曹 歡,楊子輝,俞盛朋,霍前超,王海霞,王 芳

1(安徽大學 物質科學與信息技術研究院,合肥 230601)

2(中國科學院 核能安全技術研究所 中子輸運理論與輻射安全重點實驗室,合肥 230031)

1 引言

國際熱核聚變實驗堆(ITER)是目前全球規(guī)模最大的核聚變反應實驗系統(tǒng),氚作為聚變系統(tǒng)中不可或缺的燃料,在自然界中含量極少,需要通過聚變核反應實現自持.ITER 氚工廠負責在氚自持循環(huán)過程中精細、高效、安全處理氚,包括氚提取、氚燃料純化分離、氚貯存等子系統(tǒng).氚的主要形式為氣態(tài)氚和氚水,均具有放射性,對人體的內輻照危害極大,且具有極強的擴散能力和滲透性[1],能夠溶解于結構中造成材料性能衰變.由于運行條件的復雜性和氚的特殊物理屬性,使用常規(guī)的工程手段難以達到氚擴散過程的三維可視化分析要求.

目前,國內外對于氚泄露擴散研究較少,研究方法多停留于二維數值模擬階段.南華大學采用數值模擬方法對實驗包層中氚提取系統(tǒng)事故性氚釋放過程進行模擬研究[2]；解放軍第二炮兵工程大學通過CFD 方法研究了氚在密閉空間的濃度分布規(guī)律和通風對氚濃度的影響[3,4]；西班牙馬德里理工大學核聚變研究所基于計算流體力學理論研究了蒸汽發(fā)生器發(fā)生泄漏后氚的擴散機理,實現了氚泄漏擴散的多尺度分析[5].現有研究成果以氚擴散濃度分布云圖與變化曲線圖為主,是一種基于動態(tài)過程的靜態(tài)分析結果,難以達到三維實時動態(tài)可視化分析要求,所構建的三維工程幾何模型,不能真實直觀得展現氚系統(tǒng)和氚擴散場景.因此數值模擬方法在三維實時動態(tài)虛擬仿真方面存在一定的局限性.

隨著虛擬現實技術的快速發(fā)展,虛擬仿真已在核領域研究中得到有效的應用.韓國原子能研究所的K Jeong 等人以Unity3D 為虛擬仿真平臺,MCNP 為輻射劑量計算工具,對反應堆水池內的輻射劑量進行計算與可視化[6]；中科院核能安全技術研究所基于數字反應堆和輻射虛擬人技術,開展了核與輻射安全仿真系統(tǒng)研發(fā)與應用研究[7,8].

中國科學院核能安全技術研究所·FDS 鳳麟核能團隊圍繞反應堆事故診斷、放射性核素環(huán)境影響、核應急與公共安全等迫切需求,依托中子輸運設計與安全評價軟件系統(tǒng)SuperMC[9,10]、可靠性與概率安全分析軟件系統(tǒng)RiskA[11]、核安全云NCloud 等核心基礎,建成了核應急綜合仿真平臺與數字社會環(huán)境下的虛擬核電站Virtual4DS[12].

為實現聚變反應堆中實時可視化分析氚擴散機制,本文在Virtual4DS 平臺框架下,開展氚擴散虛擬仿真系統(tǒng)原型研發(fā)及應用研究工作.基于三維圖形引擎Unity3D,利用粒子系統(tǒng)與人機交互技術,研發(fā)了氚擴散虛擬仿真原型系統(tǒng).該原型系統(tǒng)能夠實現工作人員在高逼真度的虛擬環(huán)境下直接與氚系統(tǒng)進行交互,有助于研究氚系統(tǒng)中氚發(fā)生泄露時的動態(tài)擴散過程與擴散機理,為制定氚泄露時人員防護方案提供依據,模擬分析的結果能夠輔助氚工廠中氚安全包容系統(tǒng)的優(yōu)化設計.

2 系統(tǒng)總體結構設計

氚擴散虛擬仿真系統(tǒng)包括虛擬漫游、粒子系統(tǒng)與事故模擬三個結構模塊,具體設計架構如圖1.虛擬漫游模塊能夠使用戶以第一、第三視角在虛擬場景中漫游,且具有貼合實際的物理碰撞效果；粒子系統(tǒng)模塊用于實現氚擴散的動態(tài)模擬與濃度分布顯示；事故模擬模塊用于氚濃度值實時查詢與模擬過程的實時控制.

