核輻射與安全虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)

楊 強(qiáng),劉 軍,魏生斌,張慶賢,王廣西

(1.成都理工大學(xué) 核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院,四川 成都 610059； 2.成都理工大學(xué) 總務(wù)處,四川 成都 610059； 3.成都理工大學(xué) 教務(wù)處,四川 成都 610059)

國(guó)務(wù)院《核電中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃(2005—2020年)》實(shí)施以來(lái),我國(guó)核電產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展,核輻射與安全領(lǐng)域人才缺口很大,許多高校開(kāi)設(shè)了核工程相關(guān)專業(yè)[1]。然而,由于傳統(tǒng)的核輻射相關(guān)實(shí)驗(yàn)安全風(fēng)險(xiǎn)大(如使用放射源)、成本高(如小型反應(yīng)堆),難以在眾多高校推廣[2],核工程類專業(yè)的學(xué)生存在理論知識(shí)學(xué)得較扎實(shí)而實(shí)踐技能不足的問(wèn)題[3-4]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為一種實(shí)驗(yàn)教學(xué)新手段,能夠借助計(jì)算機(jī)仿真分析,將核輻射的微觀物理過(guò)程與核工程的數(shù)值計(jì)算引入實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中,將核輻射與物質(zhì)相互作用的過(guò)程通過(guò)動(dòng)畫(huà)展現(xiàn)出來(lái),成為對(duì)理論課程教學(xué)的有力補(bǔ)充。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)有利于學(xué)生理解、鞏固專業(yè)知識(shí),培養(yǎng)分析綜合問(wèn)題的能力,滿足我國(guó)核電產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)核與輻射安全人才培養(yǎng)的要求[5-7]。

由于核科學(xué)類實(shí)驗(yàn)涉及高電壓、放射性等高風(fēng)險(xiǎn)因素,如果實(shí)驗(yàn)人員操作不當(dāng),極有可能造成一定的危害。因此,開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)及其資源的建設(shè)工作,特別適合涉核專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求。

1 實(shí)驗(yàn)資源建設(shè)情況

成都理工大學(xué)省級(jí)核輻射與安全虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心于2017年正式獲批。該中心依托虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù),構(gòu)建了可以真實(shí)反映物理過(guò)程的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景,對(duì)部分微觀物理現(xiàn)象采用計(jì)算機(jī)模擬展現(xiàn),讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行以往實(shí)驗(yàn)教學(xué)中無(wú)法進(jìn)行或高成本的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐學(xué)習(xí)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)充分體現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛的原則,實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)的教學(xué)功能。中心實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源由物理模擬仿真教學(xué)資源和輻射虛擬仿真教學(xué)資源兩部分組成。

1.1 物理模擬仿真實(shí)驗(yàn)資源

對(duì)于高風(fēng)險(xiǎn)、高投入的核與輻射測(cè)量實(shí)驗(yàn)教學(xué),采用虛實(shí)結(jié)合的辦法,模擬企事業(yè)單位在日常工作中的使用場(chǎng)景,構(gòu)建了物理仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。在該平臺(tái)上開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)主要有學(xué)生自主性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn),能夠完全模擬野外施工、輻射監(jiān)測(cè)等真實(shí)操作。

1.1.1 KZC系統(tǒng)物理仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K

核電站控制區(qū)出入(KZC)系統(tǒng)是核電站輻射防護(hù)與安全的重要組成部分,也是輻射防護(hù)與核安全專業(yè)、核工程與核技術(shù)專業(yè)、核燃料與核化工專業(yè)在工作中常接觸的部分[8]。但KZC系統(tǒng)的實(shí)習(xí)實(shí)踐一直是實(shí)驗(yàn)教學(xué)難題。本中心構(gòu)建了一套KZC仿真系統(tǒng)(見(jiàn)圖1),系統(tǒng)由物理實(shí)體和計(jì)算機(jī)控制軟件構(gòu)成。學(xué)生按照核電站正常流程進(jìn)行操作,在操作過(guò)程中,教師可以控制計(jì)算機(jī)虛擬產(chǎn)生核電站的異常狀況,學(xué)生根據(jù)異常狀況作出相應(yīng)的處理。

圖1 KZC仿真系統(tǒng)框圖

該物理仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目的是提高學(xué)生對(duì)KZC系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)以及培養(yǎng)學(xué)生對(duì)輻射異常狀況的處理能力,樹(shù)立學(xué)生的輻射安全意識(shí)。

