趙飛云++葉成+姚彥貴

摘要： 針對我國構建核電強國的戰(zhàn)略，為建設先進的核電研發(fā)體系，梳理三代核電技術引進過程中自主化軟件的研發(fā)，剖析自主化軟件的布局和發(fā)展策略，并結合我國核電發(fā)展現(xiàn)狀提出發(fā)展自主化軟件的方法和建議.

關鍵詞：

自主化軟件； 核電技術； 研發(fā)體系； 方法； 建議

中圖分類號： TM623.4文獻標志碼： B

0引言

為加快推進核電技術的發(fā)展與創(chuàng)新，我國決定引進具有世界先進水平的AP1000三代核電技術，并通過建設三門和海陽2個依托項目，組織對關鍵技術的消化、吸收、攻關和研發(fā)，走出一條消化—吸收—再創(chuàng)新的核電自主發(fā)展的新道路.自2004年國務院啟動三代核電技術引進工作以來，我國核電在研發(fā)設計、設備制造、試驗驗證以及其他硬件等方面迅速發(fā)展，大設計、大臺架和大裝備的實現(xiàn)正逐步縮小與國際先進核電技術的差距.特別是2006年發(fā)布的《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要》將大型先進壓水堆和高溫氣冷堆核電站確定為16個重大科技專項之一，從此我國核電進入跨越式發(fā)展的新階段.

消化—吸收—再創(chuàng)新發(fā)展模式的根本目標是形成具有自主知識產(chǎn)權的核電技術及品牌，而實現(xiàn)核電技術自主化的關鍵是設計自主化，包括設計能力、設計手段和設計工具的自主化.相比硬件自主化水平的提升，我國核電軟件自主化水平發(fā)展相對比較薄弱，同時，由于核電信息化程度和管理效率方面的落后使得自主化軟件發(fā)展遠落后于核電發(fā)達國家.核電軟件自主化發(fā)展滯后，嚴重影響國內(nèi)核電行業(yè)的核心競爭力和核電研發(fā)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展能力.因此，大力推動自主化軟件的發(fā)展對核電先進研發(fā)體系建設和核電技術自主創(chuàng)新發(fā)展都具有重要意義.

1核電自主化軟件的發(fā)展現(xiàn)狀

軟件是隨著計算機技術的迅速發(fā)展而逐漸形成的.在60多年的世界核電技術發(fā)展過程中，西方國家將其與計算機技術的發(fā)展相結合，形成多種計算機輔助設計專用軟件.著名商用有限元軟件ANSYS最早就是在美國西屋公司計算機部門的幾名員工開發(fā)的專用電廠分析軟件的基礎上逐步發(fā)展起來的.

我國計算機產(chǎn)業(yè)起步較晚，大規(guī)模的發(fā)展和普及是在新世紀以后.我國核電的早期發(fā)展主要建立在手算和試驗驗證的基礎上.例如，秦山一期核電廠建設過程中，上海核工程研究院完成400多項針對設備的試驗以支撐工程設計試驗.20世紀90年代起，隨著我國計算機產(chǎn)業(yè)的崛起，核電設計中開始采用大量的軟件輔助設計.隨著第三代核電技術的引進，核電輔助設計軟件也越來越廣泛.歸納我國第三代核電研發(fā)軟件的來源大致可以分為4類.

1）通用商業(yè)軟件.通用商業(yè)軟件是計算機輔助工程發(fā)展的必然結果.這類軟件不限于核電產(chǎn)業(yè)，需求量大且更新?lián)Q代速度快，有強大的社會需求和市場競爭力，可極大地提高工業(yè)設計效率.如數(shù)學計算軟件Mathcad和Mathematics等.

2）專用商業(yè)軟件.這類軟件具有專業(yè)共性特點，一般經(jīng)歷從專用程序向通用程序的轉(zhuǎn)化過程，市場競爭相對較強，是一段時期內(nèi)技術發(fā)展最新成果的集中體現(xiàn).如CAD軟件Inventor和CAE軟件ANSYS等.

