设为主页 加入收藏
当前时间:

万纳神核控股集团有限公司

首页 > 新闻资讯 > 综合资讯

三代核电有了“中国魂”

2015-12-25 18:29:24 万纳神核控股集团有限公司 阅读

三代核电有了“中国魂”——中核NESTOR软件包研发纪实    

来源:中国核工业报  日期:2015-12-24     


    今年6月,国务院总理李克强视察中核集团“华龙一号”时说:“你们为我撑腰,我去国际舞台为你们扬名”;12月,国家主席习近平参观中非展中核集团“华龙一号”展台时说,“自己的技术一定要推向世界”。“推动中国自主三代核电走向世界”这是中核集团向国家做出的承诺。

  自今年5月7日中国自主三代核电“华龙一号”首堆福清5号机组开工仅半年左右,“华龙一号”就已出口海外,先后被英国和阿根廷市场接受,成功引领中国核电跻身世界核电第一阵营。“按照中核集团‘走出去’布局,还将与法国、埃及、罗马尼亚等近20个国家商谈核能合作。” 中核集团总经理钱智民说。

  “核电能不能‘走出去’,最关键的有三点,软件、燃料和关键设备。我们研发的CF系列燃料组件已入堆考验,以蒸汽发生器为代表的关键设备也已实现国产化。”中核集团核动力事业部副主任、中国核动力院院长罗琦接受记者采访时说,“核电站最核心的技术——软件,中国也同样完全掌握,就是我们的核电设计与分析软件包NESTOR。”

  12月17日,经过30余年的持续开发和整个“十二五”的集中研发,中核集团自主NESTOR软件包正式交付。“经专家验证,这套软件达到了国际先进水平,与美、法等核电强国并驾齐驱,跻身世界第一阵营。自此,三代核电有了‘中国魂’” 中核集团核动力事业部副主任程慧平自信地说,“NESTOR软件包能够帮助中国核电实现出口。”

  1.打开“黑匣子”的代价

  如果没有NESTOR软件包,中国的核电在海外推广将寸步难行。“软件是核电站核心技术的‘核心’,是参与海外竞争的关键所在。”罗琦说,“不用自己的软件设计核电站,我们建造的核电站仅仅是对国外核电技术的翻版、复制。”

  中国核电上世纪80年代从秦山起步,截至目前,我国大陆地区已有运行核电机组27台,装机容量2550万千瓦;在建核电机组24台,装机容量2636万千瓦,在建规模世界第一。

  据了解,中国大陆已运行和在建的核电站,除了“华龙一号”,使用的都是来自美国、法国、俄罗斯等核电强国的核电软件。

  “但是那些软件有如‘黑匣子’一般,只能使用,不能改写,因为你看不到里面的源代码,只能知其然不知其所以然,无法掌握‘Know How’。”核动力院副院长吴琳介绍说。

  “拥有核电软件的国家,几乎不单卖软件,往往是软件与工程捆绑出售,要买就连核电站一起买。”罗琦说。据资料显示,中国在上世纪80~90年代从法国引进的一个软件包,其价格就高达几千万元人民币。而2006年从美国引进第三代核电机组AP1000的两个软件包价格更是超过了10亿元人民币,软件转让费占了整个核电技术引进的10%左右。“而且卖软件给你是有时间和人员限制,超过期限就重新买。”罗琦说,“比如,有的软件仅供1人使用,如果再想多让1人使用,那么就得再买1套,再多花一倍的钱。”罗琦说,“可以想见,这样的投入是个无底洞。”

  即使花高价引进的也仅仅是软件的使用权,设计过程中的限制还很多,比如,购买百万千瓦核电机组,该软件包只适用于同机型同容量的核电机组,不能用在60万、30万或者高于100万千瓦的核电机组的设计上,这完全束缚了科研人员的创新思路,就如被它牵着鼻子、带着枷锁做设计。“这些软件使用范围受到限制的原因是,引进国无法从这些软件里看到最初的源代码,也就无从得知其中的‘数学公式’,也因此不敢把它用在其他核电机组的设计和分析上。因为任何一个参数的差错都可能带来致命的灾难。”核动力院软件自主化项目总设计师李庆说。

