摘要：引進(jìn)AP1000技術(shù)是我國發(fā)展第三代核電技術(shù)的重大戰(zhàn)略舉措，通過學(xué)習(xí)和再創(chuàng)新開發(fā)大型先進(jìn)壓水堆核電站是國家重大科技專項之一。本文結(jié)合第三代核電燃料和堆芯設(shè)計軟件的特點和軟件系統(tǒng)平臺的技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r，提出了第三代核電燃料和堆芯設(shè)計軟件平臺國產(chǎn)化的研究內(nèi)容和可能的發(fā)展方向，探索第三代核電燃料和堆芯設(shè)計軟件系統(tǒng)平臺的技術(shù)方案。

關(guān)鍵詞：第三代核電；AP1000；計算集群；并行計算；軟件安全

中圖分類號：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007—9599 （2012） 14—0000—02

一、引言

我國從2003年開始啟動第三代核電技術(shù)的國際招標(biāo)工作，最終選擇了美國西屋聯(lián)隊提供的第三代先進(jìn)壓水堆核電技術(shù)——AP1000，并在2007年7月與其正式簽署了第三代核電自主化依托項目的核島采購合同。2007年12月，AP1000依托項目的首個機(jī)組三門核電廠一期工程正式啟動。

核電軟件既是核電站研發(fā)、設(shè)計的基本工具，又是核電站運行、維護(hù)的“神經(jīng)系統(tǒng)”，它不僅體現(xiàn)了對核電理念和方法論的把握，同時也體現(xiàn)了對核電站運行維護(hù)規(guī)律的掌握和經(jīng)驗的積淀。

上海核工程研究設(shè)計院作為承擔(dān)第三代核電技術(shù)引進(jìn)消化吸收和再創(chuàng)新重任的國家核電技術(shù)公司的核心單位，通過對AP1000 技術(shù)的消化和吸收，在核電燃料和堆芯設(shè)計軟件平臺方面積累了寶貴經(jīng)驗，并積極探索第三代核電燃料和堆芯設(shè)計軟件平臺的技術(shù)方案。

二、AP1000核電燃料和堆芯設(shè)計軟件系統(tǒng)介紹及其國產(chǎn)化面臨的問題

核電燃料和堆芯設(shè)計是AP1000技術(shù)核島設(shè)計的關(guān)鍵領(lǐng)域，也是AP1000技術(shù)密集度較高和技術(shù)更新最快的領(lǐng)域。從2007年起，西屋電氣公司逐步向國家核電技術(shù)公司交付AP1000軟件，燃料和堆芯設(shè)計軟件是由西屋電氣公司核燃料和堆芯設(shè)計事業(yè)部開發(fā)和維護(hù)，運行在一套獨立的軟件系統(tǒng)平臺之上。

上海核工程研究設(shè)計院作為這套軟件系統(tǒng)的國內(nèi)首家用戶，利用燃料和堆芯設(shè)計軟件在依托項目設(shè)計和CAP1400概念設(shè)計方面均取得重大突破進(jìn)展，然而，在燃料和堆芯設(shè)計軟件系統(tǒng)平臺方面仍有工作需繼續(xù)研究探討和不斷完善。

在使用燃料和堆芯設(shè)計軟件時，發(fā)現(xiàn)它們的安裝和運行結(jié)果與系統(tǒng)平臺（主要包括服務(wù)器配置及其對應(yīng)的操作系統(tǒng)）密切相關(guān)。因此，如不投入一定的研發(fā)力量持續(xù)升級軟件，以保持與系統(tǒng)平臺快速更新的同步，很快就會面臨軟件運行依賴的系統(tǒng)平臺停產(chǎn)的巨大風(fēng)險。在燃料和堆芯設(shè)計軟件國產(chǎn)化過程中，如何有機(jī)整合、高效和安全地利用已有設(shè)計軟件與AP1000軟件開發(fā)大型先進(jìn)壓水堆核電站有許多課題需深入研究。筆者認(rèn)為需亟待研究的課題至少有以下3個：第一，AP1000軟件將與現(xiàn)有軟件的有機(jī)整合問題；第二，將軟件系統(tǒng)升級為高性能并行計算集群系統(tǒng)；第三，軟件運行的安全問題。

