来源：第三维度
    作者：刘中坤,彭敏俊,朱海山,成守宇,巩诚
    单位：哈尔滨工程大学 核科学与技术学院

    摘要:退役核设施具有放射性,其退役过程危险且复杂,基于虚拟现实等技术的退役虚拟仿真系统可为退役工程提供辅助工具。本文在分析国内外研究成果的基础上,结合一专项退役工程的需求提出了该虚拟仿真系统的功能模块组成。基于软件开发技术进一步给出了系统的框架结构,并对各模块实现的相应技术进行了分析和探讨。分析中结合了计算机软硬件技术的最新研究成果,对退役中的切割、爆破、流体及放射性等的仿真技术进行了探讨。分析表明,基于普通个人计算机也可实现退役过程的全面虚拟仿真。经专家论证本方案具有可行性。

    当前,世界范围内有大量的反应堆及其它核设施处于退役阶段或准备退役阶段[1]。

    核设施退役工程是一项复杂的系统工程。由于即将退役的核设施都具有放射性,所以核设施的退役工程与常规设施的拆除过程相比具有高危险、高污染、过程复杂、工艺要求严格等特点。基于安全性、经济性、合理性的考虑,在实施各项退役工作前,需进行大量准备工作。

    基于虚拟现实技术的虚拟仿真系统可成为退役工程有力的辅助工具,可为退役实施方案的确定、工艺规划及优化、施工关键点分析、人员培训等提供支持平台。

    本文在分析国外相关工作的基础上,结合当前中国101重水研究堆(简称101堆)的退役工程现状提出一个核设施退役虚拟仿真系统的框架方案。

    1 研究现状

    相对于中国,其它国家更早地进入了核设施的退役阶段。并且就虚拟仿真技术在退役工程中的应用开展了大量研究。INEEL报告[2]描述了如何通过仿真退役过程中的切割及收集包装所产生的废物来改进D&D(DecontaminationandDecommissioning)计划和废物管理。它指出,为改进 D&D 计划和废物管理已开发了一个去污、退役、维修优化规划 系 统 (DDROPS),并 已 应 用 于 两 个 INL(IdahoNationalLaboratory)的 核 设 施 退 役 工程中。

   法国的 CEA-LIST 开发了 Chavir(用于法国 的 CHAntier VIRtuel,也 可 称 为 “virtualsite”)虚拟仿真程序,用于放射性工作场所的剂量模拟。Chavir可实现交互式的剂量率的评估,其模型来源于工业 CAD 模型,还可实现机械仿真来验证可达性问题以及机器人的操作问题。Chavir已进入到工业应用的阶 段。其 目标是尽快变成一商业软件工具,用于实现拆解现场的仿真,同时考虑 ALARA 原则来满足专业的需求[3]。

    日本核燃料循环开发署(JNCDI)与日本原子能研究机构、挪威 OECD/NEA Halden的反应堆 项 目 联 合 开 发 了 一 退 役 工 程 支 持 系 统DEXUS(Decommissioning Engineering SupportSystem)。其中的 VRdose是系统的主要模块,用于施工场景的三维模拟,场景中包括虚拟操作人员、辐射场分布以及工具等模型[4]。

    SCK·CEN 于1995年开发了 VISIPLAN3DALARA 软件用于模拟退役场景。软件在三维环境中可实现辐射场的表示,并基于点核模型对部分动态过程实现相应辐射场的仿真计算。可应用于核设施从安装到退役全过程的剂量优化[5]。

    为模拟 退 役 过 程,韩 国 的 KAERI(KoreaAtomic Energy Research Institute)开 发 了DMU(DecommissioningDigitalMock-Up)系统,可实现退役工程中的工艺过程模拟,也能实现辐射场的可视化[6]。

    中国工程物理研究院计算机应用研究所与北京理工大学计算机科学与工程系共同开展了基于虚拟现实的反应堆退役模拟研究,对场景构造、虚拟拆除、虚拟去污、虚拟剂量显示和虚拟作业等关键技术进行了初步研究,并设计了基于虚拟现实的反应堆退役模拟系统[7]。

    2 系统功能分析

    本研究将结合101堆退役工程进行。101堆是中国第1座反应堆,现已安全关闭并进入退役前的准备阶段,由于101堆运行时间长,技术改造多,增加了较多的系统和设备,这些都增加了退役的技术难点;因此,在退役前,必须进行必要的技术和设备的研发与验证,退役人员培养和培训等,为退役工程的实施做好充分的准备。文献[8]阐明了101堆退役的初步规划。

    本文将基于此规划中所涉及的退役活动来规划仿真系统的功能及框架。综合各国在退役虚拟仿真方面的研究可发现,退役虚拟仿真系统主要是以降低工人所接受的辐射剂量及制定合理的工作计划为主要目标。

    其实现的主要内容就是在虚拟的放射性环境下进行各种操作过程的模拟。一般包括核设施被切割拆除的模拟、放射性废物的收集管理过程模拟、辐射剂量场的计算及可视化、可用于模拟操作人员所接受剂量的虚拟人等。但分析发现这些系统仍存在一些不足,例如:

    1)不能模拟复杂的任意位置及形状的切割操作;

    2)不能模拟爆破操作;

    3)不能模拟表面除污操作;

    4)不能模拟操作中的柔体行为,如电缆、绳索、防尘布等;

    5)不能模拟流体行为,如清洗液、操作过程中产生的烟尘等;

    6)辐射场不能随模拟过程在线变化,放射性数据来源于现场测量及第三方软件离线计算等;

    7)不能估算过程中产生的拆除物量或估算不准确等。

    正是由于以上不足,使得现有的退役虚拟仿真系统并不能完全模拟退役过程,许多重要过程得不到反映,很大程度地影响了退役方案制定的合理性。通过以上分析可知,完善的核设施退役虚拟仿真系统除通用虚拟现实软件的功能外 还 应 具 有 以 下 功 能:

    1)能输入来自CAD软件的核设施及退役操作工具三维模型;

    2)各种来源的放射性数据输入,及其动态三维可视化;

    3)能模拟退役过程中的各种工艺操作过程,如切割、清洗、爆破等;

    4)能根据拆除设施的变化情况反映辐射场的相应变化;

    5)可计算退役操作过程中操作人员所受的辐射剂量率;

    6)实现多人交互操作,用以训练退役操作的协同工作等。

    结合实际的工程需求,确定了系统的功能,其功能模块组成如图1所示。

图1 系统功能模块组成
Fig.1 Functionsmoduleofsystem

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