吳宜燦，何 桃，胡麗琴，龍鵬程，尚雷明，周少恒，楊 琪，趙錦波，張 澍，楊子輝，李 廷，程 翔，王 靜，王 杰，宋 婧，程夢(mèng)云，俞盛朋，郝麗娟

（中國(guó)科學(xué)院 核能安全技術(shù)研究所，中國(guó)科學(xué)院 中子輸運(yùn)理論與輻射安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031）

當(dāng)前，隨著核能的迅猛發(fā)展，核與輻射環(huán)境下核設(shè)施維修、退役等作業(yè)實(shí)踐也越來(lái)越頻繁。在核設(shè)施全生命周期的各階段不可避免地需進(jìn)行各部件維修、調(diào)試和拆解。如何盡可能降低涉核從業(yè)人員所受到的輻射劑量一直是輻射防護(hù)領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。

基于安全性、經(jīng)濟(jì)性、合理性的考慮，在實(shí)施各項(xiàng)作業(yè)實(shí)踐之前，作業(yè)實(shí)踐方案的預(yù)先模擬演練和評(píng)估能有效提高作業(yè)的效率以及降低工作人員的輻射暴露劑量。但受限于現(xiàn)有核分析應(yīng)用軟件的功能，核輻射環(huán)境下的屏蔽、維修和退役等各種工作方案的制定與優(yōu)化，大多依靠專(zhuān)家或以往實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)，而無(wú)法進(jìn)行預(yù)先精確的定量分析與優(yōu)化，難以事先明確工作方案帶來(lái)的職業(yè)照射劑量情況，更難以為工作人員提供有效的培訓(xùn)演練。

仿真科學(xué)［1-2］將理論和實(shí)驗(yàn)研究連接起來(lái)，已被廣泛應(yīng)用于基于計(jì)算機(jī)模擬核與輻射環(huán)境下各類(lèi)應(yīng)用方案的設(shè)計(jì)、評(píng)估與優(yōu)化，且得到了廣泛和深入的研究和應(yīng)用，主要包括工作人員培訓(xùn)、劑量評(píng)估、維修方案的制定與仿真等方面。國(guó)外代表性核與輻射安全仿真平臺(tái)與軟件包括法國(guó)原子能委員會(huì)（CEA）發(fā)展的基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)框架和點(diǎn)核積分方法，支持情景設(shè)計(jì)、快速劑量計(jì)算，適用于核設(shè)施退役輻射評(píng)估的ALARA 分析工具NARVEOS 系統(tǒng)；比利時(shí)SCK·CEN 于1995年開(kāi)始發(fā)展了一款基于普通個(gè)人計(jì)算機(jī)的三維ALARA 計(jì)劃工具軟件VisiPlan［3］；巴西核工程研究所發(fā)展了基于虛擬現(xiàn)實(shí)引擎Unreal-Engine2 的面向核電站與核應(yīng)急的虛擬仿真系統(tǒng)［4-5］；日本OECD／NEA、JAEA 和Halden 反 應(yīng) 堆 工 程 中 心 共 同研發(fā)了一套人員劑量評(píng)估系統(tǒng)VRDose［6］；韓國(guó)慶熙大學(xué)先進(jìn)技術(shù)學(xué)院利用VRML 與JAVA Applet技術(shù)，開(kāi)發(fā)了一套核電站輻射劑量分布仿真系統(tǒng)［7］；日本日立能源與工業(yè)研究實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了一套面向核電站維修支持的輻射場(chǎng)計(jì)算與可視化系統(tǒng)VR-DOSE。國(guó)內(nèi)也有部分大學(xué)和研究所開(kāi)展了相關(guān)研究，包括上海交通大學(xué)核科學(xué)與工程學(xué)院仿真實(shí)驗(yàn)室針對(duì)核電廠(chǎng)仿真需求研發(fā)了一套核電廠(chǎng)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)［8］；哈爾濱工程大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院圍繞核設(shè)施退役需求開(kāi)展了虛擬仿真系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究［9］。綜合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀來(lái)看，基于虛擬現(xiàn)實(shí)、可視化等技術(shù)發(fā)展的核與輻射安全仿真相關(guān)軟件系統(tǒng)已得到深入研究，且已被廣泛應(yīng)用于輻射劑量評(píng)估和仿真領(lǐng)域。