  在此条件下,核电人也做出了重要尝试。上世纪90年代初,中国核电工程有限公司就研制了把核级管道计算程序作为计算工具的大型管理和前后处理程序系统CAPS,到目前为止已辅助完成近万条核级管道的计算分析。但是,那时CAPS下的管道计算程序都是国外的执行程序,研制中国的核电程序一直是核电人梦寐以求的愿望。

  随着中国核电的发展,中国核科研人员越来越强烈地感到一定要攻克自主化软件的短板,要有自己的软件。故而,中核集团始终坚持自主创新,从未停止过软件自主化步伐,2010年,在前30余年软件开发的基础上,中核集团斥资设立重点专项,对前期开发的核电设计分析和运行支持软件进行集成、大规模、成体系地开发出近百项软件产品和集成平台。同时,也实现了从翻版设计到自主研发的华丽转型。

  2、私人订制“华龙一号”

  NESTOR软件包覆盖了“华龙一号”所有创新点,它的特点是“核心、先进、成熟、可靠。”核心是因为它是“华龙一号”的最关键技术;先进是因为它达到了美国、法国现役核电软件的水平;成熟是因为它基于数百台实验台架、数千项实验工况和30年近30台核电建设的历史数据积累而成的;可靠则是因为它不光能够对“华龙一号”的各项数据进行验证,而且对其它已经建成的二代以及二代加核电站能够实施反验证。

  “华龙一号”是中国具备自主知识产权三代核电技术,按照国际最高安全标准设计,具有先进而独特的技术特征,比如177堆芯、CF燃料组件、双层安全壳、能动加非能动、ZH65型蒸汽发生器等等。而不同的堆型,要求软件的计算方式也不同,“自己的技术,一定要用自己的软件,只有掌握了核电站的核心软件,你才能真正掌握核电技术。”工程公司副总经理、总会计师温新利说。

  其实在上世纪70~80年代,中核集团就着手开展了压水堆核电设计技术的研究,自主研发出堆芯设计软件,在上海核热电站、秦山二期核电厂演练设计等项目中得到应用。1988年在秦山第二核电厂项目中中标,依靠自主开发的设计软件包NDFMPS完成了该项目的工程设计等。

  30年来,中核集团在“在漫长的软件技术研发道路上,培养了一大批既精通工程科研技术,又熟悉软件技术开发的人才,同时也积累了一大批软件技术财富”。

  进入21世纪以来,尤其是近几年随着中国核电发展和核电出口进程加速,为了实现“华龙一号”走出去,对自主化软件质量和版本要求更高,中核集团对其进行归口管理,组织协调相关人力、物力等开展软件技术研发,严格遵循相关规定和标准,在需求分析、理论模型建立,软件编写和测试验证等全周期,均采用严格的管理方法,完善的配置管理手段,经过外部测试和第三方验收,保障了软件产品的质量。

  2010年,在中核集团统一部署下,依托龙腾2020科技计划,核动力院、工程公司、中核武汉核电运行技术股份有限公司等单位组成研发团队,由核动力事业部组织实施,成体系地开展了核电软件开发工作,瞄准解决三代核电软件自主化问题,可谓为“华龙一号”量身定做。

  软件开发过程中,中核集团就特别重视软件成果的工程应用。由工程公司负责研制完成的国内首个大型CNPIPE核级管道力学计算软件和LBB评定软件,在质量得到验证后即应用于“华龙一号”。电缆敷设软件也在实际工程中大量采用。其中,CNPIPE的多项功能超过了国外同类软件,更加适合工程应用。而中核武汉核电运行技术公司作为集团运维模块主要依托的专业化单位,研发出系列化运维支持软件,其中新开发的先进仿真平台软件包也已应用于“华龙一号”核电厂全范围模拟机和设计验证平台开发项目中。

  经过5年有针对性地研发,NESTOR软件包满足了相关核电机组对自主化软件技术的配套需求,如自主化国产燃料组件——CF组件、自主化国产蒸汽发生器——ZH65型蒸汽发生器等。

  “可以说是完成了‘华龙一号’的私人订制。” 核动力院软件自主化项目副总设计师刘东说,NESTOR软件包在建模过程中,结合了大量的工程科研经验和先进研发成果,其物理模型更适合于工程科研实践,稍加修改,完全可以适用于核电厂二代加、三代反应堆的工程设计需求。

