基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的氚粒子擴散三維仿真系統(tǒng)①

陳威虎,楊子輝,夏 源,霍前超,王海霞,汪建業(yè)

1(中國科學(xué)院 合肥物質(zhì)科學(xué)研究院,合肥 230031)

2(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),合肥 230026)

3(中國艦船研究設(shè)計中心,武漢 430064)

1 引言

中國聚變工程實驗堆(CFETR)是中國自主設(shè)計和研制并聯(lián)合國際合作的科學(xué)工程,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,需要通過聚變核反應(yīng)實現(xiàn)自持.CFETR 氚工廠的主要包括了氚提取、氚排灰處理系統(tǒng)、氚貯存等子系統(tǒng).排灰處理系統(tǒng)(TEP),作為聚變反應(yīng)堆氘氚燃料循環(huán)系統(tǒng)中的3 個主要的氚回收子系統(tǒng)之一,用于處理含有雜質(zhì)的氚氣體同時用來維持氚燃料的自持,最終將尾氣中的氚降至廢棄凈化單元可以處理的量[1].

氚的主要形式有兩種,即氣態(tài)氚和氚水.這兩種形態(tài)均具有較強的放射性,對人體的輻射危害極大,同時也具有很強的滲透特性和擴散特性,會在空間中快速擴散.

1.1 氚安全包容系統(tǒng)

氚安全包容系統(tǒng),目的是防止放射性物質(zhì)氚的滲透和擴散影響工作人員以及公眾環(huán)境[2],氚安全包容系統(tǒng)采取3 層包容策略.

第1 層包容,即氚安全包容的第一道物理屏障,包含了氚運輸管道、滲透器、增壓泵、真空泵等設(shè)備.其中管道用于氣體的運輸,滲透器是基于Pd-Ag 合金膜的滲透,處理排灰氣體,達到氫同位素與雜質(zhì)氣體的初步分離,增壓泵提供動力,將排灰氣體輸入滲透器進行處理,真空泵提供動力,使得處理過后的排灰氣體輸出滲透器,以便于進入下一個流程.

第2 層包容,即氚安全包容的第2 層物理屏障,包含了手套箱等設(shè)備.由于氚的滲透性和擴散性,當(dāng)其從第1 層包容中滲透出來后,將會由設(shè)備外的手套箱進行第2 層包容.

第3 層包容,即氚安全包容的第3 層物理屏障,即工藝房間.當(dāng)氚從前兩層包容滲透出后,工藝房間作為第3 層包容開始發(fā)揮作用.

當(dāng)前的氚安全包容系統(tǒng)的安全性研究涉及系統(tǒng)設(shè)備布局、氚氣體的擴散過程及其空間的濃度分布等方面,僅依靠理論分析和數(shù)值計算難以達到直觀的分析效果,通過引入虛擬仿真的方法可以有效解決大量計算數(shù)據(jù)難以直觀分析的問題.虛擬仿真可以在空間上對設(shè)備進行模擬布局,對氚氣體在氚安全包容系統(tǒng)中的擴散滲透效果進行三維的可視化,為氚安全包容系統(tǒng)的安全性驗證提供參考依據(jù).

1.2 研究現(xiàn)狀

當(dāng)前的氚處理系統(tǒng)處于設(shè)計與樣機建設(shè)階段,其中南華大學(xué)劉貴議等人分析了通風(fēng)對氚泄漏擴散及濃度分布的影響[3,4],上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院基于氚擴散的基本模型建立了氚擴散行為的一維模擬程序[5],南開大學(xué)研究了Li2TiO3晶體中氚在表面的擴散(表面擴散)和從內(nèi)部到表面的擴散(跳躍擴散)[6].國外的蘭卡斯特大學(xué)工程系使用密度泛函理論計算了氚擴散的激活勢壘[7].當(dāng)前的主要研究成果,無論是系統(tǒng)的運作過程或是數(shù)據(jù)模擬主要是偏向于一維或二維的研究,難以在三維空間中進行氚安全包容系統(tǒng)的驗證.

