而研发流程也变得更加顺畅,原子能院规划中的数字快堆、数字研究堆等等,在他们日复一日的努力下,正在由蓝图变为现实。

  未来,实现数字孪生

  “实现了数字反应堆技术,这样,大家就更有竞争力或者有更先进的技术,与世界其他国家同台竞技,使‘走出去’的步伐更快。”杨红义表示,在这样的机遇面前,原子能院愿意做我国数字反应堆领域的创新者、引领者、推动者。

  这个路程漫长而艰辛,不只是技术上的,更有观念上的。

  在杨红义和他带领的团队人员心中,数字反应堆就是真实反应堆的“数字孪生”,双方有着一丝不差的“DNA”,“模样”和“性格”毫无二致。在数字反应堆上的一切操作,完全可以放到真实的反应堆中去实行,分毫不差。

  “比如,所谓退役就是把核设施拆了,拆之前首先要进行详细准确的辐射调查。此前需要工作人员拿着仪表一个点一个点地测。实现数字化后,只要测出反应堆内几个点的辐射数值,就可以快速准确模拟出整个厂房所有地方的辐射剂量,然后按照计算结果引导工作人员拆解的先后顺序即可。”杨红义说明道。

  然而数字反应堆作为新兴事物,在其可靠性没有得到试验的充分证明之前,上至政府部门、专家,下至普通百姓,没有人相信它能做到上面所描述的。大多数人依然认为只有试验验证出来的、看得见的结果,才真实可靠。

  实践是认识的来源。为扭转观念,原子能院率先行动起来,正在把数字反应堆输出的结果与试验结果进行比对。

  研究方面,正在开展大量的材料和燃料研究、热工流体和物理试验等的高精度计算。

  设计方面,在上百台试验台架的海量数据支撑下,正在做试验台架和试验过程的数字化,输入数据、建立三维模型,再验证得出的数据是否与台架一致。

  运行方面,正在编制运行规程,再输入计算机,验证是否最优。

  ……

  有了技术,还要把它规范化,形成标准。最晚到2020年,原子能院计划将完成数字反应堆整体架构设计并发布我国首个数字反应堆行业规范和行业标准。

  “数字反应堆是一次彻底的、颠覆性的、系统性的、整体性的创新性变革”,有雄厚基础、有成功探索、有全面布局,原子能院有意愿更有实力成为这场变革的引领者和推动者。(申文聪)

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