3）技術轉(zhuǎn)讓軟件.技術轉(zhuǎn)讓軟件是跨國公司技術獨享成果的集中體現(xiàn).例如，西屋公司等核電巨頭在50多年多個堆型的核電設計中，將積累的經(jīng)驗通過轉(zhuǎn)化成程序的方法進行固化.早期這些程序都是公司的技術秘密，在技術轉(zhuǎn)讓過程中都以高額的價格賣出，如堆內(nèi)壓降THRIVE程序，蒸汽發(fā)生器二次側三維兩相流場ATHOS程序和安全殼分析WGOTHIC程序等.

4）自主開發(fā)軟件.這類軟件在核電研發(fā)中占比較低，主要是因為我國核電規(guī)?；ㄔO一直沒有成型，體現(xiàn)不出專用程序開發(fā)的價值，僅在秦山自主設計過程中，形成零星的幾個程序，如Pipe728程序等.

從上面的梳理不難看出，核電技術的發(fā)展過程需要多種軟件的支撐，但這些軟件的價值卻有所不同：通用商業(yè)軟件和專用商業(yè)軟件可以通過市場采購，技術轉(zhuǎn)讓軟件可以通過買斷技術獲得，但自主開發(fā)軟件卻需要長期堅持研究和經(jīng)驗積累才能具備.核電自主軟件依然是我國核電先進研發(fā)體系建設的薄弱環(huán)節(jié).如何加強和加快適合我國核電技術需要的具有自主知識產(chǎn)權的軟件研發(fā)，以推動核電技術的可持續(xù)發(fā)展，已成為擺在核電研發(fā)企業(yè)面前的重要任務.

2自主化軟件在核電先進研發(fā)體系中的作用

自主化軟件對核電先進研發(fā)體系的支撐作用，主要體現(xiàn)在以下幾個方面.

1）軟件是技術傳承的重要載體.

核電專用軟件集成研發(fā)過程中得到的數(shù)據(jù)、經(jīng)驗和成果，具有傳承性，可以讓后人少走前人走過的彎路.專用軟件可以極大地提高系列產(chǎn)品的研發(fā)進程，有效地節(jié)約產(chǎn)品開發(fā)成本，減少試驗驗證工作量.

例如，在CAP1400核電廠研發(fā)過程中，開展蒸汽發(fā)生器一次側流阻試驗和反應堆水力模型試驗等，獲得一回路主設備局部流阻系數(shù).在此基礎上開發(fā)一維計算軟件，可專門用于計算一回路壓降，該軟件計算結果可由電廠實際測量數(shù)據(jù)驗證或修正，提高程序的準確性.此后，堆型研發(fā)中的類似試驗工作由此計算程序分析代替，可大大提高研發(fā)效率和工程可靠性，見圖1.

軟件是企業(yè)核心競爭力的重要體現(xiàn).在核電站堆型設計中，必定要開發(fā)大型設備，如果將整個設計流程規(guī)范化形成程序，將成熟的設計分析方法通過程序進行固化，會形成一大批設備設計、系統(tǒng)設計以及儀器控制設計的標準程序.這些程序代表最先進的設計理念、最核心的競爭力，人員可以流動、可以新老更替，但這些程序標準的固化能有效保證設計能力的持續(xù)提升.此外，通過軟件自主化發(fā)展能夠形成軟件品牌，對提升企業(yè)經(jīng)濟效益和推進技術發(fā)展都有舉足輕重的作用.

2）軟件是設計研發(fā)規(guī)范化的重要組成部分.

核電先進研發(fā)體系的重要標志之一就是通過規(guī)范化的運作實現(xiàn)研發(fā)的規(guī)范化.與傳統(tǒng)的設計方法不同，核電要想實現(xiàn)規(guī)?；l(fā)展，就必須建立持續(xù)的經(jīng)驗反饋機制，通過標準化設計過程，形成一套能應用于所有類似項目的規(guī)范化解決方案.這種固化設計流程的工作，通過軟件實現(xiàn)是切實可行的.為形成具有自主知識產(chǎn)權的CAP1400核電廠，在整個研發(fā)過程要注意設計流程、設計方法和設計思想的規(guī)范化、標準化和程序化.一個好的工程師不是把所有的經(jīng)驗和知識裝在自己腦子里，而是能夠形成一個可以共享的資源，形成具有規(guī)范化和標準化的程序或方法.這也是提高整個團隊設計能力的重要途徑.

3）軟件是提高設計效率重要手段.