1.1.2 放射性氣溶膠物理仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K

放射性氣溶膠是輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)和核安全的重要內(nèi)容,研究放射性氣溶膠的行為、特征，也是輻射環(huán)境學(xué)科的重要研究?jī)?nèi)容。該實(shí)驗(yàn)?zāi)K由4 m3的氣溶膠柜、放射性氣體發(fā)生器(Rn源)、粉塵發(fā)生器等組成(見(jiàn)圖2)。學(xué)生在該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上可以自主設(shè)置實(shí)驗(yàn),可以模擬特定條件下放射性氣溶膠的形成、重力沉降和顆粒度等實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)方便了學(xué)生實(shí)驗(yàn),將放射性氣溶膠統(tǒng)一處理,避免了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的泄漏,減少了實(shí)驗(yàn)對(duì)環(huán)境的污染,在本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)、學(xué)生創(chuàng)新大賽等方面受到學(xué)生的歡迎。

圖2 放射性氣溶膠物理仿真模塊

1.1.3 核測(cè)井仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K

在核技術(shù)的多項(xiàng)應(yīng)用中,核測(cè)井是重要的礦產(chǎn)資源勘查技術(shù)之一。在實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中,由于放射源的使用、地層結(jié)構(gòu)等因素,學(xué)生難以進(jìn)行真實(shí)的實(shí)驗(yàn)。核輻射與安全虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心構(gòu)建了一口由不同材質(zhì)填充的模擬井,并利用計(jì)算機(jī)技術(shù)建立了與模擬井完全一致的地質(zhì)體響應(yīng)模型,用于仿真不同巖石和不同密度地質(zhì)體的放射性測(cè)井實(shí)驗(yàn)(見(jiàn)圖3)。該實(shí)驗(yàn)?zāi)芗由顚W(xué)生對(duì)野外測(cè)井工作的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),使學(xué)生更好地掌握核測(cè)井理論知識(shí)。

圖3 模擬井實(shí)景圖與仿真模型

1.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源

在涉核專業(yè)的授課過(guò)程中,與輻射物理、輻射防護(hù)、反應(yīng)堆工程和核電子學(xué)信號(hào)等相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容在教學(xué)中難以展示,物理實(shí)驗(yàn)也很難開(kāi)設(shè)。針對(duì)這種情況,核輻射與安全虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心利用核輻射數(shù)值仿真軟件和蒙特卡洛模擬方法,建立對(duì)應(yīng)模型,將輻射與物質(zhì)相互作用的微觀過(guò)程以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、圖表、動(dòng)畫(huà)等方式形象地展示給學(xué)生,能夠較好地提升學(xué)生對(duì)于核與輻射課程的學(xué)習(xí)效果。

目前,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源分為輻射物理與探測(cè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、核地球物理探測(cè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、反應(yīng)堆安全虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、輻射防護(hù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和核電子學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)5個(gè)模塊[9]。

1.2.1 輻射物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K

輻射物理主要研究射線與物質(zhì)的相互作用,而核輻射看不見(jiàn)、摸不著,與物質(zhì)的相互作用更是難以觀測(cè)。虛擬仿真平臺(tái)采用蒙特卡洛數(shù)值模擬方法,真實(shí)地反映射線與物質(zhì)相互作用的過(guò)程[10]。在該模塊中,共有14個(gè)實(shí)驗(yàn):

(1) α粒子與物質(zhì)相互作用實(shí)驗(yàn)；

(2) β-與物質(zhì)相互作用實(shí)驗(yàn)；

(3) β+與物質(zhì)相互作用實(shí)驗(yàn)；

(4) muon-與物質(zhì)相互作用實(shí)驗(yàn)；

(5) 中子與物質(zhì)相互作用實(shí)驗(yàn)；

(6) 伽瑪射線吸收實(shí)驗(yàn)；

(7) 伽瑪射線散射實(shí)驗(yàn)；

(8) HPGe能譜實(shí)驗(yàn)；

(9) 氣體探測(cè)器實(shí)驗(yàn)；

(10) 閃爍體探測(cè)器實(shí)驗(yàn)；

(11) 伽瑪能譜測(cè)量實(shí)驗(yàn)；

(12) α能譜測(cè)量實(shí)驗(yàn)；

(13) β能譜測(cè)量實(shí)驗(yàn)；

(14) 中子探測(cè)實(shí)驗(yàn)。

1.2.2 反應(yīng)堆安全仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K

反應(yīng)堆安全實(shí)驗(yàn)?zāi)K是利用核電站虛擬仿真軟件,對(duì)反應(yīng)堆中核燃料濃度、反應(yīng)堆溫度、反應(yīng)堆水壓力等影響因素進(jìn)行分析,為反應(yīng)堆物理分析、核安全分析等課程服務(wù),加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解,驗(yàn)證數(shù)學(xué)上的近似計(jì)算結(jié)果。在該模塊中,還可對(duì)核材料的輻照特性進(jìn)行研究,為核材料課程提供服務(wù)。目前可開(kāi)展6個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目:

