核燃料設(shè)計與性能分析平臺的研發(fā)

劉欣 汪洋 韋俊

摘? 要： 目前核燃料性能分析領(lǐng)域存在軟件版本多、設(shè)計數(shù)據(jù)分散、設(shè)計平臺沒有統(tǒng)一、設(shè)計過程難以管理等問題，難以適應(yīng)目前面臨的多機組、多技術(shù)路線、快速迭代的核電項目設(shè)計發(fā)展形勢。核燃料設(shè)計與性能分析平臺（FEPAC）在集成核燃料分析軟件的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了對核燃料設(shè)計上游接口、創(chuàng)建算例、提取結(jié)果、驗證設(shè)計準則、生成工程報告和記錄安審反饋等全過程管理，達到了管控集中、流程規(guī)范、過程受控、效率提升、減少人因錯誤等目的。平臺不僅便于各款軟件及時更新和共享，而且簡單直觀的標(biāo)準化操作界面提高了業(yè)務(wù)人員設(shè)計的效率和質(zhì)量，為燃料軟件研發(fā)和工程分析提供了保障。

關(guān)鍵詞： 核燃料;設(shè)計;性能分析;FEPAC;平臺;JAVA

【Abstract】： At present， there are many problems in the field of nuclear fuel performance analysis， such as many software versions， scattered design data， lack of uniform design platform， difficult management of design process， etc. It is difficult to adapt to the current situation of nuclear power project design and development facing multi-unit， multi-technology line and rapid iteration. The Nuclear Fuel Design and Performance Analysis Platform （FEPAC） integrates software for nuclear fuel analysis， realizes the whole process management of the upstream interface of nuclear fuel design， the creation of calculation cases， the extraction of calculation results， the verification of design criteria， the generation of engineering reports and the recording of security review feedback， and achieves centralized management and control， process specification， process control， efficiency improvement， and human error reduction. The platform not only facilitates the timely updating and sharing of all kinds of software， but also improves the efficiency and quality of business personnel design through a simple and intuitive standardized operation interface， which provides a guarantee for the development of fuel software and engineering analysis.

【Key words】： Nuclear fuel; Design; Performance analysis; FEPAC; Platform; JAVA

0? 引言

核燃料設(shè)計與性能分析評價是反應(yīng)堆堆芯設(shè)計的重要組成部分，隨著新堆型、新方法、新軟件的不斷推出，為了適應(yīng)核電項目設(shè)計快速迭代的要求，有必要建立統(tǒng)一、規(guī)范、安全、高效的分析平臺，將核燃料設(shè)計與性能分析軟件進行統(tǒng)一管理，以提高性能分析的質(zhì)量和效率。

基于以上狀況，開展了核燃料設(shè)計與性能分析平臺（FEPAC）的研發(fā)。平臺完成現(xiàn)有分析軟件的集成，實現(xiàn)統(tǒng)一操作。提供從軟件調(diào)用開始，到生成輸入卡進行計算，最終得到分析結(jié)果。各軟件被承載和共用，一體化的集成將工業(yè)化和信息化相結(jié)合，不僅便于軟件及時更新和共享，而且標(biāo)準的操作流程使分析效率和質(zhì)量得到很大提高，達到了管控集中和減少人因錯誤等目的[1-2]。

1? 核燃料性能分析概述及現(xiàn)狀

1.1? 核燃料性能分析概述

核燃料性能分析業(yè)務(wù)類型可分為單項分析和工程設(shè)計兩類。單項分析是指開展單個計算軟件的計算分析工作，對某些特定現(xiàn)象進行針對性分析。工程設(shè)計是指利用一個或多個計算軟件來實現(xiàn)核電工程設(shè)計過程分析功能，從而滿足工程設(shè)計項目的需要。

依據(jù)我國壓水堆核電廠反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計-堆芯第3部分（NB/T 20057.3—2012）的相關(guān)規(guī)定，現(xiàn)有燃料設(shè)計需關(guān)注燃料棒堆內(nèi)行為、燃料組件壓緊力大小、流致振動、控制棒落棒等多種現(xiàn)象。幾乎每種特定現(xiàn)象均有專有軟件與之對應(yīng)進行分析[3]。

1.2? 核燃料性能分析現(xiàn)狀

在日常業(yè)務(wù)分析中，由于自主性能分析軟件開發(fā)歷經(jīng)數(shù)年，開發(fā)團隊不統(tǒng)一、用戶使用習(xí)慣、技術(shù)限制等原因，目前的軟件在實際的性能分析和工程設(shè)計過程中有以下問題：

（1）計算軟件存放分散，版本較多，調(diào)用方式不統(tǒng)一;

（2）各軟件采用命令行式的調(diào)用方法，其調(diào)用命令和輸入格式不統(tǒng)一，界面不夠友好，使用不便;

（3）軟件輸入卡采用文本輸入，易發(fā)生人為錯誤;

（4）設(shè)計過程數(shù)據(jù)分散，設(shè)計流程難以控制，設(shè)計過程缺乏有效管理;