核電不僅需要考慮安全性，還需要考慮經(jīng)濟性.自主開發(fā)軟件的應用可以大大提高設計效率，壓縮設計成本，從而降低電廠的建造成本，提高經(jīng)濟性.因此，具有國際發(fā)展戰(zhàn)略的核電設計機構都應該加強自主軟件的開發(fā)，從而在激烈的市場競爭中脫穎而出.

3自主化軟件的發(fā)展措施和建議

西屋公司在第三代核電技術研發(fā)過程中形成大量自主化程序，這些程序的來源基本分為2個部分.一部分是通過對試驗數(shù)據(jù)的總結形成分析軟件，如非能動安全殼分析程序WGOTHIC，其程序中實現(xiàn)控制容積、流道和固體構件的模型都是西屋1991年購買的GOTHIC中的基本模型.西屋公司通過對GOTHIC的改進，增加流傳熱傳質(zhì)關系式、液膜分布模型、一維壁面導熱模型和壁面間的輻射傳熱模型，模擬PCS系統(tǒng)的熱導出能力.經(jīng)過大量試驗驗證，包括與基本算例的比較和與試驗結果的對比，西屋在GOTHIC基礎上開發(fā)形成WGOTHIC程序，并得到認可.另一部分是西屋通過與專門的軟件公司合作開發(fā)的專業(yè)軟件，如蒸汽發(fā)生器二次側熱工水力分析程序ATHOS最早是美國電力研究院出資由CFD軟件公司CHAM開發(fā)，后來西屋公司引進后進行改進，使軟件的功能更加完善.同時，西屋公司借助外協(xié)CFD公司的力量開發(fā)大量的分析軟件.可以看出，在軟件自主化過程中，除由核電工程師總結開發(fā)外，與專業(yè)軟件公司合作更重要.專業(yè)公司可針對核電領域的問題開發(fā)專用程序，并通過驗證和修正形成專用軟件.

我國從20世紀70年代開發(fā)第一座核電廠開始，核電研發(fā)設計已經(jīng)走過了40多年.[9]雖然老一代核電人建立起具有自主知識產(chǎn)權的秦山核電站，基本掌握核電設計技術，但是由于各種條件制約，這一過程中所創(chuàng)建的自主化軟件一直可謂是鳳毛麟角.在當前新一波核電建設與研發(fā)浪潮中，每個核電技術設計人員、領導層和決策層均應抓住機會，重視和關注設計方法、設計思路和設計手段的程序化與規(guī)范化，努力實現(xiàn)自主化軟件的發(fā)展.

因此，加強自主軟件開發(fā)，特別是三代核電技術自主軟件開發(fā)，提升核電設計軟實力，進一步完善核電研發(fā)設計體系，顯得尤為重要.自主軟件發(fā)展總體思路如下.

1）推動我國三代核電軟件自主化發(fā)展必須堅持自主創(chuàng)新，在自主創(chuàng)新的基礎上加強國際合作與競爭，實現(xiàn)更高層次的自主創(chuàng)新.國家在軟件領域的競爭優(yōu)勢，不可能產(chǎn)生于要素稟賦依賴的比較優(yōu)勢，更不可能從對國外技術的引進和模仿、跟蹤中獲得，而是來自關鍵核心技術的獲取和突破.國際合作和競爭要以自主創(chuàng)新為前提，不斷增強自主創(chuàng)新能力.努力加快完善軟件技術創(chuàng)新體制，推動科研機構、高等院校與企業(yè)建立產(chǎn)學研互動創(chuàng)新的體制，開發(fā)面向產(chǎn)業(yè)化、市場化的項目，支持以企業(yè)為核心的產(chǎn)學研聯(lián)合，充分發(fā)揮各方優(yōu)勢，實現(xiàn)集成互動創(chuàng)新.

2）推動軟件體系的更新?lián)Q代、二次開發(fā)與系統(tǒng)集成.根據(jù)工程設計研發(fā)需求及最新研究成果，提出核電專業(yè)軟件研制或改進開發(fā)的需求，并組織國內(nèi)外科研院所、研發(fā)中心、高校、軟件開發(fā)機構等單位完成軟件設計、模型開發(fā)、試驗研究、軟件編程以及軟件測試和認證（包括軟件二次開發(fā)與系統(tǒng)集成）等工作，實現(xiàn)核心軟件的自主開發(fā)與持續(xù)改進，逐步實現(xiàn)以引進實施為主到自主實施為主的轉(zhuǎn)變，進而開發(fā)出自主知識產(chǎn)權的系統(tǒng)功能完善的核電專用軟件.