圖1 系統(tǒng)結構設計架構圖

3 關鍵方法

使用Unity3D 作為虛擬仿真平臺進行氚泄漏擴散模擬,在仿真過程中,需要以氚系統(tǒng)中相關氚工藝設備的模型結構與工程參數為參考.具體技術路線如圖2.

圖2 氚擴散虛擬仿真技術路線圖

3.1 氚系統(tǒng)安全分析

采用預先危險性分析(PHA)方法進行氚系統(tǒng)安全分析,以確定事故仿真對象.PHA 是一種定性分析評價系統(tǒng)內危險因素與危險程度的方法,分析內容包括系統(tǒng)潛在的危險因素類型、事故發(fā)生條件、事故后果等[13].氚系統(tǒng)安全分析流程如圖3.

圖3 氚系統(tǒng)PHA 分析流程

3.2 虛擬場景搭建

為搭建具有較強真實感的三維虛擬場景,在CATIA 中依據相關結構尺寸,建立符合實際的氚系統(tǒng)三維幾何模型,并導入3ds Max 中,進行模型的材質、貼圖效果渲染,最后在Unity3D 中完成三維虛擬場景的搭建.為提高氚擴散效果的逼真性和模型的辨識性,在三維場景中添加組件名稱、燈光與攝像機.

3.3 粒子系統(tǒng)設計

在聚變堆氚系統(tǒng)中,氚的存在形式為氣態(tài)HT,是一種不規(guī)則動態(tài)物體.目前模擬動態(tài)不規(guī)則物體最有效的一種方法是粒子系統(tǒng)圖形生成算法.

粒子系統(tǒng)的基本思想是將物體看作大量帶有不同屬性的粒子集合,包括外觀屬性(形狀、大小、透明度、顏色)、運動屬性(位置、速度) 與生存屬性(數量、生命值),粒子屬性依據物體本身的運動狀態(tài)和物理要素,隨時間不斷變化[14].

本文通過粒子系統(tǒng)方法進行氚擴散機制研究,由氚粒子運動體現氚擴散過程,應用粒子系統(tǒng)模擬氚擴散的方法流程如圖4.

圖4 粒子系統(tǒng)模擬氚擴散方法流程圖

3.3.1 粒子動力學分析

粒子產生的初始位置位于氚泄漏口處,泄漏時的速度和流量大小與事故工況參數有關,初始泄漏速度的計算公式[15]為

式中,v為泄漏速度(m/s),p1為容器內介質壓力(Pa),p2為環(huán)境壓力(Pa),R為氣體常數,取8.314,T為容器內介質溫度(K)；k為絕熱指數,C0為孔流系數,取1.

則初始泄漏質量流量的計算公式為：

式中,Q為質量流量(kg/s),ρ為泄漏點氚密度(kg/m3),A為泄漏孔面積(m2).

氚擴散過程中伴隨著濃度變化,為了分析氚泄漏釋放的危害性,通過放射性活度與質量的關系式[16]將質量流量單位進行轉化：

式中,B為放射性核素活度(Bq),m為放射性核素質量(kg),M為摩爾質量,T1/2為放射性核素的半衰期,K取1.3236×1016,轉化后的單位為Bq/s.

考慮到氚系統(tǒng)的復雜性與氚的特殊物理屬性,本文在分析氚粒子運動過程中,有以下假設：

1)氚視為一種不可壓縮且無粘性特征的理想流體；

2) 氚在整個擴散過程不與任何物質發(fā)生化學反應,氚本身狀態(tài)不發(fā)生變化.

當氚發(fā)生泄漏時,通排風系統(tǒng)會及時響應,氚由于密度小而產生浮力作用,因此在分析粒子運動過程中,考慮風力(Fw)、浮力(Fb)和重力(G).

粒子受到的重力大小為：

式中,Q為質量流量,m為粒子質量,N為粒子發(fā)射率(個/s),g為重力加速度.

粒子受到的浮力大小為：

式中,ρ′為空氣密度,ρ為氚粒子密度,V為粒子體積.根據風速風壓公式[17],粒子受到的風力大小為：

式中,ρ′為空氣密度,vw為風速大小,s為風力對粒子的作用面積.