三、軟件整合問題

我國在上世紀(jì)90年代中期，通過采購、國際合作研究和二次開發(fā)等渠道已形成一整套核電軟件庫，為我國核電研發(fā)和設(shè)計工作奠定了基礎(chǔ)。這些軟件將與AP1000軟件一起成為我國核電研發(fā)設(shè)計的重要技術(shù)工具。但是，這些軟件運行在不同的機(jī)型和操作系統(tǒng)之上，有的機(jī)型和操作系統(tǒng)面臨著停產(chǎn)或者淘汰的巨大風(fēng)險，而計算軟件在不同的軟硬件平臺上的運行結(jié)果往往是有差異的。AP1000軟件燃料和堆芯設(shè)計軟件絕大部分軟件已運行在當(dāng)前主流型號的服務(wù)器和廣泛使用的LINUX系統(tǒng)上。因此，我們有必要將這些軟件與AP1000整合在同一種軟硬件平臺之上，以避免機(jī)型和操作系統(tǒng)面臨著停產(chǎn)或者淘汰的風(fēng)險，同時也方便用戶開展研發(fā)設(shè)計工作。如將這些軟件移植到LINUX上，并保持持續(xù)升級，軟件開發(fā)和測試人員需花費很大精力解決由系統(tǒng)平臺差異造成的軟件運行和計算準(zhǔn)確性的問題。

四、高性能并行計算集群平臺

在面臨軟件有機(jī)整合難題的同時，還面臨如何高效地使用和管理軟件的課題。AP1000燃料和堆芯設(shè)計軟件雖然被移植到主流的系統(tǒng)平臺之上，但是仍然運行在“高性能”的單機(jī)上，絕大部分大部分軟件為串行計算軟件，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足不斷增加的科研需求，同時也限制了用戶使用和系統(tǒng)管理的便利性。

通過提高CPU主頻和總線帶寬是最初提供計算機(jī)性能的主要手段，但是這一手段對系統(tǒng)性能的提高是有限的。接著研究人員通過增加CPU個數(shù)和內(nèi)存容量來提高性能，于是出現(xiàn)了向量機(jī)，對稱多處理機(jī)（SMP）等。但是當(dāng)CPU的個數(shù)超過某一閾值，SMP這些多處理機(jī)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性就變的極差，其主要瓶頸在于CPU訪問內(nèi)存的帶寬并不能隨著CPU個數(shù)的增加而有效增長。與SMP相反，集群系統(tǒng)的性能隨著CPU個數(shù)的增加幾乎是線性變化的。圖1顯示了上述情況。集群系統(tǒng)的優(yōu)點并不僅在于高擴(kuò)展性上，下面列舉了集群系統(tǒng)的主要優(yōu)點：1）高可用性：集群中的一個節(jié)點失效，它的任務(wù)可以傳遞給其他節(jié)點，這樣可以有效防止單點失效。2）高性能：負(fù)載平衡集群允許系統(tǒng)同時接入更多的用戶；3）高性價比：可以采用廉價的符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的硬件構(gòu)造高性能的系統(tǒng)。因此，集群系統(tǒng)是提高燃料和堆芯設(shè)計軟件使用效率的合適技術(shù)。

另外，并行計算是用若干處理器并行執(zhí)行一個作業(yè)，以提高計算效率。由于核電燃料和堆芯設(shè)計軟件數(shù)量眾多，可將頻繁使用且計算量較大的軟件優(yōu)先升級為并行程序，這不僅從軟件本身提高軟件的運行效率，而且更能發(fā)揮計算集群平臺的優(yōu)勢。

上海核工程研究設(shè)計院已將第三代核電燃料和堆芯設(shè)計軟件如何運行在高性能并行計算集群平臺作為重點研究的對象，當(dāng)前正在嘗試使用開源免費和商業(yè)版的并行管理軟件同時在構(gòu)建高性能并行計算集群平臺。