（5）設(shè)計校核工作量大，設(shè)計質(zhì)量難以保證，容易發(fā)生設(shè)計報告結(jié)果和計算數(shù)據(jù)不一致的質(zhì)量事件。

同時，隨著核電堆型技術(shù)的發(fā)展，行業(yè)內(nèi)也針對不同堆型正在開發(fā)核燃料自主軟件包。FEPAC平臺的開發(fā)有利于集成行業(yè)內(nèi)不同堆型的軟件包，為實現(xiàn)多種堆型的燃料工程設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

2? 關(guān)鍵技術(shù)

FEPAC結(jié)合核燃料工程設(shè)計流程，形成有特色的面向核燃料工程設(shè)計全過程的綜合性能分析平臺。其中的關(guān)鍵技術(shù)主要有：

（1）根據(jù)實際工程分析流程設(shè)計的人機界面

現(xiàn)有單個計算軟件沒有統(tǒng)一的圖形調(diào)用界面，通過分析核燃料工程分析設(shè)計流程，對各款軟件內(nèi)部的數(shù)據(jù)接口進行了解，實現(xiàn)其接口間數(shù)據(jù)的自動提取，結(jié)合實際分析流程設(shè)計合理的人機界面。

（2）簡單高效的計算軟件集成技術(shù)

由于各款計算軟件的輸入卡格式及其調(diào)用方式均不同，為方便平臺集成，對輸入卡進行整合研究，以形成統(tǒng)一的輸入界面，并實現(xiàn)軟件的統(tǒng)一調(diào)用。平臺調(diào)用命令統(tǒng)一采用如下格式：“分析軟件.exe -i 輸入文件 -o 輸入文件 -lang 語言選項 -outDir 輸出文件所在目錄 …”。采用軟件適配器的設(shè)計思路，實現(xiàn)對輸入卡格式的雙向轉(zhuǎn)換及調(diào)用參數(shù)的傳遞，解決不同軟件在平臺下的統(tǒng)一調(diào)用問題。

（3）輸入界面動態(tài)生成技術(shù)

平臺統(tǒng)一計算軟件輸入卡為INI格式文件，根據(jù)解析，可將其參數(shù)名稱、數(shù)據(jù)、單位等動態(tài)加載至界面。該方式規(guī)范了各軟件的輸入形式，便于平臺界面維護和后續(xù)軟件集成。

（4）自動化、智能化的計算分析結(jié)果后處理技術(shù)

實際工程分析中，計算后對結(jié)果的提取及分析需要耗費大量時間，且容易發(fā)生人因失誤。為使結(jié)果分析更加可靠，平臺對結(jié)果文件進行處理，自動提取所需結(jié)果參數(shù)，并和驗證準則進行比較，以直接給出驗證結(jié)果。分析結(jié)果后，平臺采用基于XML格式的WORD文檔生成技術(shù)，能夠快速的將結(jié)果數(shù)據(jù)生成至工程報告，很大程度提高了業(yè)務(wù)人員的分析效率。

（5）多算例、多計算軟件環(huán)境下的并行計算技術(shù)

由于核燃料工程設(shè)計過程中分析算例較多，平臺采用多線程并行調(diào)用計算的方式實現(xiàn)多算例同時計算，用戶可自行選擇并行計算數(shù)量，進一步提升設(shè)計效率。

3? 系統(tǒng)建設(shè)

3.1? 語言及工具

平臺采用面向?qū)ο缶幊趟枷氲腏ava語言，結(jié)合Eclipse工具進行設(shè)計與開發(fā)。Java語言不僅跨平臺，而且自身有標(biāo)準庫支持，這些優(yōu)勢能夠滿足功能要求。由于FEPAC需要大量界面布局、參數(shù)和事件處理等，而Eclipse基于Java提供的開發(fā)平臺，便于進行統(tǒng)一和美觀的圖形界面設(shè)計，使開發(fā)更高效[4-5]。

3.2? 邏輯架構(gòu)設(shè)計

平臺架構(gòu)設(shè)計位于開發(fā)過程的前期階段，其功能在于指導(dǎo)后續(xù)各個方面的設(shè)計[6]?？紤]到平臺大量交互的特點，因此采用交互性強且安全可靠的C/S架構(gòu)[7-8]。平臺架構(gòu)按層次分為界面展現(xiàn)層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)訪問層3層。邏輯架構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

（1）界面展現(xiàn)層

該層實現(xiàn)用戶和平臺的交互，構(gòu)成元素包括下拉列表、文本框等，完成算例導(dǎo)航、輸入輸出界面等展示，后臺的業(yè)務(wù)操作流程由該層提交操作后開始[9]。

（2）業(yè)務(wù)邏輯層

該層用于實現(xiàn)平臺的業(yè)務(wù)流程，通過分析用戶提交的請求確定業(yè)務(wù)邏輯，實現(xiàn)工程管理、算例管理、輸入輸出管理、計算管理等處理[9]。計算管理模塊通過命令行調(diào)用性能分析軟件包，并預(yù)留其他軟件調(diào)用接口，使得平臺和軟件之間相對獨立，具有低耦合、易擴展的特點;