因此,氚粒子在擴散過程中的運動學方程如下：

式中,v為當前粒子速度,v0為粒子初速度(風場速度),m為粒子質量,S為粒子當前位置,S0為粒子初始位置.

粒子在運動過程中會接觸空間物體,發(fā)生碰撞,使得粒子的速度大小和方向發(fā)生變化.粒子與物體間的碰撞過程如圖5.

圖5 粒子碰撞示意圖

由于粒子與物體碰撞過程遵循反射定律,且伴有能量損失,則有：

式中,θ1為入射角,θ2為反射角,v1為粒子碰撞前速度,v2為粒子碰撞后速度,k為碰撞系數,大小范圍為0～1.

3.3.2 粒子屬性設置

根據氚泄漏時的質量流量大小確定粒子發(fā)射率,以帶有霧狀紋理貼圖的球體作為粒子基本圖元,將粒子大小設置為確定范圍內的隨機數.由于氚本身無色,基于RGBA 色彩空間,賦予粒子顏色屬性,從而生動地展現氚擴散的運動過程,通過粒子生命值損耗系數體現粒子在通風作用下的流失狀況,采用公告板技術使粒子始終面向攝像機,增強沉浸感.

3.4 虛擬場景漫游

仿真系統(tǒng)設置第一視角與第三視角兩種模式進行虛擬漫游.采用三維膠囊體模型作為第一視角虛擬漫游的控制體角色,通過對象的父子節(jié)點配置方法,實現視角隨角色運動；基于骨骼人物模型,采用動畫狀態(tài)機,設置第三視角中人物角色的動作切換,將攝像機綁定于人物中,通過距離插值方法確保視角隨人物平滑移動.采用腳本代碼實現交互設備控制虛擬場景中的角色運動,完成角色在場景中漫游.

為了使人物在漫游過程中不會穿越物體,基于物理引擎技術,將碰撞器屬性賦予虛擬場景的物體對象,角色控制器屬性賦予虛擬人物,通過腳本進行碰撞檢測,實現虛擬漫游過程的物理碰撞檢測.

通過正方體單元計算氚擴散過程中空間位置濃度值,計算公式如下：

式中,C為濃度值大小(Bq/m3),n為單元內粒子數目,N為粒子發(fā)射率,Q為質量流量,B為放射性核素活度,V為監(jiān)測單元體積.以可移動的正方體單元作為監(jiān)測點,通過界面輸入框確定監(jiān)測點位置,采用腳本檢測出所在位置的濃度值大小,并返回給界面,實現氚擴散過程中濃度值實時顯示.

基于Unity3D 的圖形界面開發(fā)技術,將腳本代碼與按鈕組件綁定,實現第一、第三視角的實時切換與氚泄漏事故模擬的實時控制.

4 仿真案例

以ITER 氚提取系統(tǒng)(TES)為例進行氚泄漏擴散仿真,氚提取系統(tǒng)的主要功能是將實驗包層產生的氚分離、純化、儲存,并送往聚變堆芯反應.案例仿真的硬件平臺為PC 機(CPU Q9500@2.83 GHz；4 GB RAM；Windows 7 64 位操作系統(tǒng)),軟件環(huán)境包括Unity3D、CATIA V5、3ds Max2016和Visual Studio2013.

4.1 氚提取系統(tǒng)安全分析

考慮到系統(tǒng)的復雜性,將其進行簡化,通過分析確定主要涉氚組件與氚的運輸流程,得到氚提取系統(tǒng)結構布局圖,如圖6.

圖6 TES 系統(tǒng)結構布局圖

通過資料分析可知,氚提取系統(tǒng)采用多重包容系統(tǒng)結構,設備管道為初級包容系統(tǒng),手套箱為次級包容系統(tǒng),操作室為第三級包容系統(tǒng),工作人員處于操作室中[18].結合涉氚組件的工藝條件,對TES 系統(tǒng)的氫同位素分離柱泄漏和手套箱連接處管道泄露兩類事故進行預先危險性分析(PHA),分析結果見表1和表2.

通過上述分析結果可知,氫同位素分離柱發(fā)生泄漏會導致手套箱內氚濃度快速上升,且可能引發(fā)燃燒爆炸等嚴重事故,手套箱連接處管道發(fā)生泄露會危害人員健康,因此確定此兩類事故作為氚泄露事故虛擬仿真案例.