  目前,NESTOR软件包在研软件(包括已经研制完毕的软件)近百余个,已完成研发软件68个。其中,获得软件著作权64项,专利已受理17项,已授权5项,源代码280万行。“NESTOR软件包还会继续扩展,其现已规划目标数量至150余个软件。”刘东说。

  NESTOR软件包最明显的作用就是高效。罗琦说,“利用软件可以把点变成线,把线变成面。” 如,上世纪90年代,核电站做一个换料设计,大概要十几个人没日没夜全部投入干1个月。现在换料设计,目前做10个堆的换料设计,每个堆1~2个人,一个星期左右即可。之前,核电站设计论证需要完全靠硬件做实验优化,费人费钱费时。据统计,如今可先在软件上进行仿真模拟试验,大大减少实验次数,效率能提高30%。

  3.大数据“滚雪球”

  通过不断地验证与反验证,NESTOR软件包也不断升级、提高,从而使它设计的核电站不断满足更高要求。“华龙一号”首堆福清5号机组建好后,又将有一批数据更新运用到福清6号机组,随着数据库的不断更新,中国的核电技术就像“滚雪球”一样,越来越先进。

  在核动力院一间办公室,记者看到,电脑屏幕上不时有写满代码的对话框弹出。李庆告诉记者:“这是输入了错误数据,软件进行提示。”而这样的“便利”,若用以前的核电软件,他直呼“不敢想象”。

  以前,软件终端界面是不带图形的,都是文字性的输入方式,一行行的代码密密麻麻,使用者看得眼花缭乱。有时,一不留神输入了错误代码,根本难以发现,而为了在万千行代码中找出它,工作人员经常需要几天几夜不眠不休地“大海捞针”。而这样的事情,李庆遇到过不只一次。

  NESTOR软件包采用了先进的计算机技术和信息技术,用户界面友好,应用灵活性强,且具有很强的纠错能力,工程师在使用过程中能够得到更多的人性化体验。

  但是,“我们的设计人员在同步参数,每一次参数的修改和同步,都会引起核电机组的连锁反应,包括组件的更换、组件接口的改变、安全系统的配合等等。”“华龙一号”研发涉及70多个专业,有上千名各地设计人员同步参与,怎么在一个平台上协同开展设计是个大问题。

  “为了协调多名设计人员同步参与研发,我们想到了建立自己的‘私有云’。NESTOR软件包就是借助私有云计算模式,利用银河计算机研发出来的。”

  在这种模式下,平台可以同时连线上千个终端,每个终端的背后都有一名设计人员在实施操作。同时,借助它强大的计算能力,还可以模拟核事故,进行核事故分析。

  这还远远不是全部。“一个成熟软件包的完成,还要有强大的数据库做支撑。”李庆说。虽然项目历时不长,但论起NESTOR软件包的“基因”,却要追溯至上世纪80年代。从1985年秦山一期核电站实现大陆核电‘零起的突破’开始,到随后的秦山二期核电站建设,再到90年代大量“二代加”核电机组的研发建设,以及2000年后三代核电站的建设……中核集团累计收录几百个试验台架、数千个实验工况反馈、30年近30台核电机组建设堆积出来的丰富的试验数据,“这些数据的纸质版摞起来有我们的办公楼这么高。”李庆说道。庞大的数据库为软件开发打下了牢固基石,没有这些数据,项目人员只能是“巧妇难为无米之炊”。

  “三十年来,国内所有核电站的运行经验反馈以及‘华龙一号’研发过程中研发试验数据,都被自主研发的软件平台终端翔实地收录在数据库中。通过这些实实在在的工程建设反证, NESTOR软件包不断成熟,相比国内其他核电软件,这也是其优势之一。” 李庆说。

  成套的软件产品的成功开发,将有效地提高核电工程设计、建设、运行效率与质量,为开拓技术服务市场奠定良好的基础,并为各种新堆型核电软件研发提供技术储备,为将来开发出国际先进水平的核电机型奠定软件基础。

  目前,NESTOR软件包已成功应用于“华龙一号”示范工程福清5、6号的反应堆工程设计工作中,该软件包计算精度达到国际先进水平,工程适用性强。与此同时,部分软件已应用于包括方家山、福清、昌江、田湾等在役电厂的技术服务,未来还将在新一代的反应堆工程设计工作发挥核心作用。