隨著虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)在各大領(lǐng)域的不斷發(fā)展,虛擬仿真成為各個領(lǐng)域中不可或缺的技術(shù)手段.其中韓國原子能研究KJeong 等基于Unity3D 引擎,對反應(yīng)堆水池內(nèi)的輻射劑量進行了可視化與計算[8],江蘇科技大學(xué)利用粒子系統(tǒng)實現(xiàn)了艦船火災(zāi)消防系統(tǒng)中的火災(zāi)模擬,中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院核能安全技術(shù)研究所曹歡等基于Unity3D 對氚提取過程中的擴散效果進行了設(shè)計與仿真[9],中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院核能安全技術(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[10].

Unity3D 引擎中粒子系統(tǒng)(particle system)帶有物理引擎和豐富的參數(shù)設(shè)置,包括生命周期、顏色、大小等等參數(shù)[11,12],可以有效地對氚的擴散過程進行仿真.

在前期的工作基礎(chǔ)之上,本文利用計算數(shù)據(jù)對粒子系統(tǒng)進行驅(qū)動,實現(xiàn)氚粒子擴散過程中的動態(tài)變化的模擬,并面向排灰處理系統(tǒng)進行可視化分析,對不同時刻的氚泄漏數(shù)值進行空間上的數(shù)值模擬.數(shù)據(jù)驅(qū)動下的粒子系統(tǒng)可以讓氚的擴散和泄漏的仿真結(jié)果更加真實直觀.

1.3 本文研究內(nèi)容

本文基于CATIA、3DMax 建模軟件及Unity3D引擎,搭建了聚變堆氚粒子擴散三維仿真系統(tǒng),構(gòu)建了氚工廠氚安全多層包容場景,通過計算數(shù)據(jù)與粒子系統(tǒng)結(jié)合的方法,對氚輸運過程與擴散結(jié)果進行了可視化分析.

將CFETR中的排灰處理系統(tǒng)作為案例,驗證了氚安全包容系統(tǒng)的安全性.本系統(tǒng)方便分析人員使用,提高了科研人員的工作效率.

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)的總體設(shè)計模塊主要包括了粒子系統(tǒng)模塊、虛擬漫游模塊、事故模擬模塊、用戶交互模塊等.

虛擬漫游可以使用戶進行第一人稱的漫游,并提供視角的快速切換功能,可以快速聚焦局部位置,便于工作人員的研究與分析;粒子系統(tǒng)通過計算數(shù)據(jù)進行驅(qū)動,對氚輸運過程中的泄漏擴散及碰撞進行模擬仿真,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的三維可視化分析;模擬工況模塊提供了不同工況下的氚擴散仿真;用戶交互界面提供了界面的切換、含量查詢以及與其他模塊交互等功能.氚粒子擴散三維仿真系統(tǒng)總體模塊框圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

虛擬漫游模塊讀取交互模塊中的用戶輸入,實現(xiàn)視角漫游及視角切換;模擬工況模塊根據(jù)用戶輸入確定當(dāng)前粒子系統(tǒng)的運行狀態(tài),將不同狀態(tài)下的氚含量數(shù)據(jù)從用戶的輸入中進行讀取并存儲;粒子系統(tǒng)模塊把模擬工況模塊中存儲的數(shù)據(jù)讀入粒子系統(tǒng)中進行處理,最后驅(qū)動相對應(yīng)的粒子系統(tǒng)參數(shù)進行仿真;用戶交互模塊負(fù)責(zé)向其他3 個模塊傳遞用戶的輸入,并提供系統(tǒng)的各部分介紹.

3 關(guān)鍵方法

3.1 氚粒子擴散原理

本系統(tǒng)中對于氚擴散的研究基于單相流體理論,基于Navier-Stokes 方程進行氚輸運過程中的模擬,如式(1)和式(2)所示.

其中,ρ為密度(kg/m3),u為矢量速度(m/s),p為壓力(Pa),τ為粘性應(yīng)力張量(Pa),F為體積力矢量(N/m3).

物理場仿真軟件COMSOL中對流體的計算包括輸送機制、擴散和對流,方程式如(3)所示.