五、軟件系統(tǒng)平臺安全問題

不斷增加的計算機(jī)安全事件，引起了我國核工業(yè)界的重視。當(dāng)前大部分核電研發(fā)設(shè)計機(jī)構(gòu)都設(shè)置有相對隔離的企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)，以防范來此互聯(lián)網(wǎng)的攻擊。目前，防范網(wǎng)絡(luò)攻擊的常用方法就是利用防火墻技術(shù)，經(jīng)過嚴(yán)密仔細(xì)的配置，通常能夠在內(nèi)外網(wǎng)之間提供安全的網(wǎng)絡(luò)保護(hù)屏障，降低內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)攻擊的風(fēng)險。但僅使用防火墻來保護(hù)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)安全是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。首先，入侵者可以尋找防火墻背后可能敞開的后門；其次，防火墻完全不能阻止內(nèi)部襲擊，對于來自內(nèi)部局域網(wǎng)的攻擊，防火墻形同虛設(shè)；第三，由于性能的限制，防火墻只能實現(xiàn)粗粒度的過濾，無法提供實時的入侵檢測能力。

在企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)使用核電燃料和堆芯設(shè)計軟件時，用戶通常以遠(yuǎn)程方式直接登錄軟件服務(wù)器，通過SFTP協(xié)議實現(xiàn)文件傳輸，這種使用方式易使軟件系統(tǒng)平臺受到USB或者郵件傳播病毒的攻擊。據(jù)報道，2011年11月伊朗稱已經(jīng)檢測到了被專家們認(rèn)為是基于“震網(wǎng)”病毒的“Duqu”計算機(jī)病毒?！罢鹁W(wǎng)”有“網(wǎng)絡(luò)武器”之稱，據(jù)信是專為破壞伊朗的核設(shè)施而來。研究人員發(fā)現(xiàn)，只要電腦操作員將被病毒感染的U盤插入USB接口，這種病毒就會在不需要任何操作的情況下，取得工業(yè)電腦系統(tǒng)控制權(quán)。

除了防范網(wǎng)絡(luò)病毒攻擊外，還需研究軟件系統(tǒng)受到攻擊后如何才能快速恢復(fù)還原。第三代核電燃料和堆芯設(shè)計軟件數(shù)量眾多，并且軟件版本更新較快，如果一旦系統(tǒng)平臺受到攻擊，軟件恢復(fù)還原較慢。

基于核電燃料和堆芯設(shè)計軟件的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和應(yīng)用特點，筆者提出在第三代核電燃料和堆芯設(shè)計軟件系統(tǒng)使用文件完整性檢測和快速還原技術(shù)的研究，以保障系統(tǒng)平臺的安全。

文件系統(tǒng)完整性檢查程序采用的核心技術(shù)就是對每個要監(jiān)控的文件系統(tǒng)利用MD5報文摘要算法產(chǎn)生一個數(shù)字指紋，并保存到數(shù)據(jù)庫中。如果文字的數(shù)字指紋與保存的數(shù)字指紋不一致，則可知文件必定被改動了。[3][4]

文件系統(tǒng)完整性快速還原技術(shù)是將關(guān)鍵系統(tǒng)配置文件和應(yīng)用軟件通過某種加密保存到數(shù)據(jù)庫中，一旦確定文件被改動，則快速恢復(fù)包括應(yīng)用軟件在內(nèi)的系統(tǒng)平臺。

六結(jié)束語

本文通過對核電燃料和堆芯設(shè)計AP1000軟件與我國現(xiàn)有軟件的特點和應(yīng)用面臨的問題的研究，提出了第三代核電燃料和堆芯設(shè)計軟件系統(tǒng)平臺國產(chǎn)化的研究內(nèi)容，探索其可行的技術(shù)方案。針對第三代核電燃料和堆芯設(shè)計軟件系統(tǒng)平臺國產(chǎn)化的研究還處于起步階段，下一步將研究如何為第三代核電燃料和堆芯設(shè)計軟件構(gòu)建高性能并行計算集群平臺和應(yīng)用軟件的監(jiān)控和快速還原系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

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