表1 氫同位素分離柱泄漏PHA 分析

表2 手套箱連接處管道泄露PHA 分析

4.2 氚提取系統(tǒng)虛擬場景搭建

依據TES 系統(tǒng)相關結構模型的設計尺寸[18],進行三維仿真模型的構建,依照圖6布局連接氚組件,添加燈光、攝像機,通過粒子系統(tǒng)模擬正常工況下氚在管道內流動過程,加入骨骼人物角色模型于場景中.最終搭建的TES 系統(tǒng)三維虛擬場景如圖7.

圖7 正常工況下的TES 系統(tǒng)三維虛擬場景圖

4.3 氚泄露擴散仿真

事故工況下,氚在設備發(fā)生泄漏處開始向外部擴散,通排風系統(tǒng)隨即響應.氚的主要物理參數[19]見表3.

表3 氚的主要物理參數

根據文獻[20]獲取氫同位素分離柱泄漏(事故A)與手套箱連接處管道泄露(事故B) 工況數據,事故A：d=0.01 m,p1=0.2 MPa,p2=101.18 KPa,T=173 K；事故B：d=0.01 m,p1=0.12 MPa,p2=101.32 KPa,T=310 K,通過公式(1)、(2)、(3)、(5)、(6)計算出氚泄漏的質量流量,單個粒子受到的浮力與單個粒子受到的風力,結合相關系統(tǒng)參數,得到兩類事故下的物理工況參數表(見表4).

表4 兩類事故下的工況參數表

以本文設計的粒子系統(tǒng)進行氚擴散動態(tài)模擬,經過多次模擬測試,最終采用錐形粒子發(fā)射器,粒子大小范圍為2.5～3,粒子發(fā)射率N=200,碰撞系數k=0.8,出風口邊界處粒子生命值損耗系數為0.3.結合腳本編程與粒子系統(tǒng)的控制面板界面,實現事故工況下氚泄漏擴散三維動態(tài)仿真,仿真結果如圖8和圖9.

由仿真結果可知,氫同位素分離柱發(fā)生泄漏時,氚在風場與浮力的作用下,逐漸向左上方擴散,大約15 秒與排風口側面接觸,隨后在壁面作用下,部分氚氣體開始往右擴散,大約45 秒,氚充滿整個手套箱,手套箱能夠一定程度上將泄露的氚進行包容,避免釋放到房間中.手套箱連接處管道發(fā)生泄漏時,氚在風場與浮力的作用下,開始在操作室內擴散,逐漸充滿整個操作室內部.

通過濃度查詢功能,可以獲取事故工況下,氚擴散過程中空間濃度分布情況.以場景中靠近虛擬人的手套箱左下角為坐標中心點,獲取三維空間中不同位置的氚濃度大小,具體數值如表5所示.

圖8 氫同位素分離柱泄漏事故虛擬仿真

圖9 手套箱連接處管道泄露事故虛擬仿真

表5 氚泄漏擴散過程空間位置濃度值

由表5可知,兩類事故工況下,空間中氚濃度值均遠高于氚安全限值,屬于高危險區(qū)域,將嚴重危害氚提取系統(tǒng)的安全性.因此在氚包容系統(tǒng)設計方面,需優(yōu)化氫同位素分離柱與手套箱連接處管道等高風險結構的包容設計,以此預防事故的發(fā)生.

5 結論與展望

本文結合Unity3D、CATIA V5、3ds Max 2016和Visual Studio 2013,通過粒子系統(tǒng)方法模擬氚泄漏事故的動態(tài)擴散過程,利用虛擬漫游與界面開發(fā)技術實現人機交互功能,最終完成了氚擴散虛擬仿真系統(tǒng)原型的設計與研發(fā).仿真系統(tǒng)具有良好的交互性,可實現用戶在虛擬環(huán)境中與高危險性氚系統(tǒng)的直接交互,仿真結果直觀、實時地顯示了氚泄漏的動態(tài)擴散過程和濃度變化情況,對科學制定氚擴散的安全防護措施具有積極意義.后續(xù)工作將在粒子系統(tǒng)動力學精確設計、氚應急處理系統(tǒng)仿真等方面進一步研究.