氚擴(kuò)散虛擬仿真系統(tǒng)原型研發(fā)及其應(yīng)用①

曹 歡,楊子輝,俞盛朋,霍前超,王海霞,王 芳

1(安徽大學(xué) 物質(zhì)科學(xué)與信息技術(shù)研究院,合肥 230601)

2(中國(guó)科學(xué)院 核能安全技術(shù)研究所 中子輸運(yùn)理論與輻射安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,合肥 230031)

1 引言

國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)是目前全球規(guī)模最大的核聚變反應(yīng)實(shí)驗(yàn)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(guò)聚變核反應(yīng)實(shí)現(xiàn)自持.ITER 氚工廠負(fù)責(zé)在氚自持循環(huán)過(guò)程中精細(xì)、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(duì)人體的內(nèi)輻照危害極大,且具有極強(qiáng)的擴(kuò)散能力和滲透性[1],能夠溶解于結(jié)構(gòu)中造成材料性能衰變.由于運(yùn)行條件的復(fù)雜性和氚的特殊物理屬性,使用常規(guī)的工程手段難以達(dá)到氚擴(kuò)散過(guò)程的三維可視化分析要求.

目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)于氚泄露擴(kuò)散研究較少,研究方法多停留于二維數(shù)值模擬階段.南華大學(xué)采用數(shù)值模擬方法對(duì)實(shí)驗(yàn)包層中氚提取系統(tǒng)事故性氚釋放過(guò)程進(jìn)行模擬研究[2]；解放軍第二炮兵工程大學(xué)通過(guò)CFD 方法研究了氚在密閉空間的濃度分布規(guī)律和通風(fēng)對(duì)氚濃度的影響[3,4]；西班牙馬德里理工大學(xué)核聚變研究所基于計(jì)算流體力學(xué)理論研究了蒸汽發(fā)生器發(fā)生泄漏后氚的擴(kuò)散機(jī)理,實(shí)現(xiàn)了氚泄漏擴(kuò)散的多尺度分析[5].現(xiàn)有研究成果以氚擴(kuò)散濃度分布云圖與變化曲線圖為主,是一種基于動(dòng)態(tài)過(guò)程的靜態(tài)分析結(jié)果,難以達(dá)到三維實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)可視化分析要求,所構(gòu)建的三維工程幾何模型,不能真實(shí)直觀得展現(xiàn)氚系統(tǒng)和氚擴(kuò)散場(chǎng)景.因此數(shù)值模擬方法在三維實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)虛擬仿真方面存在一定的局限性.

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的快速發(fā)展,虛擬仿真已在核領(lǐng)域研究中得到有效的應(yīng)用.韓國(guó)原子能研究所的K Jeong 等人以Unity3D 為虛擬仿真平臺(tái),MCNP 為輻射劑量計(jì)算工具,對(duì)反應(yīng)堆水池內(nèi)的輻射劑量進(jìn)行計(jì)算與可視化[6]；中科院核能安全技術(shù)研究所基于數(shù)字反應(yīng)堆和輻射虛擬人技術(shù),開展了核與輻射安全仿真系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用研究[7,8].

中國(guó)科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所·FDS 鳳麟核能團(tuán)隊(duì)圍繞反應(yīng)堆事故診斷、放射性核素環(huán)境影響、核應(yīng)急與公共安全等迫切需求,依托中子輸運(yùn)設(shè)計(jì)與安全評(píng)價(jià)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(chǔ),建成了核應(yīng)急綜合仿真平臺(tái)與數(shù)字社會(huì)環(huán)境下的虛擬核電站Virtual4DS[12].

為實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)堆中實(shí)時(shí)可視化分析氚擴(kuò)散機(jī)制,本文在Virtual4DS 平臺(tái)框架下,開展氚擴(kuò)散虛擬仿真系統(tǒng)原型研發(fā)及應(yīng)用研究工作.基于三維圖形引擎Unity3D,利用粒子系統(tǒng)與人機(jī)交互技術(shù),研發(fā)了氚擴(kuò)散虛擬仿真原型系統(tǒng).該原型系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)工作人員在高逼真度的虛擬環(huán)境下直接與氚系統(tǒng)進(jìn)行交互,有助于研究氚系統(tǒng)中氚發(fā)生泄露時(shí)的動(dòng)態(tài)擴(kuò)散過(guò)程與擴(kuò)散機(jī)理,為制定氚泄露時(shí)人員防護(hù)方案提供依據(jù),模擬分析的結(jié)果能夠輔助氚工廠中氚安全包容系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì).

