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　　在反應(yīng)堆研究、設(shè)計、建造、運行、退役的各個環(huán)節(jié)，會遇上各種技術(shù)問題。減少投資、縮短建設(shè)周期、提高安全性、減少核廢料……要實現(xiàn)這些目標(biāo)，就得做大量實驗，進(jìn)行更全面精細(xì)的分析，但這又使得成本進(jìn)一步增加。

　　中國原子能科學(xué)研究院堆工部主任楊紅義表示，應(yīng)用數(shù)字化、信息化和智能化技術(shù)開發(fā)數(shù)字反應(yīng)堆，可以為核能行業(yè)解決上述困擾。數(shù)字反應(yīng)堆將成為未來核能系統(tǒng)的先進(jìn)研究平臺，世界核能大國將之視為競技的新戰(zhàn)場。

　　率先發(fā)布數(shù)字微堆系統(tǒng)；超算中心、數(shù)據(jù)中心等硬件平臺建成使用；Crystal-MD、Crystal-KMC等軟件研發(fā)成功；我國首個E級超算數(shù)值系統(tǒng)研發(fā)工作啟動，并被評為“2017年度中國核能行業(yè)信息化”最具影響力十件大事之一；全面項目管理系統(tǒng)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)聯(lián)合上線……位于北京西南郊的原子能院，正在為中核集團(tuán)乃至核能行業(yè)緊擁數(shù)字化時代的戰(zhàn)略機(jī)遇貢獻(xiàn)自己的力量。

　　布局，集硬件、人才、經(jīng)驗于一體

　　進(jìn)入原子能院院內(nèi)，距離門口不到100米處，一幢新蓋起的11層工作大樓，最近正在變得“熱鬧”起來。300萬億次超級計算中心、200T大數(shù)據(jù)中心、萬兆高速網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，相繼在這里“安家落戶”。

　　楊紅義告訴記者，這些平臺是為了讓設(shè)計出來的數(shù)字反應(yīng)堆更加優(yōu)化。今后，虛擬仿真中心、三維工程設(shè)計中心等更多的平臺將在這里落地，最終集成完整的數(shù)字反應(yīng)堆研發(fā)平臺。

　　數(shù)字反應(yīng)堆究竟是什么原理呢？簡單來講，數(shù)字反應(yīng)堆就是對反應(yīng)堆進(jìn)行全方位、全周期的數(shù)字化模擬，讓它變得看得見、能操作，以完成反應(yīng)堆現(xiàn)實的或超現(xiàn)實的研究。全方位，是指反應(yīng)堆包括物理、化工、材料、熱工等所有技術(shù)性能和參數(shù)特點；全周期，是指反應(yīng)堆的研究、設(shè)計、建造、運行、退役全過程。

　　從實體有形到虛擬無形，這種“從有到無”，并不簡單。這中間，除了需要精通反應(yīng)堆工程技術(shù)，超級計算、大數(shù)據(jù)應(yīng)用和數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)菼T行業(yè)最尖端、最前沿技術(shù)，缺一不可。為此，原子能院積極開展數(shù)字堆在包括廣州天河、無錫神威這些國內(nèi)外頂級超級計算機(jī)上的應(yīng)用。

　　在新的平臺上進(jìn)行操作，堆工部設(shè)計所的設(shè)計人員驚喜地發(fā)現(xiàn)，與以往相比，計算出來的結(jié)果更加充分，而他們腦中的idea也正在以更快的速度“變現(xiàn)”。不只設(shè)計所，堆工部下設(shè)的另外兩個所，即研究所和運行所的人員，同樣體會到了新平臺帶來的“好處”。

　　三個所的員工加起來有1200多名，幾乎占據(jù)了原子能院科技人員的半壁江山。堆工部龐大的人才隊伍，從事著反應(yīng)堆從研究到運行甚至退役全部領(lǐng)域的研發(fā)工作。以研究所為例，該所下邊有8個研究室，分別為反應(yīng)堆物理、熱工、燃料等，而這些正是反應(yīng)堆研究最關(guān)鍵的8個技術(shù)領(lǐng)域。

　　楊紅義強(qiáng)調(diào)，“覆蓋反應(yīng)堆技術(shù)全領(lǐng)域的研究單位也必須全部投入到數(shù)字反應(yīng)堆的研發(fā)中，而且這是數(shù)字反應(yīng)堆技術(shù)的核心所在！”