本文在充分調(diào)研國(guó)內(nèi)外相似軟件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，依托中國(guó)科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所·FDS團(tuán)隊(duì)［10-14］多學(xué)科交叉優(yōu)勢(shì)和先進(jìn)的計(jì)算機(jī)軟硬件環(huán)境，基于數(shù)字反應(yīng)堆和輻射虛擬人兩類(lèi)創(chuàng)新技術(shù)，結(jié)合FDS團(tuán)隊(duì)基于真實(shí)人體切片數(shù)據(jù)構(gòu)建的中國(guó)成年高精度輻射虛擬人模型Rad-HUMAN［15］，發(fā)展一大型通用核與輻射安全仿真系統(tǒng)SuperMC／RVIS2.3，并以國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆ITER 極向場(chǎng)線(xiàn)圈PF4 檢修以及中國(guó)鉛基研究實(shí)驗(yàn)堆CLEAR-Ⅰ［16］散裂靶更換等過(guò)程仿真與劑量評(píng)估為例，驗(yàn)證其有效性和正確性。

1 系統(tǒng)架構(gòu)與主要功能

結(jié)合國(guó)內(nèi)外核與輻射安全仿真相關(guān)研究可發(fā)現(xiàn)，核與輻射安全仿真系統(tǒng)主要是以在計(jì)算機(jī)中模擬核輻射環(huán)境下的作業(yè)過(guò)程、降低工人所接受的輻射劑量及制定合理的工作計(jì)劃為主要目標(biāo)。其實(shí)現(xiàn)的主要內(nèi)容是基于虛擬環(huán)境實(shí)現(xiàn)對(duì)核輻射環(huán)境下各類(lèi)操作過(guò)程的模擬評(píng)估人員所受到的輻射劑量，一般包括拆裝過(guò)程仿真、輻射劑量場(chǎng)的計(jì)算及可視化、人員行走路徑的漫游仿真與實(shí)時(shí)劑量評(píng)估、行走路徑的優(yōu)化等。

在充分調(diào)研國(guó)內(nèi)外相似軟件系統(tǒng)和結(jié)合實(shí)際工程需求的基礎(chǔ)上，SuperMC／RVIS2.3 提出了其三大主要功能：1）復(fù)雜系統(tǒng)部件建模與虛擬裝配仿真；2）三維動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)場(chǎng)與模型疊加可視化分析；3）輻射環(huán)境下人員虛擬漫游與器官劑量評(píng)估。系統(tǒng)詳細(xì)功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

結(jié)合當(dāng)前先進(jìn)信息技術(shù)，SuperMC／RVIS2.3構(gòu)建了一套支持多種服務(wù)模式、基于組件技術(shù)的面向核與輻射安全集成仿真的層次化、模塊化系統(tǒng)架構(gòu)，滿(mǎn)足了在計(jì)算機(jī)中完成方案的交互設(shè)計(jì)、仿真和分析，人員劑量管理、虛擬培訓(xùn)等需求。SuperMC／RVIS2.3采用分層架構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)被劃分為資源層、核心層、服務(wù)層和應(yīng)用層4層，如圖2所示，上層的應(yīng)用均以下層為基礎(chǔ)，同時(shí)采用仿真組件技術(shù)封裝核心層各功能模塊的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

1）資源層：是指核與輻射安全仿真所需的各種軟硬件資源，包括計(jì)算、存儲(chǔ)、軟件、信息資源（如輻射劑量評(píng)估人體模型、劑量閾值等核信息等）、VR 外設(shè)等。其中軟件資源不僅包括三維CAD 商業(yè)設(shè)計(jì)軟件，還包括輻射輸運(yùn)數(shù)值模擬軟件（如MCNP、TORT 等）以及課題組獨(dú)立開(kāi)發(fā)的支持核與輻射安全集成仿真的各種計(jì)算軟件，如仿真場(chǎng)景維護(hù)、圖像實(shí)時(shí)渲染計(jì)算、碰撞檢測(cè)等仿真計(jì)算軟件資源。