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

氚擴(kuò)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(gè)結(jié)構(gòu)模塊,具體設(shè)計(jì)架構(gòu)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(chǎng)景中漫游,且具有貼合實(shí)際的物理碰撞效果；粒子系統(tǒng)模塊用于實(shí)現(xiàn)氚擴(kuò)散的動(dòng)態(tài)模擬與濃度分布顯示；事故模擬模塊用于氚濃度值實(shí)時(shí)查詢與模擬過(guò)程的實(shí)時(shí)控制.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)架構(gòu)圖

3 關(guān)鍵方法

使用Unity3D 作為虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行氚泄漏擴(kuò)散模擬,在仿真過(guò)程中,需要以氚系統(tǒng)中相關(guān)氚工藝設(shè)備的模型結(jié)構(gòu)與工程參數(shù)為參考.具體技術(shù)路線如圖2.

圖2 氚擴(kuò)散虛擬仿真技術(shù)路線圖

3.1 氚系統(tǒng)安全分析

采用預(yù)先危險(xiǎn)性分析(PHA)方法進(jìn)行氚系統(tǒng)安全分析,以確定事故仿真對(duì)象.PHA 是一種定性分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)內(nèi)危險(xiǎn)因素與危險(xiǎn)程度的方法,分析內(nèi)容包括系統(tǒng)潛在的危險(xiǎn)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(chǎng)景搭建

為搭建具有較強(qiáng)真實(shí)感的三維虛擬場(chǎng)景,在CATIA 中依據(jù)相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸,建立符合實(shí)際的氚系統(tǒng)三維幾何模型,并導(dǎo)入3ds Max 中,進(jìn)行模型的材質(zhì)、貼圖效果渲染,最后在Unity3D 中完成三維虛擬場(chǎng)景的搭建.為提高氚擴(kuò)散效果的逼真性和模型的辨識(shí)性,在三維場(chǎng)景中添加組件名稱、燈光與攝像機(jī).

3.3 粒子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(dòng)態(tài)物體.目前模擬動(dòng)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(yùn)動(dòng)屬性(位置、速度) 與生存屬性(數(shù)量、生命值),粒子屬性依據(jù)物體本身的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和物理要素,隨時(shí)間不斷變化[14].

本文通過(guò)粒子系統(tǒng)方法進(jìn)行氚擴(kuò)散機(jī)制研究,由氚粒子運(yùn)動(dòng)體現(xiàn)氚擴(kuò)散過(guò)程,應(yīng)用粒子系統(tǒng)模擬氚擴(kuò)散的方法流程如圖4.

圖4 粒子系統(tǒng)模擬氚擴(kuò)散方法流程圖

3.3.1 粒子動(dòng)力學(xué)分析

粒子產(chǎn)生的初始位置位于氚泄漏口處,泄漏時(shí)的速度和流量大小與事故工況參數(shù)有關(guān),初始泄漏速度的計(jì)算公式[15]為

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

則初始泄漏質(zhì)量流量的計(jì)算公式為：

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

氚擴(kuò)散過(guò)程中伴隨著濃度變化,為了分析氚泄漏釋放的危害性,通過(guò)放射性活度與質(zhì)量的關(guān)系式[16]將質(zhì)量流量單位進(jìn)行轉(zhuǎn)化：

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

考慮到氚系統(tǒng)的復(fù)雜性與氚的特殊物理屬性,本文在分析氚粒子運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,有以下假設(shè)：

1)氚視為一種不可壓縮且無(wú)粘性特征的理想流體；

2) 氚在整個(gè)擴(kuò)散過(guò)程不與任何物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),氚本身狀態(tài)不發(fā)生變化.

當(dāng)氚發(fā)生泄漏時(shí),通排風(fēng)系統(tǒng)會(huì)及時(shí)響應(yīng),氚由于密度小而產(chǎn)生浮力作用,因此在分析粒子運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,考慮風(fēng)力(Fw)、浮力(Fb)和重力(G).

粒子受到的重力大小為：

式中,Q為質(zhì)量流量,m為粒子質(zhì)量,N為粒子發(fā)射率(個(gè)/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(jù)風(fēng)速風(fēng)壓公式[17],粒子受到的風(fēng)力大小為：

式中,ρ′為空氣密度,vw為風(fēng)速大小,s為風(fēng)力對(duì)粒子的作用面積.