　　人才之外，還有一片研發(fā)的“沃土”。原子能院自上世紀(jì)50年代就建成我國第一座反應(yīng)堆，在隨后的時間里，在國內(nèi)外設(shè)計和建造了25座反應(yīng)堆和核設(shè)施，擁有了上百個試驗臺架，并成功實現(xiàn)了我國首座反應(yīng)堆的退役實施。此間，原子能院積累了上百堆年的反應(yīng)堆工程運行經(jīng)驗和雄厚的反應(yīng)堆工程基礎(chǔ)技術(shù)和設(shè)計開發(fā)經(jīng)驗。

　　硬件、人才、經(jīng)驗，原子能院在反應(yīng)堆全領(lǐng)域布局?jǐn)?shù)字化實踐，以期在2030年實現(xiàn)“讓數(shù)字化在反應(yīng)堆全生命周期得到推廣應(yīng)用”這一目標(biāo)。

　　發(fā)力，從藍(lán)圖到現(xiàn)實

　　打開程序，點擊“反應(yīng)堆仿真運行”，便可在屏幕中看到反應(yīng)堆正常運行狀態(tài)時的各項數(shù)據(jù)；戴上VR眼鏡，一路穿行，邁入大樓，登上臺階，進(jìn)入反應(yīng)堆大廳，一睹反應(yīng)堆真容……在國際微堆應(yīng)用和低濃化會議上，楊紅義向與會人員作了上述展示。

　　2016年，原子能院開發(fā)出數(shù)字微堆，成功試水?dāng)?shù)字反應(yīng)堆領(lǐng)域。但在開發(fā)人員看來，這個如今被稱為1.0版本的數(shù)字微堆，充其量只能起到原理演示的作用，離數(shù)字反應(yīng)堆的實際應(yīng)用還有相當(dāng)長一段距離。“數(shù)字微堆的原理和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)相對簡單，做起來容易。‘麻雀雖小，五臟俱全’，但目前也僅是對數(shù)字反應(yīng)堆整個概念的一次實踐或示范。”楊紅義表示， 數(shù)字反應(yīng)堆需要經(jīng)過“三步走”戰(zhàn)略，即“演示驗證－示范應(yīng)用－型號推廣”，才能真正達(dá)到開發(fā)的目的。

　　堆工部研究所副所長楊文進(jìn)一步向記者解釋：“數(shù)字反應(yīng)堆技術(shù)創(chuàng)新的難點全在其核心——軟件開發(fā)上。只有軟件的計算結(jié)果可以跳過試驗驗證這一步，直接應(yīng)用到工程建設(shè)中，數(shù)字反應(yīng)堆才算開發(fā)成功。”

　　“一個反應(yīng)堆，使用原來的計算軟件，由于計算能力差，只能把它分成幾塊，2個模型之間用邊界條件去近似一下，這樣出來的結(jié)果具有不同程度的偏差，依然需要試驗驗證、糾偏。”楊紅義說，“只有軟件足夠‘高精細(xì)’，把反應(yīng)堆當(dāng)成一個大塊算，不用近似，才能達(dá)到100%的仿真。”

　　這幾年，楊文帶領(lǐng)著一個以年輕人為主的團(tuán)隊，聯(lián)合中科院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心和北京科技大學(xué)計算機(jī)信息學(xué)院，一直力圖在材料軟件開發(fā)上達(dá)到上述目標(biāo)。

　　跨領(lǐng)域合作，這對數(shù)字反應(yīng)堆研發(fā)流程和工作人員個人來說，都是新的體驗。一個反應(yīng)堆工程本身的技術(shù)，一個超級計算技術(shù)，一個軟件開發(fā)技術(shù)。三個團(tuán)隊融合在一塊，原來基本上不懂、相互也不了解，但每兩周的定期交流很好地解決了這個問題。

　　強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，“小核心、大協(xié)作”的方式很快見效。僅用不到兩年時間，這個聯(lián)合團(tuán)隊就開發(fā)出Crystal－MD和Crystal－KMC兩個軟件。使用這兩個軟件耦合計算出來的結(jié)果，精度比以前提高了一大截。

　　不只是材料軟件，楊文還帶隊于2017年啟動了科技部重點研發(fā)計劃——我國首個E級超算數(shù)值系統(tǒng)開發(fā)及示范應(yīng)用項目。這個項目囊括了數(shù)字反應(yīng)堆的物理、熱工、燃料、結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料5套核心軟件包，計劃在4年時間內(nèi)，全部開發(fā)出來。