圖1 SuperMC／RVIS2.3系統(tǒng)功能示意圖Fig.1 Functional models of SuperMC／RVIS2.3

圖2 SuperMC／RVIS2.3系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Framework of SuperMC／RVIS2.3

2）核心層：是指基于資源層提供的各類(lèi)軟硬件資源，基于仿真組件技術(shù)，實(shí)現(xiàn)核與輻射安全集成仿真中各獨(dú)立的所有核心功能模塊集合。核心層中的各核心功能模塊用于支撐服務(wù)層的完整服務(wù)流程實(shí)現(xiàn)，包括仿真場(chǎng)景維護(hù)、并行渲染、疊加可視化、虛擬操作仿真等，同時(shí)封裝實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，僅提供開(kāi)發(fā)仿真應(yīng)用的接口、規(guī)范和工具。

3）服務(wù)層：是指支持核與輻射安全集成仿真中所有具備對(duì)外提供完整服務(wù)流程的集合，包括方案交互設(shè)計(jì)服務(wù)、方案漫游仿真與實(shí)時(shí)器官劑量評(píng)估服務(wù)、數(shù)據(jù)可視分析服務(wù)等。

4）應(yīng)用層：是指通過(guò)對(duì)服務(wù)層的各種服務(wù)組合和調(diào)用，最終面向用戶(hù)具體應(yīng)用，響應(yīng)用戶(hù)交互、處理各種任務(wù)的終端環(huán)境，主要包括可視化界面客戶(hù)端、虛擬現(xiàn)實(shí)仿真環(huán)境和Web瀏覽器終端?？梢暬缑婵蛻?hù)端為用戶(hù)提供基于計(jì)算機(jī)的輻射環(huán)境下各類(lèi)應(yīng)用方案模擬、設(shè)計(jì)與優(yōu)化服務(wù)，Web瀏覽器終端為用戶(hù)提供應(yīng)用方案管理與查看的遠(yuǎn)程管理服務(wù)，虛擬現(xiàn)實(shí)仿真環(huán)境為用戶(hù)提供高沉浸感三維立體交互仿真體驗(yàn)，服務(wù)方案的虛擬操作培訓(xùn)。

SuperMC／RVIS2.3采用面向?qū)ο蟮拈_(kāi)源圖形圖像渲染引擎OGRE 作為圖形渲染開(kāi)發(fā)工具包，開(kāi)源可視化工具包VTK 作為可視化算法支撐庫(kù)，開(kāi)源圖形框架工具包QT 作為圖形界面開(kāi)發(fā)包，網(wǎng)絡(luò)引擎RakNet作為網(wǎng)絡(luò)通信工具包，在Visual Studio 2008系統(tǒng)上進(jìn)行開(kāi)發(fā)。虛擬現(xiàn)實(shí)仿真工作在中國(guó)科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所·FDS團(tuán)隊(duì)核與輻射安全綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)支持下開(kāi)展，其中虛擬現(xiàn)實(shí)仿真環(huán)境采用主動(dòng)立體投影機(jī)、先進(jìn)實(shí)時(shí)動(dòng)作追蹤系統(tǒng)ART、數(shù)據(jù)手套和數(shù)據(jù)頭盔等先進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)外設(shè)搭建，能提供高沉浸感的三維立體仿真環(huán)境和交互仿真體驗(yàn)，可用于操作培訓(xùn)、虛擬拆裝仿真等，其系統(tǒng)組成如圖3所示。

2 主要方法

2.1 建模與虛擬裝配仿真方法

為完成復(fù)雜仿真場(chǎng)景的構(gòu)建，SuperMC／RVIS2.3采用并發(fā)展了系列建模與虛擬裝配仿真方法，如實(shí)體模型格式與面片模型格式轉(zhuǎn)換算法、基于SuperMC／MCAM［17-21］的輻射輸運(yùn)自動(dòng)建模方法、基于并行技術(shù)的幾何模型快速分割方法、多細(xì)節(jié)層次（LOD）渲染方法、基于視景體裁剪和背面剔除技術(shù)的復(fù)雜仿真場(chǎng)景實(shí)時(shí)交互渲染方法等。