因此,氚粒子在擴(kuò)散過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程如下：

式中,v為當(dāng)前粒子速度,v0為粒子初速度(風(fēng)場(chǎng)速度),m為粒子質(zhì)量,S為粒子當(dāng)前位置,S0為粒子初始位置.

粒子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)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(guò)程如圖5.

圖5 粒子碰撞示意圖

由于粒子與物體碰撞過(guò)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(shù),大小范圍為0～1.

3.3.2 粒子屬性設(shè)置

根據(jù)氚泄漏時(shí)的質(zhì)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(shè)置為確定范圍內(nèi)的隨機(jī)數(shù).由于氚本身無(wú)色,基于RGBA 色彩空間,賦予粒子顏色屬性,從而生動(dòng)地展現(xiàn)氚擴(kuò)散的運(yùn)動(dòng)過(guò)程,通過(guò)粒子生命值損耗系數(shù)體現(xiàn)粒子在通風(fēng)作用下的流失狀況,采用公告板技術(shù)使粒子始終面向攝像機(jī),增強(qiáng)沉浸感.

3.4 虛擬場(chǎng)景漫游

仿真系統(tǒng)設(shè)置第一視角與第三視角兩種模式進(jìn)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(guò)對(duì)象的父子節(jié)點(diǎn)配置方法,實(shí)現(xiàn)視角隨角色運(yùn)動(dòng)；基于骨骼人物模型,采用動(dòng)畫狀態(tài)機(jī),設(shè)置第三視角中人物角色的動(dòng)作切換,將攝像機(jī)綁定于人物中,通過(guò)距離插值方法確保視角隨人物平滑移動(dòng).采用腳本代碼實(shí)現(xiàn)交互設(shè)備控制虛擬場(chǎng)景中的角色運(yùn)動(dòng),完成角色在場(chǎng)景中漫游.

為了使人物在漫游過(guò)程中不會(huì)穿越物體,基于物理引擎技術(shù),將碰撞器屬性賦予虛擬場(chǎng)景的物體對(duì)象,角色控制器屬性賦予虛擬人物,通過(guò)腳本進(jìn)行碰撞檢測(cè),實(shí)現(xiàn)虛擬漫游過(guò)程的物理碰撞檢測(cè).

通過(guò)正方體單元計(jì)算氚擴(kuò)散過(guò)程中空間位置濃度值,計(jì)算公式如下：

式中,C為濃度值大小(Bq/m3),n為單元內(nèi)粒子數(shù)目,N為粒子發(fā)射率,Q為質(zhì)量流量,B為放射性核素活度,V為監(jiān)測(cè)單元體積.以可移動(dòng)的正方體單元作為監(jiān)測(cè)點(diǎn),通過(guò)界面輸入框確定監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置,采用腳本檢測(cè)出所在位置的濃度值大小,并返回給界面,實(shí)現(xiàn)氚擴(kuò)散過(guò)程中濃度值實(shí)時(shí)顯示.

基于Unity3D 的圖形界面開發(fā)技術(shù),將腳本代碼與按鈕組件綁定,實(shí)現(xiàn)第一、第三視角的實(shí)時(shí)切換與氚泄漏事故模擬的實(shí)時(shí)控制.

4 仿真案例

以ITER 氚提取系統(tǒng)(TES)為例進(jìn)行氚泄漏擴(kuò)散仿真,氚提取系統(tǒng)的主要功能是將實(shí)驗(yàn)包層產(chǎn)生的氚分離、純化、儲(chǔ)存,并送往聚變堆芯反應(yīng).案例仿真的硬件平臺(tái)為PC 機(jī)(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(fù)雜性,將其進(jìn)行簡(jiǎn)化,通過(guò)分析確定主要涉氚組件與氚的運(yùn)輸流程,得到氚提取系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局圖,如圖6.

圖6 TES 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局圖

通過(guò)資料分析可知,氚提取系統(tǒng)采用多重包容系統(tǒng)結(jié)構(gòu),設(shè)備管道為初級(jí)包容系統(tǒng),手套箱為次級(jí)包容系統(tǒng),操作室為第三級(jí)包容系統(tǒng),工作人員處于操作室中[18].結(jié)合涉氚組件的工藝條件,對(duì)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(jìn)行預(yù)先危險(xiǎn)性分析(PHA),分析結(jié)果見表1和表2.

