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　　“中核集團設立了由中國核動力研究設計院牽頭，中國原子能科學研究院、中國核電工程有限公司、核動力運行研究所、中核核電運行管理有限公司、核工業計算機應用研究所參與的中核核能軟件與數字化反應堆工程技術研究中心；核動力院開設了數字反應堆技術重點研究領域并設立了院首席專家，組建了一支包含200余名各專業技術人員的研發團隊來推進數字反應堆技術的研發。”

　　2018年7月的一個普通工作日，在中國核動力研究設計院的一間辦公室里，一名科研設計人員坐在電腦前，鼠標在電腦屏幕上熟練地滑動、點擊，很快屏幕上展示出一幅精致的核反應堆一回路系統的組成圖，圖中冷卻劑在管道和各個部件中緩緩流動。這是核動力院自主研發的數字化反應堆性能分析與驗證平臺，它是基于中國自主核電品牌“華龍一號”核反應堆研發的，聯合了堆芯物理、流體、儀控等多個專業。通過這個平臺核電設計人員可以方便、直觀地查看系統的各個性能參數以及它們的變化趨勢，快速、全面地驗證與評價核反應堆系統在各種工況下的控制功能和運行特性。

　　簡單來說，數字反應堆是能夠精準模擬真實反應堆、具有“生命力”的數字虛擬樣機系統，與真實反應堆就好比是一對“孿生兄弟”。真實反應堆從研究、設計、建造、運行到退役全生命周期各階段的物理、熱工、燃料、結構、控制等各專業性能、參數、行為等特性都可以在數字反應堆中展現出來。此外，數字反應堆來源于現實又高于現實，除了對真實反應堆進行全面、準確、直觀地模擬，還能夠科學預測分析各種類型反應堆的性能與安全性；甚至針對大破口、堆芯融化等極端事故現象，數字反應堆都能夠逼真地呈現出來，并快速地提供最優的應急響應預案。

　　如果說數字反應堆是一個嶄新的生命，那么研發團隊就像技術精湛的外科醫生，通過對實體反應堆庖丁解牛般的剖析，一點一滴地構建起數字反應堆的血和肉，并不斷地進行“基因改良”，使其逐步成長為實體反應堆的“孿生兄弟”。

　　精細化計算軟件：讓反應堆“活”起來

　　軟件是核電站核心技術中的核心，沒有軟件，數字反應堆就無法“活”起來。正因為如此，從數字反應堆研發初期開始，研發團隊就致力于解決對反應堆特性機理認知不足的問題。由大量的工程簡化到回歸真實性的物理過程，從根本上增加模型與實際反應堆的符合程度，提升模擬的精準性，這個過程知易行難。而從模型發展到軟件，還需要解決高精度數值求解、軟件規模大、系統復雜等難題。不以山高為懼，不因路遙而疲，在中核集團“龍騰2020項目”的支持下，新老專家共同攻關，啃下了一個個“硬骨頭”。

　　從具體軟件研發過程來說，每個軟件經歷了需求分析、理論模型建立、軟件編碼、測試、驗證等復雜的步驟，“沒有捷徑可以走，項目部只能嚴把質量關，組建專業技術隊伍，明晰研發流程，同時制定相關技術規范，通過引入第三方測試及驗證，確保軟件產品的高質量”。

　　目前，數字反應堆的“大腦”——精細化設計分析軟件包已研發完畢，它涉及物理設計、屏蔽與源項設計、熱工水力、安全分析、燃料元件等多個專業領域，覆蓋了核反應堆設計研發與運行支持的主要領域，包括軟件近百余個，獲得軟件著作權80余項，專利10余項，已成功應用于“華龍一號”示范工程福清5、6號的反應堆工程設計工作中，部分軟件已應用于包括方家山、福清、昌江、田灣等在役電廠的技術服務中。成套軟件產品的成功開發，不僅提高了核電工程設計、建設、運行的效率和質量，也為數字反應堆的研發奠定了堅實的基礎。

　　綜合研發平臺：讓千人聯動起來

　　在核反應堆的設計研發過程中，涉及到結構、力學、物理、熱工、儀控等70多個專業，有上千名設計人員同步參與，每一次參數的修改和同步，都會引起核電機組的連鎖反應，包括組件的更換、組件接口的改變、安全系統的配合等等，如何讓百余個面向單個專業的設計分析軟件聯動起來，讓近千名設計人員協同開展設計是個大問題。