圖3 三維立體虛擬仿真平臺(tái)系統(tǒng)組成Fig.3 System components of 3Dstereoscopic virtual reality simulation platform

其中，針對(duì)OGRE僅支持其特有的MESH幾何模型格式，無(wú)法實(shí)現(xiàn)其他通用CAD 幾何模型格式的直接導(dǎo)入的現(xiàn)狀，SuperMC／RVIS2.3發(fā)展了一種通用CAD 模型格式STL與OGRE MESH 幾何模型格式的轉(zhuǎn)換方法。該方法首先基于VTK 實(shí)現(xiàn)了STL 模型所有三角面片頂點(diǎn)信息的讀取，然后利用頂點(diǎn)信息計(jì)算出各面片外法向量信息，最后通過(guò)OGRE自定義ManualObject實(shí)體對(duì)象依次加載頂點(diǎn)信息、法向量信息等，將該實(shí)體對(duì)象轉(zhuǎn)換為OGRE MESH 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了STL 與OGRE MESH 幾何模型格式的直接轉(zhuǎn)換。

另外，SuperMC／RVIS2.3 還提供對(duì)基于虛擬現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)備的復(fù)雜核設(shè)施系統(tǒng)部件的三維交互虛擬拆裝仿真功能，能實(shí)現(xiàn)部件裝配的碰撞檢測(cè)、裝配方案的評(píng)估與裝配路徑的優(yōu)化，從而達(dá)到從裝配的角度上驗(yàn)證核設(shè)施模型設(shè)計(jì)的合理性、評(píng)估裝配方案、培訓(xùn)裝配工人等目的。

2.2 面向中子學(xué)分析的數(shù)據(jù)可視化方法

為解決中子學(xué)分析過(guò)程中大規(guī)模時(shí)變數(shù)據(jù)場(chǎng)分析處理的難題，基于科學(xué)計(jì)算可視化技術(shù)，SuperMC／RVIS2.3發(fā)展了多種面向中子學(xué)分析的數(shù)據(jù)可視化方法，如面向輻射屏蔽可視化分析的工作流、輻射場(chǎng)的等值面和等值線(xiàn)可視化、沿指定曲線(xiàn)的物理數(shù)據(jù)變化可視化、基于模型的物理場(chǎng)數(shù)據(jù)裁減和極值提取、三維動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)場(chǎng)與模型的疊加可視化［22-24］等。

三維動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)場(chǎng)與模型的疊加可視化能將物理結(jié)果關(guān)聯(lián)到分析人員所熟悉的幾何模型上，進(jìn)而幫助用戶(hù)更加深刻透徹地理解計(jì)算結(jié)果，已被廣泛應(yīng)用于各類(lèi)科學(xué)計(jì)算結(jié)果的可視分析。該方法根據(jù)顏色映射將數(shù)據(jù)場(chǎng)處理成三維紋理，再根據(jù)幾何模型頂點(diǎn)相對(duì)于輻射場(chǎng)的位置確定其紋理坐標(biāo)，最后將紋理賦給模型，能實(shí)現(xiàn)模型各區(qū)域上輻射場(chǎng)分布情況的直觀(guān)顯示。另外，針對(duì)目前的輻射輸運(yùn)計(jì)算中不規(guī)則數(shù)據(jù)場(chǎng)，如圓柱坐標(biāo)系網(wǎng)格或非均勻笛卡爾坐標(biāo)系網(wǎng)格，研究并發(fā)展了基于圖像特征的數(shù)據(jù)規(guī)則化方法［25］和基于可編程GPU 的大規(guī)模非規(guī)則數(shù)據(jù)場(chǎng)和模型的疊加可視化方法［26］。其中基于可編程GPU 的大規(guī)模非規(guī)則數(shù)據(jù)場(chǎng)和模型疊加可視化方法利用可編程GPU 渲染管線(xiàn)的頂點(diǎn)著色器和片段著色器，首先對(duì)幾何模型每個(gè)片段的世界坐標(biāo)進(jìn)行平移、縮放、旋轉(zhuǎn)等變換，判斷該片段是否在數(shù)據(jù)場(chǎng)范圍之內(nèi)，準(zhǔn)確定位幾何模型的著色區(qū)域；再通過(guò)變換后的片段坐標(biāo)和預(yù)先建立的一維、二維查找表或輔助索引軸，可無(wú)需對(duì)數(shù)據(jù)場(chǎng)進(jìn)行規(guī)則化處理，直接對(duì)原始數(shù)據(jù)場(chǎng)進(jìn)行查詢(xún)，確定每個(gè)片段的顏色，從而實(shí)現(xiàn)幾何模型的表面繪制。