（3）數(shù)據(jù)訪問層

該層用于處理業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的存儲和提取。本設(shè)計預(yù)留與數(shù)據(jù)庫訪問的接口，方便后續(xù)實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的支持。

3.3? 物理架構(gòu)設(shè)計

平臺部署在計算服務(wù)器上，通過集團內(nèi)網(wǎng)訪問打印服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、文件服務(wù)器，用戶通過集體內(nèi)網(wǎng)采用終端訪問的方式訪問計算服務(wù)器上的FEPAC平臺實現(xiàn)計算功能。物理架構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

該架構(gòu)采用分散部署的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)文件和程序的物理分離，使平臺具有更好的擴展性，同時支持多用戶并行訪問，滿足計算需要。

本架構(gòu)具有很好的靈活性，也可以根據(jù)實際硬件條件和項目需要，將打印服務(wù)、文件服務(wù)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)、計算服務(wù)等安裝在一臺硬件服務(wù)器上，降低FEPAC平臺對硬件的需求。

3.4? 業(yè)務(wù)流程

平臺業(yè)務(wù)類型分單項分析和工程設(shè)計兩類?；玖鞒虨樾陆üこ蹋ɑ虼蜷_工程）→選擇分析子項（可選）→新建算例（或?qū)?、打開算例）→加載或輸入計算參數(shù)→參數(shù)檢查→計算（可批量）→查看計算結(jié)果→關(guān)閉工程，并根據(jù)實際情況為工程設(shè)計業(yè)務(wù)開發(fā)了“新建工程算例”和“查看工程計算結(jié)果”。平臺業(yè)務(wù)流程如圖3所示。

3.5? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

按照模塊化設(shè)計的思想，F(xiàn)EPAC平臺分為六個模塊：主界面、工程及算例管理、輸入管理、計算管理、輸出管理和系統(tǒng)設(shè)置。模塊間關(guān)系為：輸入管理模塊保存的輸入卡供計算管理模塊使用，為計算管理模塊提供輸入;輸出管理模塊使用計算管理模塊的結(jié)果，生成文本輸出和圖形輸出;工程及算例管理模塊的新建算例中分析軟件的類型來源于分析軟件管理模塊;系統(tǒng)設(shè)置模塊和其它模塊相對獨立，供用戶進行中英文語言切換和界面風(fēng)格設(shè)置等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.6? 平臺特點

相比原來的性能分析方式，在FEPAC平臺上開展性能分析工作具有以下優(yōu)點：

（1）更加友好的操作界面：FEPAC平臺具有窗口化的操作界面，易學(xué)易用;實現(xiàn)了輸入?yún)?shù)的合法性檢查，由平臺智能實現(xiàn)絕大部分輸入錯誤的識別與準確定位，極大地減少人為輸入錯誤;實現(xiàn)了計算結(jié)果的圖形化展示，使計算結(jié)果更直觀;

（2）更加便捷的接口處理功能：FEPAC平臺具有自動提取計算軟件間的數(shù)據(jù)接口;平臺與計算軟件的調(diào)用接口命令統(tǒng)一，輸入可配置，可擴展性強，方便后續(xù)軟件集成;

（3）更加智能、高效的后處理功能：通過自動化后處理功能，減少人為操作，從而減少人因失誤，使得計算結(jié)果更加穩(wěn)定可靠;自動提取計算結(jié)果，自動驗證設(shè)計準則，自動生成報告;

（4）更加高效的工程設(shè)計管理功能：FEPAC平臺實現(xiàn)了核燃料對核燃料設(shè)計從上游接口、創(chuàng)建計算算例、提取計算結(jié)果、驗證設(shè)計準則、到生成報告的全過程管理;實現(xiàn)了對軟件算例從新建、編輯、計算、結(jié)果查看到刪除等操作的全生命期管理;實現(xiàn)了算例的并行計算功能，計算效率更高。

4? 總結(jié)

FEPAC將多款核燃料設(shè)計軟件集成后進行統(tǒng)一管理，包括燃料棒、燃料組件和相關(guān)組件的計算軟件，統(tǒng)一了各款軟件輸入格式和調(diào)用方式，實現(xiàn)了計算參數(shù)的界面輸入和校驗，實現(xiàn)了計算結(jié)果的圖形化展示，形成了核燃料一體化設(shè)計與性能分析平臺。該平臺和傳統(tǒng)的性能分析軟件相比，有更加友好的操作界面，有更加智能的后處理功能，有更加高效的工程設(shè)計管理功能，計算軟件集成簡單方便，有良好的擴展能力。經(jīng)過驗證，平臺功能滿足工程要求，能夠準確分析燃料的堆內(nèi)行為、預(yù)測燃料的性能，實現(xiàn)了燃料整體分析流程的革命性改進。

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