虚拟仿真实验在核工程与核技术专业中的应用

虚拟仿真实验在核工程与核技术专业中的应用

汪琪

（武汉市育才高级中学，身份证号码42010220010525334X）

摘要：核电存在强放射性、高温高压等不利条件，学生无法在这种环境下进行学习与实验，需要采用虚拟仿真技术开展实验教学。当前我国已经全面进入到信息化时代，新形势下的核技术与核工程的教学工作应当充分发挥教育机械在信息技术方面的优势，综合应用各种新型技术手段对教学方法与教学流程进行改革与创新。本文从实验项目的目的和特点出发，详细阐述了核工程与核技术专业中虚拟仿真实验的应用方法。

关键词：核技术；核工程；实验平台；虚拟仿真

随着我国工业化建设的不断发展，环境保护与传统能源之间的矛盾日益增加，核能作为一种可靠、安全、经济的清洁能够，已经成为我国未来能源发展的必然趋势。虽然当前的核能技术已经十分成熟，世界上大多数国家都有着良好的核能安全记录与丰富的运行经验[1]。然而，核电仍存在放射性危险，安全永远都会是核能技术取得突破的重要关口。随着核电技术的不断完善，长废物、长寿期、高经济性、高安全性已经成为术能技术最为引人注目的核心问题。这对核技术与核工程的教学内容与人才培养模式提出了新的要求。

1.虚拟仿真实验计算平台

将虚拟仿真计算平台应用于实验工作中，能够有效重现术一种实现原貌，对可能使用到的各项核技术进行模拟试验，即不会对工程设计者造成伤害，同时也能够节约大量的成本与人力物力资源。然而，有由于我国在虚拟仿真领域的技术还不够成熟，建设虚拟仿真实验计算平台在技术与硬件上存在一定的困难，设计成本与计算成本相对较高，只有针对该技术进行不断的研发与创新，才能够进一步降低该技术的应用成本。因此，相关单位需要进一步加大研发资金的投入，重视新技术的应用与人才的培养工作。

1.1核电厂全范围网络虚拟仿真平台

针对现阶段应用最为广泛的核电站模拟机是C/S结构，分布功能较弱，需要安装专门的客户端程序，在定制化学习方面存在许多局限性[2]。采用3Deymaster平台，深入融合核电站原理模拟机，用户可以在局域网环境下，利用浏览器，通过账户登录，开展核电厂运行、核反应堆控制等实验操作，不受时间和场地的限制。

对于动作、场景、设备的仿真和建模，现阶段可供选用的建模工具软件有C++、MATLAB、JAVA、VRML、CATIA、3DMAX等。针对不同的应用目的，可以单一或组合使用仿真和建模软件进行系统开发。需要注意的是，以上分仿真和建模软件对于电子计算机的硬件尤其是显卡设备有着比较严格的要求，需要选用高性能计算机。

1.2核电厂事故仿真平台

本次研究以3Keymaster为模式建立严重事故仿真平台，其中MELCOR2.1是核心分析程序。该程序属于第二代系统性程序的一种，由美国NRC开发[3]。它是以源项分析和PSA为目的的严重事故分析程序，可以对轻水堆严重事故进行模拟，同时也可以对放射性核素的释放进行计算，根据计算结果推算最终的后果，能够借助控制函数来分析放射性物质的放射性、比活度以及质量等指标。

利用该平台能够事故序列进行仿真处理，全面分析造成事故的具体原因。

1.3核电厂虚拟现实仿真平台

核电相比于传统能耗来说有着很大的特殊性，无论是工作人员还是研究人员的入厂资格均会受到严格的限制，尤其是对于学生来说更是难以进入现场，给培训与教学工作造成了一定的困难。虚拟现实即VirtualReality，也就是人们常说的VR技术。该技术能够可以对某一位置的周围环境进行建模处理，进而形成三维虚拟环境，借助相关的外部设计，用户可以直接通过视觉进入虚拟环境，其体验与感受与真实环境十分接近。该平台所具备的功能主要有核电厂漫游、核岛内部漫游、重大信息漫游和三维流程演示。