其中,ci為氚濃度(mol/m3),Ri是氚的反應(yīng)速率表達式,u是質(zhì)量平均速度矢量,Ji是質(zhì)量通量擴散通量矢量.

質(zhì)量通量相對于質(zhì)量平均速度,Ji(mol/(m2·s))與上述質(zhì)量平衡方程有關(guān),用于邊界條件和通量計算.氚的輸運通常包括分子擴散引起的質(zhì)量輸運.在這種情況下,質(zhì)量通量定義了擴散通量向量,如式(4)所示.

上述公式是有擴散系數(shù)的輸入場,D代表了氚粒子擴散系數(shù)(m2/s).

本系統(tǒng)中的粒子系統(tǒng)加入碰撞屬性,在氚粒子碰撞到手套箱等含有碰撞體的物體時,將為發(fā)生碰撞,并且進行反彈,此過程伴隨著能量損失和速度變化,可以通過參數(shù)進行調(diào)節(jié),動力學(xué)中的公式如式(5)和式(6):

其中,α1為粒子的入射角,α2為粒子反射角,v1為粒子碰撞前的速度,v2為粒子碰撞后的速度,k為碰撞系數(shù),大小取值范圍為0～1.

3.2 粒子系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)據(jù)驅(qū)動的粒子系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵方法路線如圖2.

圖2 關(guān)鍵技術(shù)路線

首先根據(jù)氚粒子擴散原理使用多物理場仿真軟件COMSOL 得到氚安全包容系統(tǒng)中手套箱內(nèi)離散的氚含量數(shù)據(jù).

由于數(shù)據(jù)在時間上是離散的,本文通過線性插值運算的方法對數(shù)據(jù)進行處理,即在離散數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上補插連續(xù)函數(shù),使得這條連續(xù)曲線通過全部給定的離散數(shù)據(jù)點.

通過C#編程語言編寫讀取數(shù)據(jù)的腳本,將腳本掛載在Unity3D中的粒子系統(tǒng)上,系統(tǒng)運行時粒子系統(tǒng)通過此腳本從txt 文件中讀取時間參數(shù)及氚含量數(shù)據(jù)并存放在數(shù)組中,最后根據(jù)數(shù)組中存儲的數(shù)據(jù)對粒子系統(tǒng)的參數(shù)在一定范圍內(nèi)進行逐幀修改,變化的參數(shù)包括粒子的大小、顏色、生命周期、發(fā)射速率等.為了氚粒子的擴散效果更加真實,對粒子仿真的效果進行模擬測試,得到各參數(shù)合理的取值范圍:粒子的大小取值為0.8～1,粒子的生命周期設(shè)置為0.6～16.8 s,粒子的發(fā)射率為每秒30～40 個.粒子顏色的RGB 取值為:R:235～150,G:20～168,B:20～168,透明度alpha 取值為0.18～0.95.根據(jù)參數(shù)的變化范圍,建立了氚濃度數(shù)據(jù)與粒子系統(tǒng)顏色屬性的映射關(guān)系,隨著含氚氣體的過濾及擴散,含氚氣體中的氚濃度數(shù)據(jù)由初始的最大值逐漸降低,粒子的alpha 取值由0.95 逐漸減小至0.18,最終接近透明,粒子的顏色R的取值隨濃度的降低由235 等梯度降低至150,G 與B的取值由20 等梯度增加至168,由最初的深紅色逐漸變淡,最終變?yōu)闇\紅色.

最終由Unity3D 進行對粒子系統(tǒng)進行實時渲染,完成粒子系統(tǒng)對氚擴散的可視化仿真.

針對氚在第一層包容中的輸運過程,對粒子使用盒子型發(fā)射器進行模擬,針對泄漏的粒子使用球形發(fā)射器.系統(tǒng)中氚輸運的過程應(yīng)用粒子系統(tǒng)實現(xiàn)的方法流程如圖3所示.