2.3 虛擬漫游與器官劑量評(píng)估方法

為精確評(píng)估人體各器官在輻射場(chǎng)中的輻射劑量，SuperMC／RVIS2.3 能實(shí)現(xiàn)模擬輻射環(huán)境下各類(lèi)方案的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，發(fā)展了多人協(xié)同異地仿真方法、基于器官最小包圍盒策略的輻射劑量評(píng)估方法［27］和基于體素人體模型的精確人體輻射劑量評(píng)估方法［28］、基于多目標(biāo)算法的路徑自動(dòng)優(yōu)化方法［29］等。

其中，SuperMC／RVIS2.3 選 用FDS 團(tuán) 隊(duì)自主發(fā)展的中國(guó)成年高精度輻射虛擬人模型Rad-HUMAN 作為人體輻射劑量評(píng)估模型，發(fā)展的基于人體體素模型的精確人體輻射劑量評(píng)估方法，能實(shí)現(xiàn)器官級(jí)輻射劑量評(píng)估。該方法基于通量劑量轉(zhuǎn)換因子方法，首先遍歷所有體素實(shí)現(xiàn)同器官體素的合并，然后提取計(jì)算體素所在位置的通量計(jì)算器官的當(dāng)量劑量，最后計(jì)算得到人體的有效劑量。

3 應(yīng)用

為驗(yàn)證SuperMC／RVIS2.3系統(tǒng)的有效性和正確性，開(kāi)展了大量的測(cè)試與驗(yàn)證工作。本文以國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆ITER 極向場(chǎng)線(xiàn)圈PF4檢修以及中國(guó)鉛基研究實(shí)驗(yàn)堆CLEAR-Ⅰ散裂靶更換等過(guò)程仿真與劑量評(píng)估為例介紹SuperMC／RVIS2.3的應(yīng)用情況。

3.1 在國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆ITER上的應(yīng)用

國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆ITER 計(jì)劃是迄今為止國(guó)際最大的熱核聚變項(xiàng)目，由歐盟、中國(guó)、印度、韓國(guó)、日本、美國(guó)、俄羅斯等7個(gè)國(guó)際單位參與。ITER 各部件的可維護(hù)性關(guān)系著ITER 的實(shí)用性效果，是ITER 設(shè)計(jì)需求中重點(diǎn)分析的問(wèn)題之一。ITER 極向場(chǎng)線(xiàn)圈（PF Coils）是由NbTi超導(dǎo)材料組成的雙層纏繞線(xiàn)圈，主要用于為等離子體平衡提供合適的磁場(chǎng)位形，同時(shí)控制等離子的位置和大小。為保障ITER 運(yùn)行過(guò)程中磁場(chǎng)位形的穩(wěn)定，在ITER 運(yùn)行過(guò)程中，需要ITER 停堆進(jìn)行極向場(chǎng)線(xiàn)圈雙絞線(xiàn)接頭斷開(kāi)的人工檢測(cè)和維修［30］。

在國(guó)際合作框架協(xié)議的支持下，F(xiàn)DS團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆ITER 極向場(chǎng)線(xiàn)圈PF4的維修劑量評(píng)估與過(guò)程仿真工作，用于指導(dǎo)ITER PF4部件維修方案的制定，確保維修過(guò)程中工作人員輻射劑量符合ITER 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?；诤伺c輻射安全仿真系統(tǒng)SuperMC／RVIS2.3和FDS團(tuán)隊(duì)的集成虛擬現(xiàn)實(shí)仿真環(huán)境完成了ITER PF4部件維修的全過(guò)程仿真，包括仿真場(chǎng)景建模、維修過(guò)程虛擬漫游仿真、工作人員輻射劑量實(shí)時(shí)評(píng)估、輻射場(chǎng)分布可視分析。