　　傳統設計過程基本采用手工準備輸入、執行計算、分析結果，這導致設計周期長，且容易出錯；多專業間計算協同設計程度不高，并行工作能力不強，各專業間的數據接口集成度不高；設計方案優化還主要依賴于工程設計經驗，很難實現多目標優化，這些問題都成為提升核反應堆設計效率的主要障礙。

　　近十年來，由核動力院牽頭，聯合十余家科研機構、高校、企業，聚合相關領域的優勢資源力量，集智攻關，如今已小有所成。目前，核動力院設計研發的數字反應堆綜合研發平臺已完成了堆芯物理、熱工、流體、儀控、結構等多個專業的集成與聯合仿真，可以從不同角度對核反應堆系統的綜合性能及行為特性進行全方位精確模擬。今后該研發平臺還將進一步集成燃料、材料、屏蔽、水化學等所有核心專業領域，為核反應堆全壽期內的研發設計、虛擬制造、運行維護、退役處置提供精確模擬與科學預測手段。

　　高性能計算：成就反應堆之強健“骨骼”

　　在中國核動力院辦公基地的東北角，有一座占地面積近千平方米的方形建筑，這是在國家有關部委的支持下建立的國內首個數字化反應堆技術實驗室。這里為設計人員提供了集高性能計算、協同設計、聯合仿真、虛擬實驗和虛擬制造為一體的數字化綜合研發平臺，它以目前國內水平最先進的銀河高性能計算機支撐大規模并行計算，以超大規模數據存儲系統支撐各種計算的數據管理，以虛擬現實交互設備支撐人機交互模擬、沉浸式體驗等功能。

　　數字反應堆要實現全方位、精細化、高效率的模擬，離不開超大規模高性能計算機，它就像一副強健的“骨骼”，支撐起數字反應堆的高效可靠運轉。以前的反應堆計算分析大多采用相對簡單粗糙的模型處理，計算規模較小，核心軟件絕大多數采用單機版串行計算的模式；現在采用了更加先進精細化的模型，多專業間的計算協同設計程度更高，計算模式也正在向超大規模計算機并行計算轉變。

　　為了提供更便捷、更高效的計算服務，2017年核動力院構建了數字反應堆基礎云平臺，平臺整合了百萬億次銀河超級計算機、應用服務器、圖形工作站、存儲服務器等異構的硬件資源和不同操作系統環境下的專業軟件及應用系統資源，可以同時連線上千個終端。而每個終端的背后都有一名設計人員實施操作，借助平臺強大的計算能力，可以模擬分析反應堆的系統性能和運行特性。

　　海量數據：凝練反應堆之珍貴“血液”

　　從上世紀80年代秦山一期核電站實現中國核電“零的突破”開始，到上世紀90年代大量“二代加”核電機組的研發建設，再到2000年后三代核電站的建設……30年來，核動力院累計收錄了幾百個試驗臺架、數千項實驗工況、30臺核電機組和其它各種類型反應堆全生命周期的基礎數據，這些數據的紙質版摞起來有一棟辦公樓那么高。

　　海量的數據是一筆寶貴的財富，使用得當對提升核反應堆的性能、質量、安全等方面都具有重要的促進和推動作用，但是要想把它們組織好、利用好，挖掘出其巨大的潛在價值卻并不容易。這些數據形式多樣、關系復雜，對其進行挖掘首先需要對原始的基礎數據的特性、格式特點進行凝練，建立基礎數據庫；在此基礎上根據核反應堆系統在設計研發、運行保障、退役等方面的應用需求構建各類應用數據庫；最后利用大數據、人工智能等先進信息技術充分挖掘數據價值，建立各類大數據應用系統。目前第一、第二階段的工作已基本完成，正在開展第三階段的研發。

　　龐大的數據庫支撐，實實在在的工程建設反證，設計分析軟件日益完善，數字反應堆也在不斷地發展成熟。

　　目前，數字反應堆第一階段的研發已基本完成，相關研究成果獲國防科技進步三等獎兩項、集團科技進步一等獎一項。然而，與所有新生事物的發展規律一樣，數字反應堆誕生初期，其基本用途還局限在原理演示和示范驗證，但“麻雀雖小，五臟俱全”。反應堆的研發要實現由“依賴試驗驗證”向“依靠數值模擬”轉變，建立可全面應用于設計驗證、工程評估與優化的數字反應堆，高效指導新一代核反應堆的研發、工程驗證、優化設計、運行支持，實現數字反應堆在實際工程中的應用還有很長的一段路要走。但依靠雄厚的科研基礎、優秀的人才實力和不斷探索的創新精神，數字反應堆也一定能從藍圖變為現實。（陽惠）