圖3 粒子系統(tǒng)模擬氚輸運流程

系統(tǒng)開始運行后,Unity3D 對設(shè)備材質(zhì)進行渲染,粒子系統(tǒng)的參數(shù)根據(jù)讀取的數(shù)據(jù)進行初始化工作,粒子系統(tǒng)不斷發(fā)射新的粒子,每個粒子逐幀檢查自己的生命周期,到達生命周期后進行銷毀,同時對輸運路徑上的下一個粒子系統(tǒng)進行激活,直到所有粒子系統(tǒng)均被激活時,模擬輸運的粒子系統(tǒng)仿真完成.

本系統(tǒng)中氚泄漏擴散的過程應(yīng)用粒子系統(tǒng)實現(xiàn)的方法流程如圖4所示.

圖4 粒子系統(tǒng)模擬氚泄漏擴散流程

系統(tǒng)運行過程中,逐幀將系統(tǒng)運行時間和泄漏粒子系統(tǒng)的延遲激活時間作比較,當(dāng)?shù)竭_泄漏粒子系統(tǒng)的激活時間時,激活粒子系統(tǒng)發(fā)射粒子,直到所有泄漏位置的粒子系統(tǒng)全部激活完畢后,完成泄漏粒子系統(tǒng)的仿真.上述兩部分的粒子系統(tǒng)設(shè)計由Unity3D 進行渲染后,完成粒子系統(tǒng)的整體設(shè)計,實現(xiàn)系統(tǒng)中氚氣體的仿真模擬.

4 仿真案例

本系統(tǒng)以CFETR中的排灰處理系統(tǒng)(TEP)為例進行含氚氣體的輸運及泄漏擴散仿真,排灰處理系統(tǒng)的主要功能是處理含有雜質(zhì)的氚氣體,同時用來維持氚燃料的自持,最終將尾氣中的氚降至廢棄凈化單元可以處理的量.

4.1 排灰處理系統(tǒng)的設(shè)備建模及場景搭建

設(shè)備的建模根據(jù)CFETR 排灰處理系統(tǒng)的工程圖紙設(shè)計,主要使用了CATIA、3DMax 進行設(shè)備建模,包括手套箱模型,管道模型,配電柜模型,氣體緩沖罐模型等等.

根據(jù)CFETR 排灰處理系統(tǒng)的設(shè)備布局要求與管道連接準(zhǔn)則,氚工廠的工藝房間設(shè)備按照工程項目資料進行設(shè)置,最后對地面與房間的貼圖進行細(xì)化,并設(shè)置光源使得虛擬環(huán)境更加真實.

4.2 排灰處理系統(tǒng)虛擬漫游及用戶界面設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)置第一視角模式進行虛擬漫游.通過Unity3D 內(nèi)置的Lerp 插值函數(shù)使用距離插值方法確保視角的平滑移動.

基于Unity3D的圖形UI 界面開發(fā)技術(shù),設(shè)置快速切換視角的操作按鈕,實現(xiàn)局部視角和全局視角的實時切換,輔助場景漫游的操作為用戶提供更高效的漫游體驗.

本系統(tǒng)給用戶提供了多種功能按鈕,包括不同工況運行,泄漏時刻的氚含量查詢,子部件介紹,粒子系統(tǒng)仿真的暫停播放等等.如圖5為氚正常輸運時的場景漫游圖.

圖5 正常工況下的TEP 系統(tǒng)三維虛擬場景圖

4.3 氚的滲透泄漏擴散仿真

氚的主要物理參數(shù)如表1[13].

表1 氚的主要物理參數(shù)

本系統(tǒng)使用計算數(shù)據(jù)與粒子系統(tǒng)結(jié)合的方法進行擴散模擬與可視化分析,氚的泄漏擴散仿真結(jié)果更貼合實際.

基于氚的擴散原理,通過COMSOL 軟件仿真計算,可以得到氚泄漏時手套箱內(nèi)氚的含量隨時間變化的數(shù)據(jù),部分?jǐn)?shù)據(jù)如表2所示.數(shù)據(jù)曲線擬合結(jié)果如圖6.