(1) 壓水堆堆芯幾何結(jié)構(gòu)建模；

(2) 堆芯材料對(duì)keff的影響；

(3) 堆芯控制棒毒物價(jià)值；

(4) 堆芯燃耗分析；

(5) 納米Mo金屬中孿晶變形的分子模擬；

(6) UO2中輻照損傷的分子模擬。

1.2.3 輻射探測(cè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K

輻射探測(cè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K是對(duì)資源勘查領(lǐng)域核輻射的應(yīng)用進(jìn)行模擬。主要對(duì)伽瑪測(cè)井、中子測(cè)井、X射線熒光測(cè)井、地面伽馬能譜測(cè)量、航空伽馬能譜測(cè)量等具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。學(xué)生可以在該仿真平臺(tái)上設(shè)置物理參數(shù),進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn),并根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)物理參數(shù)的影響展開(kāi)研究。目前該平臺(tái)上共有7個(gè)實(shí)驗(yàn):

(1) 自然伽瑪測(cè)井實(shí)驗(yàn)；

(2) 伽瑪密度測(cè)井；

(3) 中子測(cè)井；

(4) 地層元素測(cè)井；

(5) X射線熒光測(cè)井；

(6) 伽瑪能譜標(biāo)定實(shí)驗(yàn)；

(7) 航空伽瑪能譜實(shí)驗(yàn)。

1.2.4 輻射防護(hù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K

目前國(guó)際上輻射防護(hù)領(lǐng)域的輻射體屏蔽實(shí)驗(yàn)室、微劑量實(shí)驗(yàn)、人體輻射劑量分布實(shí)驗(yàn),都采用數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在虛擬仿真平臺(tái)上可以根據(jù)實(shí)際問(wèn)題對(duì)輻射防護(hù)的工程問(wèn)題、理論驗(yàn)證問(wèn)題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在輻射防護(hù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K中,學(xué)生通過(guò)建模、設(shè)計(jì)與仿真,掌握輻射防護(hù)工作的流程,加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解。目前該模塊中有7個(gè)實(shí)驗(yàn):

(1) 外照射劑量模擬實(shí)驗(yàn)；

(2) 中子源屏蔽實(shí)驗(yàn)；

(3) 伽瑪源屏蔽實(shí)驗(yàn)；

(4) 體素體模模擬實(shí)驗(yàn)；

(5) 內(nèi)照射估算實(shí)驗(yàn)；

(6) 微劑量學(xué)實(shí)驗(yàn)；

(7) 放射性污染物遷移實(shí)驗(yàn)。

1.2.5 核電子學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K

核電子學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)采用數(shù)值模擬方法產(chǎn)生核輻射探測(cè)器的輸出信號(hào),基于數(shù)字信號(hào)處理理論,對(duì)核電子信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、成型和處理[11]，改善了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中依靠放射源來(lái)獲得核信號(hào)所帶來(lái)的高危險(xiǎn)性和高輻射性。本模塊包含8個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目:

(1) 探測(cè)器輸出電流脈沖模擬；

(2) 脈沖信號(hào)放大電路的模擬與仿真；

(3) C-R微分電路的仿真；

(4) R-C積分電路的仿真；

(5) 數(shù)字極零相消成形；

(6) S-K濾波電路的仿真；

(7) 數(shù)字脈沖成形模擬；

(8) 譜數(shù)據(jù)處理——S-K濾波光滑。

2 教學(xué)特色

核輻射與安全虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與其他虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的最大區(qū)別,在于其涉及到射線與物質(zhì)相互作用的物理過(guò)程。該過(guò)程難以通過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)公式給出確定的結(jié)果。國(guó)際上通常采用蒙特卡洛方法來(lái)解決這一問(wèn)題,而蒙特卡洛方法對(duì)平臺(tái)的后臺(tái)計(jì)算能力提出了一定的要求。因此,核輻射與安全虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心的特色之一就是將面向科研的高性能計(jì)算與面向?qū)W生的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合,為每一個(gè)接入終端提供后臺(tái)集群服務(wù)器計(jì)算資源。目前,本中心擁有高性能刀片服務(wù)器15臺(tái)和5個(gè)分布式計(jì)算節(jié)點(diǎn),能為30個(gè)終端提供并行計(jì)算服務(wù)。

3 結(jié)語(yǔ)

核輻射與安全虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)豐富了核輻射與安全的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,實(shí)驗(yàn)教學(xué)不再受時(shí)空的限制,與基礎(chǔ)雄厚的實(shí)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)相互配合,形成了完整的實(shí)踐教學(xué)體系,提升了實(shí)踐教學(xué)的服務(wù)能力,為提高大學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力提供了保障。

核輻射與安全虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心通過(guò)近幾年的努力,已經(jīng)建成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目34項(xiàng),面向核工程與核技術(shù)、輻射防護(hù)與核安全、核化工與核燃料工程、測(cè)控技術(shù)與儀器、電子信息科學(xué)與技術(shù)、勘查技術(shù)

與工程6個(gè)專業(yè)(方向)以及中廣核聯(lián)培班學(xué)生開(kāi)設(shè)了核輻射與安全虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課,在核工業(yè)人才的培養(yǎng)方面取得的了可喜成果。

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