根據(jù)ITER 設(shè)計(jì)需求，假設(shè)ITER 根據(jù)SA2方案運(yùn)行，停堆冷卻7天后，需2位工作人員從低溫室頂蓋進(jìn)入低溫室檢修PF4 線(xiàn)圈雙絞線(xiàn)接頭，維修方案路徑如表1所列。輻射劑量場(chǎng)分布采用ITER 國(guó)際組織提供的計(jì)算結(jié)果［31］，基于SuperMC／RVIS2.3完成了該結(jié)果與模型的疊加可視化分析，如圖4所示。在檢修過(guò)程中，需分析停堆后輻射場(chǎng)的分布情況、評(píng)估檢修工作人員所受到的輻射劑量。

表1 ITER 極向場(chǎng)線(xiàn)圈PF4雙絞線(xiàn)接頭斷開(kāi)檢修任務(wù)步驟Table 1 Step by step description of ITER PF4coil double pancake maintenance

圖4 ITER 停堆7天后光子通量場(chǎng)與模型疊加可視化分析（能群：0.1～1keV）Fig.4 Mixed visualization of photon flux field and geometry after 7dfrom ITER shutdown（Energy：0.1-1keV）

在裝配有Intel Core i5-2400 3.10GHz的CPU、4GB 內(nèi)存、NVIDIA GeForce GT420顯卡、Windows 7 64 位 操 作 系 統(tǒng) 的PC 機(jī) 上，SuperMC／RVIS2.3實(shí)現(xiàn)了PF4維修過(guò)程虛擬漫游仿真與器官劑量評(píng)估（圖5），并依托中國(guó)科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所·FDS 團(tuán)隊(duì)的先進(jìn)反應(yīng)堆設(shè)計(jì)和安全仿真實(shí)驗(yàn)室，基于Super-MC／RVIS2.3完成了ITER PF4 維修虛擬現(xiàn)實(shí)仿真環(huán)境（圖6）的建立。

通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)，該維修任務(wù)人員接受的最大光子劑量率為304.4μSv／h，發(fā)生在人員沿樓梯抵達(dá)ITER PF4區(qū)域的過(guò)程中，累積劑量為2.19mSv。根據(jù)ITER 的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［32］，人工維修過(guò)程中劑量率不得超過(guò)100μSv／h，年均所有維修任務(wù)的累積劑量為500 mSv，可發(fā)現(xiàn)從該維修任務(wù)的最大劑量率限值的角度來(lái)看，針對(duì)該維修任務(wù)需引入臨時(shí)屏蔽或推遲人員進(jìn)入時(shí)刻點(diǎn)來(lái)降低維修工人所受到的輻射劑量，其中推遲人員進(jìn)入時(shí)刻需開(kāi)展進(jìn)一步分析計(jì)算。

圖5 檢修工作人員虛擬漫游仿真與器官劑量評(píng)估Fig.5 Virtual roaming simulation and organic dose assessment of workers

圖6 ITER PF4維修過(guò)程虛擬培訓(xùn)仿真示意圖Fig.6 Virtual reality-based simulation of ITER PF4maintenance

3.2 在中國(guó)鉛基研究實(shí)驗(yàn)堆CLEAR-Ⅰ上的應(yīng)用

中國(guó)鉛基研究實(shí)驗(yàn)堆CLEAR-Ⅰ（熱功率10 MW）是中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)“未來(lái)先進(jìn)核裂變能——ADS嬗變系統(tǒng)”中次臨界反應(yīng)堆的第1階段研究目標(biāo)，主要研究?jī)?nèi)容包括鉛鉍冷卻反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)及安全分析，專(zhuān)用軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)的開(kāi)發(fā)，液態(tài)鉛鉍合金綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)、建造與運(yùn)行技術(shù)。散裂靶是連接加速器和次臨界堆的關(guān)鍵部件，接受高能質(zhì)子轟擊，發(fā)生散裂反應(yīng)產(chǎn)生中子，為次臨界堆提供中子源。CLEAR-Ⅰ靶的更換過(guò)程中，除遙操設(shè)備外，還需必要的人工干預(yù)活動(dòng)，且人工參與過(guò)程中的受照劑量必須在CLEAR-Ⅰ設(shè)計(jì)規(guī)定的劑量限值以下，同時(shí)必須保證維修工人受照劑量滿(mǎn)足ALARA 原則。