圖6 數(shù)據(jù)曲線擬合結(jié)果

表2 手套箱內(nèi)氚含量隨時間的變化

根據(jù)上述擬合曲線對粒子系統(tǒng)的參數(shù)面板進行曲線的整體設(shè)置.

通過C#腳本編寫,從txt 文件中讀取數(shù)據(jù)對粒子系統(tǒng)的參數(shù)進行逐幀修改并進行仿真,得到的效果如圖7–圖9所示.

圖7 管道(第1 層包容)與滲透器連接處滲透

圖8 含氚氣體充滿手套箱(第2 層包容)

圖9 含氚氣體滲透進入廠房(第3 層包容)

粒子系統(tǒng)的仿真效果表明,氚凈化與分離系統(tǒng)啟用后,含氚氣體依次流經(jīng)管道、增壓泵、滲透器等設(shè)備,其中管道作為第1 層包容有一定的包容效果,滲透量不明顯;輸運管道與滲透器連接位置的滲透和泄漏較多,第1 級凈化前的增壓泵位置泄漏較明顯,此種泄漏問題多由接口的密封性或材料問題所導(dǎo)致;手套箱作為第2 層包容,其密封邊框首先開始發(fā)生滲透與泄漏,同時有少部分氣體從工作人員操作位置發(fā)生滲透.

圖中的可視化數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明,含氚氣體從管道(第1 層包容) 滲透泄漏到充滿手套箱(第2 層包容)大約用時36 s,此時包含滲透器、真空泵在內(nèi)的設(shè)備均被含氚氣體覆蓋.充滿手套箱后,手套箱作為第2 層包容開始發(fā)揮作用,同時手套箱內(nèi)部的氚含量持續(xù)上升,約50 s 后,含氚氣體滲透出手套箱,工藝房間(第3 層包容)開始出現(xiàn)含氚氣體.

上述仿真分析結(jié)果總體表明,本系統(tǒng)有效地對氚安全包容系統(tǒng)的包容特性進行了驗證,并且通過三維可視化的仿真手段,真實地模擬了排灰處理系統(tǒng)的工作流程、氚的擴散特性、氚輸運過程中可能發(fā)生大量滲透泄漏的關(guān)鍵位置等.

本系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)驅(qū)動的粒子系統(tǒng)設(shè)計,在三維空間上對數(shù)據(jù)進行了可視化,相比于二維的計算數(shù)據(jù),仿真效果更加直觀.可以使科研人員更直觀地觀察到氚安全包容系統(tǒng)的安全特性以及氚含量的空間分布.本系統(tǒng)在空間上三維模擬了氚粒子在氚安全包容系統(tǒng)中的擴散過程,科研人員可以根據(jù)氚的擴散情況對排灰處理系統(tǒng)的主要布局進行整體優(yōu)化設(shè)計,包括滲透器的擺放順序、真空泵及增壓泵的布局位置等等;根據(jù)可視化仿真的結(jié)果,科研人員可以針對氚泄漏嚴(yán)重的位置,如滲透器與管道的接口處、手套箱操作區(qū)、手套箱玻璃的密封位置等進行更嚴(yán)格的材料結(jié)構(gòu)設(shè)計,可以有效減少氚滲透泄漏的風(fēng)險,提高氚安全包容系統(tǒng)的安全性.

5 結(jié)論與展望

本文通過計算數(shù)據(jù)驅(qū)動粒子系統(tǒng)的方法,結(jié)合虛擬漫游以及人機界面的交互技術(shù),以中國聚變工程實驗堆CFETR中的排灰處理系統(tǒng)作為案例,對氚輸運以及泄漏擴散的過程進行可視化仿真,驗證了氚安全包容系統(tǒng)的包容特性,模擬了排灰處理系統(tǒng)中部分高風(fēng)險位置的氚滲透與泄漏,仿真結(jié)果直觀,對氚安全包容系統(tǒng)的研究具有重要意義.后續(xù)工作考慮加入人物模型,并模擬工作人員在場景中的各種操作.該系統(tǒng)可擴展應(yīng)用于核電站、艦船等大型設(shè)施典型事故中放射性粒子的擴散仿真.