通過(guò)上述分析結(jié)果可知,氫同位素分離柱發(fā)生泄漏會(huì)導(dǎo)致手套箱內(nèi)氚濃度快速上升,且可能引發(fā)燃燒爆炸等嚴(yán)重事故,手套箱連接處管道發(fā)生泄露會(huì)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(chǎng)景搭建

依據(jù)TES 系統(tǒng)相關(guān)結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)尺寸[18],進(jìn)行三維仿真模型的構(gòu)建,依照?qǐng)D6布局連接氚組件,添加燈光、攝像機(jī),通過(guò)粒子系統(tǒng)模擬正常工況下氚在管道內(nèi)流動(dòng)過(guò)程,加入骨骼人物角色模型于場(chǎng)景中.最終搭建的TES 系統(tǒng)三維虛擬場(chǎng)景如圖7.

圖7 正常工況下的TES 系統(tǒng)三維虛擬場(chǎng)景圖

4.3 氚泄露擴(kuò)散仿真

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

表3 氚的主要物理參數(shù)

根據(jù)文獻(xiàn)[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(shù)據(jù),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(guò)公式(1)、(2)、(3)、(5)、(6)計(jì)算出氚泄漏的質(zhì)量流量,單個(gè)粒子受到的浮力與單個(gè)粒子受到的風(fēng)力,結(jié)合相關(guān)系統(tǒng)參數(shù),得到兩類事故下的物理工況參數(shù)表(見表4).

表4 兩類事故下的工況參數(shù)表

以本文設(shè)計(jì)的粒子系統(tǒng)進(jìn)行氚擴(kuò)散動(dòng)態(tài)模擬,經(jīng)過(guò)多次模擬測(cè)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(shù)k=0.8,出風(fēng)口邊界處粒子生命值損耗系數(shù)為0.3.結(jié)合腳本編程與粒子系統(tǒng)的控制面板界面,實(shí)現(xiàn)事故工況下氚泄漏擴(kuò)散三維動(dòng)態(tài)仿真,仿真結(jié)果如圖8和圖9.

由仿真結(jié)果可知,氫同位素分離柱發(fā)生泄漏時(shí),氚在風(fēng)場(chǎng)與浮力的作用下,逐漸向左上方擴(kuò)散,大約15 秒與排風(fēng)口側(cè)面接觸,隨后在壁面作用下,部分氚氣體開始往右擴(kuò)散,大約45 秒,氚充滿整個(gè)手套箱,手套箱能夠一定程度上將泄露的氚進(jìn)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(shí),氚在風(fēng)場(chǎng)與浮力的作用下,開始在操作室內(nèi)擴(kuò)散,逐漸充滿整個(gè)操作室內(nèi)部.

通過(guò)濃度查詢功能,可以獲取事故工況下,氚擴(kuò)散過(guò)程中空間濃度分布情況.以場(chǎng)景中靠近虛擬人的手套箱左下角為坐標(biāo)中心點(diǎn),獲取三維空間中不同位置的氚濃度大小,具體數(shù)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(kuò)散過(guò)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(yuǎn)高于氚安全限值,屬于高危險(xiǎn)區(qū)域,將嚴(yán)重危害氚提取系統(tǒng)的安全性.因此在氚包容系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(fēng)險(xiǎn)結(jié)構(gòu)的包容設(shè)計(jì),以此預(yù)防事故的發(fā)生.

5 結(jié)論與展望

本文結(jié)合Unity3D、CATIA V5、3ds Max 2016和Visual Studio 2013,通過(guò)粒子系統(tǒng)方法模擬氚泄漏事故的動(dòng)態(tài)擴(kuò)散過(guò)程,利用虛擬漫游與界面開發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能,最終完成了氚擴(kuò)散虛擬仿真系統(tǒng)原型的設(shè)計(jì)與研發(fā).仿真系統(tǒng)具有良好的交互性,可實(shí)現(xiàn)用戶在虛擬環(huán)境中與高危險(xiǎn)性氚系統(tǒng)的直接交互,仿真結(jié)果直觀、實(shí)時(shí)地顯示了氚泄漏的動(dòng)態(tài)擴(kuò)散過(guò)程和濃度變化情況,對(duì)科學(xué)制定氚擴(kuò)散的安全防護(hù)措施具有積極意義.后續(xù)工作將在粒子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)精確設(shè)計(jì)、氚應(yīng)急處理系統(tǒng)仿真等方面進(jìn)一步研究.