　　而楊文的同事、堆工部設(shè)計所副所長劉天才認(rèn)為，數(shù)字反應(yīng)堆不只要考慮到設(shè)計本身，設(shè)計的流程同樣重要。

　　今年5月22日，原子能院聯(lián)合上線了全面項目管理系統(tǒng)（IPDPM系統(tǒng)）和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（PDM系統(tǒng)），打通了反應(yīng)堆研發(fā)設(shè)計管理的全流程，顯著提升了研發(fā)設(shè)計效率和質(zhì)量。

　　基于先進(jìn)的軟硬件設(shè)施，模擬數(shù)字化反應(yīng)堆逐漸走向“高精細(xì)”，而研發(fā)流程也變得更加順暢，原子能院規(guī)劃中的數(shù)字快堆、數(shù)字研究堆等等，在他們?nèi)諒?fù)一日的努力下，正在由藍(lán)圖變?yōu)楝F(xiàn)實。

　　未來，實現(xiàn)數(shù)字孿生

　　“實現(xiàn)了數(shù)字反應(yīng)堆技術(shù)，這樣，我們就更有競爭力或者有更先進(jìn)的技術(shù)，與世界其他國家同臺競技，使‘走出去’的步伐更快。”楊紅義表示，在這樣的機(jī)遇面前，原子能院愿意做我國數(shù)字反應(yīng)堆領(lǐng)域的創(chuàng)新者、引領(lǐng)者、推動者。

　　這個路程漫長而艱辛，不只是技術(shù)上的，更有觀念上的。

　　在楊紅義和他帶領(lǐng)的團(tuán)隊人員心中，數(shù)字反應(yīng)堆就是真實反應(yīng)堆的“數(shù)字孿生”，雙方有著一絲不差的“DNA”，“模樣”和“性格”毫無二致。在數(shù)字反應(yīng)堆上的一切操作，完全可以放到真實的反應(yīng)堆中去執(zhí)行，分毫不差。

　　“比如，所謂退役就是把核設(shè)施拆了，拆之前首先要進(jìn)行詳細(xì)準(zhǔn)確的輻射調(diào)查。此前需要工作人員拿著儀表一個點一個點地測。實現(xiàn)數(shù)字化后，只要測出反應(yīng)堆內(nèi)幾個點的輻射數(shù)值，就可以快速準(zhǔn)確模擬出整個廠房所有地方的輻射劑量，然后按照計算結(jié)果指導(dǎo)工作人員拆解的先后順序即可。”楊紅義解釋道。

　　然而數(shù)字反應(yīng)堆作為新興事物，在其可靠性沒有得到試驗的充分證明之前，上至政府部門、專家，下至普通百姓，沒有人相信它能做到上面所描述的。大多數(shù)人依然認(rèn)為只有試驗驗證出來的、看得見的結(jié)果，才真實可靠。

　　實踐是認(rèn)識的來源。為扭轉(zhuǎn)觀念，原子能院率先行動起來，正在把數(shù)字反應(yīng)堆輸出的結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行比對。

　　研究方面，正在開展大量的材料和燃料研究、熱工流體和物理試驗等的高精度計算。

　　設(shè)計方面，在上百臺試驗臺架的海量數(shù)據(jù)支撐下，正在做試驗臺架和試驗過程的數(shù)字化，輸入數(shù)據(jù)、建立三維模型，再驗證得出的數(shù)據(jù)是否與臺架一致。

　　運行方面，正在編制運行規(guī)程，再輸入計算機(jī)，驗證是否最優(yōu)。

　　……

　　有了技術(shù)，還要把它規(guī)范化，形成標(biāo)準(zhǔn)。最晚到2020年，原子能院計劃將完成數(shù)字反應(yīng)堆整體架構(gòu)設(shè)計并發(fā)布我國首個數(shù)字反應(yīng)堆行業(yè)規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

　　“數(shù)字反應(yīng)堆是一次徹底的、顛覆性的、系統(tǒng)性的、整體性的創(chuàng)新性變革”，有雄厚基礎(chǔ)、有成功探索、有全面布局，原子能院有意愿更有實力成為這場變革的引領(lǐng)者和推動者。（申文聰）