具體開發(fā)措施如下.

1）充分消化吸收已引進的成熟軟件，結合國內(nèi)設計環(huán)境和特點開發(fā)自主知識產(chǎn)權專用軟件.這類自主化軟件從功能和適用范圍上可優(yōu)于原有程序，其實現(xiàn)方法具有快捷性和針對性.如蒸汽發(fā)生器熱工水力軟件ATHOS的開發(fā)[11]：首先對ATHOS軟件進行消化吸收，認識ATHOS是采用多孔介質(zhì)引入分布阻力對二次側管束區(qū)進行模擬；然后，充分調(diào)研國內(nèi)開展多孔介質(zhì)研究的高?；蜓芯繖C構在此領域已有的理論基礎，將分析管束區(qū)的流動和換熱情況等成熟技術與核電工程相結合；最后，開發(fā)用于蒸汽發(fā)生器二次側管束流場分析的專用軟件，形成可替代ATHOS的自主知識產(chǎn)權專用軟件.國際上已形成的類似軟件見表1.

2）對國內(nèi)已有的專業(yè)軟件進行驗證和功能擴展，形成軟件品牌.如引進于西屋公司的GENF程序?qū)ｉT用于蒸汽發(fā)生器一維穩(wěn)態(tài)熱工水力計算，是蒸汽發(fā)生器設計的關鍵程序.國內(nèi)也有類似的程序，早在進行300 MW核電廠蒸汽發(fā)生器設計中，上海核工程研究院曾與國內(nèi)某高校合作開發(fā)類似功能的程序.由于該程序開發(fā)基于當時的設備規(guī)模結構，隨著蒸汽發(fā)生器傳熱管數(shù)量的增多，目前已不適用于AP1000或CAP1400等設備的設計.因此，可以結合國內(nèi)專業(yè)軟件公司或高校的力量，通過資源共享的合作方式，進一步對已有程序的限制參數(shù)和適用范圍進行改進和完善，快速形成有效的自主化軟件.

3）結合重大專項研究，對試驗數(shù)據(jù)進行總結處理形成可連續(xù)開發(fā)的工具和軟件.試驗既費時又費力，一項大型試驗要花費大量資金和時間投入，如高溫高壓回路中開展的蒸汽發(fā)生器傳熱管流阻試驗（見圖2），蒸汽發(fā)生器縮比模型試驗獲得進出口管嘴流阻系數(shù)試驗（見圖3）.試驗花費大量人力物力，所以應充分利用試驗結果.科研單位不能僅僅停留在證明自己設計的東西好用就行，將試驗臺架、數(shù)據(jù)丟棄不用，下次研發(fā)再重復建設，缺乏長遠目光、缺少長久規(guī)劃.應對一次成功大型試驗形成的珍貴數(shù)據(jù)充分分析利用，總結尋找規(guī)律性，形成程序，以替代類似試驗.

4結束語

過去，我們對于知識和經(jīng)驗傳承不夠重視，知識相傳還停留在口手相傳，過多依賴人為因素，沒有形成可持續(xù)發(fā)展的軟件開發(fā)能力.這一不足導致大量試驗臺架廢棄，珍貴的試驗數(shù)據(jù)得不到充分利用.試想，如果能夠把秦山一期等電廠設計中一些關鍵的設計分析方法、設計流程程序化后形成自主化程序.這些經(jīng)過電廠試驗和運行數(shù)據(jù)驗證的自主化程序在重大專項研發(fā)中可以大展拳腳，可以少做大量試驗，少走很多彎路，節(jié)約大量研發(fā)經(jīng)費和設計時間.

總之，作為核電先進研發(fā)體系建設的重要內(nèi)容，自主化軟件的發(fā)展不僅有利于提升企業(yè)的設計水平和核心競爭力，培養(yǎng)一批高水平的研發(fā)設計隊伍，同時也有利于提升核電廠數(shù)字化的設計水平，為我國核電技術的連續(xù)性和可持續(xù)發(fā)展提供支撐和保障.

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（編輯武曉英）