（1）核电厂漫游

以第一或第三人称的视角对观察电厂区的厂房位置，具体显示结果如图1-1所示。

图1-1核电厂漫游示意

（2）核岛内部漫游

实现自由路线和固定路线漫游。

（3）重大设备信息

能够顺着漫游路径显示出各种重大设备信息，同时介绍各项设备的参数与功能。

（4）三维流程演示

能够将核电厂主回路运动流程展示出来，对事故进程变化进行动态化的演示，具体显示内容如图3-1所示。将难以描述和或过于复杂的物理过程及物理现象展示出来，由肥西县三维的展示方式，因此所展示出来的结果将会更加生动、更加形象。

图1-2三维流程显示

2.虚拟仿真实验

2.1核电厂动力设与系统实验

以虚拟仿真平台为基础，配合电厂动力设备与系统进行同步教学。虚拟实现仿真平台能够帮助学生对整体电厂的概貌模式有一个全面的了解，包括管路连接、设备布置以及厨房布置等方面的情况，同时也能够对电厂系统的运行流程有更加深入的了解。并实现在常规岛、核岛进行虚拟漫游。采用这种教学方面能够使学生学习兴趣得到进一步的强化，同时也能够帮助学生加入对于核电厂工作流程、设备结构以及总体组成等方面的了解，强化学生的感性认识和直观认识，提升学生对于课程的掌握与理解。

2.2核反应堆控制课程实验

该环节实验以共享式全范围仿真平台为基础，与《核反应堆控制》相配合，共计8课时，是核技术与核工程专业十分重要的一个实践性环节。借助全范围实时仿真平台所内置的分析与建模工具，进行压水堆核电厂冷却剂平均温度控制系统和功率调节系统的实验，帮助学生了解冷却剂平均温度和核电厂功率的基本原理，对控制进行相关的各个环节进行分析，进而了解反应堆控制的基本原理与相关概念，最终形成利用相关理论解决具体问题和分析各种现象的能力，加深对于实际核反应椎的理解与认识。

2.3安全分析实验

该环节的课程学习与课程实验同期进行，是核技术与核工程专业教学过程一项十分重要的实践环节。借助全范围实时仿真平台所内置的分析工具与建模工具，可用来对各种基准事故进行判断，比如蒸汽发生器管道破裂、给水管道破裂、蒸汽管道破裂、一回路冷却剂丧失、热阱丧失事故、反应性引入事故等事故的模拟。帮助学生对每一类事故的过程有一个深入的了解。另外，学生也能够对设备或系统的仿真模型进行修正，对控制方案进行调整，借助仿真实验来对控制方面、仿真模型的有效性和可靠性进行判断，能够进一步提升学生们的似创新实践能力与动手操作能力。

2.4核电厂运行实验

该阶段的实验借助全范围实时仿真平台所内置的分析与建模工具，进行核电厂在负载跟踪、停堆、启动以及高度等工况的模拟与仿真实验。帮助学生深入了解核电厂的运行方式与运行原理。借助设置控制方案、建模等实践操作，能够增强学生对于各种理论知识的运用能力，进而提升学生们的综合实践能力与创新能力。

3.结束语

本次研究对核技术与核工程的教育工作特点进行了全面的介绍，摒弃了以往所采用的常规电厂系统实体实验模式，而是借助虚拟仿真技术来进行实验教学与实践操作。通过虚拟仿真实验技术，学生们将可以深入了解核电厂的运行不是故意的与系统功能，降低实验成本，进而更加接近真实的事故处理计划。另外，该技术在应用上不存在任何安全性的问题，同时也能够将更加先进的核电技术展示给学生们，最终实验教学工作质量与效率的提升。

参考文献

[1]杨强,刘军，赵佳佳,翟娟,张庆贤,刘秋实.Multisim在核电子学虚拟仿真实验中的应用[J].实验室研究与探索,2018,37(05):91-94.

[2]单建强,孙耀威，吴攀,张博.核反应堆安全分析课程虚拟仿真实验设计[J].高校实验室工作研究,2017(03):63-65.

[3]曾文杰,谢金森,程品晶,王振华,于涛.高校核专业虚拟仿真实验教学建设探索——问题与对策[J].教育教学论坛,2017(25):273-274.