根據(jù)維修方案，工人必須進(jìn)入堆頂包容小室內(nèi)，完成散裂靶更換前小室內(nèi)遙操設(shè)備滑軌、臨時(shí)屏蔽等基礎(chǔ)設(shè)施的搭建以及散裂靶更換完成后相關(guān)設(shè)施的拆除工作。為了評(píng)估維修過(guò)程中工作人員的受照情況，本文基于“兩步法”對(duì)質(zhì)子管維修過(guò)程中堆頂包容小室內(nèi)光子通量場(chǎng)分布進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算流程及軟件如圖7所示?；谟?jì)算模型和計(jì)算的輻射場(chǎng)數(shù)據(jù)，SuperMC／RVIS2.3完成了輻射仿真場(chǎng)景構(gòu)建，并實(shí)現(xiàn)了三維輻射場(chǎng)和場(chǎng)景模型的疊加可視化，可用于通過(guò)規(guī)避高劑量區(qū)域指導(dǎo)維修路徑的設(shè)計(jì)。此外，基于SuperMC／RVIS2.3 能實(shí)現(xiàn)不同劑量的實(shí)時(shí)評(píng)估，包括器官當(dāng)量劑量率的實(shí)時(shí)評(píng)估、有效劑量率的實(shí)時(shí)評(píng)估、累積劑量的實(shí)時(shí)評(píng)估，如圖8所示。

圖7 停堆光子通量場(chǎng)計(jì)算Fig.7 Calculation method and codes

圖8 靶窗更換過(guò)程虛擬漫游仿真與器官劑量實(shí)時(shí)評(píng)估Fig.8 Virtual roaming and organic dose assessment during change of spallation target

4 結(jié)論

本文在分析國(guó)內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，基于輻射虛擬人和數(shù)字反應(yīng)堆兩類(lèi)技術(shù)，發(fā)展了核與輻射安全仿真系統(tǒng)SuperMC／RVIS2.3，具有復(fù)雜系統(tǒng)部件建模與虛擬裝配仿真、三維動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)場(chǎng)與模型的疊加可視化分析、核輻射環(huán)境下人員虛擬漫游仿真和器官劑量評(píng)估等功能。以國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆ITER 極向場(chǎng)線(xiàn)圈PF4檢修以及中國(guó)鉛基研究堆CLEAR-Ⅰ散裂靶更換等過(guò)程仿真與劑量評(píng)估為代表的應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)可模擬核輻射環(huán)境中多種應(yīng)用方案的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，特別是核電站安全評(píng)估、維修與事故應(yīng)急的決策支持等，具有廣闊的應(yīng)用前景。

系統(tǒng)下一步將應(yīng)用最新的逆向建模技術(shù)，如激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)逆向建模和地圖、圖像識(shí)別技術(shù)逆向建模等，解決處于核電廠(chǎng)基礎(chǔ)之外的環(huán)境的CAD 模型來(lái)源以及建設(shè)年代久遠(yuǎn)、中途翻修過(guò)的核電廠(chǎng)設(shè)施仿真場(chǎng)景幾何模型來(lái)源等問(wèn)題；同時(shí)還可考慮針對(duì)計(jì)算和仿真的統(tǒng)一模型描述規(guī)則進(jìn)行研究，解決數(shù)據(jù)類(lèi)型繁多帶來(lái)的數(shù)據(jù)解析和數(shù)據(jù)重用率低等問(wèn)題。

本文工作中ITER PF4維修任務(wù)的制定得到 了ITER 職 員Michael Loughlin 博 士 和John Oldfield博士的指導(dǎo)，同時(shí)感謝中國(guó)科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所·FDS 團(tuán)隊(duì)其他成員對(duì)本文工作的支持和幫助。

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