核科学技术学院
 
 
 
 
 
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虚拟仿真实验课程

  核能与核技术工程虚拟仿真实验教学中心下设核能工程、核技术应用两个虚拟仿真实验教学实验室,如图2所示。学生可根据实验项目的要求,通过实验平台提供的仪器设备进行配置、连接、调节和使用虚拟实验仪器、软件开展实验。虚拟仿真实验类型包括验证性实验、综合性实验、设计性实验、创新性实验,对于不同专业有所差别。验证性实验项目占全部虚拟仿真教学实验项目的比例约为29%;综合性、设计性、创新性虚拟仿真实验项目占全部虚拟仿真教学实验项目的比例约为71%。


图 1 核能与核技术工程虚拟仿真实验教学中心构架

(1)反应堆物理仿真实验课程 : 采用连续能量蒙卡程序 MCNP 等先进数值计算工具,配合《核反应堆物理分析》理论课程,为本科、研究生开设微观截面测量模拟实验、临界质量与体积模拟实验、外推临界模拟实验、脉冲源模拟实验等一批反应堆物理仿真实验(见表 1 )。通过以上仿真实验基本实现在临界、次临界、零功率等大型反应堆物理装置上方能开展的实验项目,使学生更好理解并掌握中子与物质相互作用、核反应、临界等反应堆物理理论知识。

表 1  反应堆物理仿真实验课程

序号

开设实验项目

实验类型

面向专业

1

微观截面测量实验

设计性

核工程与核技术、核技术、核反应堆工程、核安全工程、核物理等

2

纯氢慢化剂内的中子慢化能谱

设计性

3

临界质量与临界形状实验模拟

设计性

4

反射层节省的模拟测量

设计性

5

反应堆栅格物理特性实验模拟

设计性

6

控制棒价值的实验模拟

设计性

7

铀溶液装置外推临界实验模拟

设计性

8

FTC 测量实验模拟

设计性

9

MTC 测量实验模拟

设计性

10

脉冲源实验模拟

设计性

实验效果: 使学生初步掌握蒙特卡罗程序 MCNP 的应用,在利用 MCNP 构建虚拟实验的过程中掌握反应堆物理实验的原理、方法,进一步加深对《反应堆物理分析》课程中有关概念、理论的理解。


图 2  反应堆物理仿真实验

(2)核电厂系统与设备虚拟仿真实验课程 : 充分利用南华大学已有秦山 300MW 核电站一代核电模型及具有自主知识产权的 2 + 代 1000MW 核电堆芯实物模拟体,结合南华大学与合作企业中核武汉核电运行技术股份有限公司共同研发的核电站虚拟漫游、虚拟反应堆堆本体、虚拟蒸汽发生器、虚拟反应堆冷却剂泵(主泵)、虚拟换料、虚拟设备定位等虚拟仿真系统,配合《核电厂系统与设备》理论课程,为本科、研究生开设压水堆核电厂系统与设备实验项目(见表 2 )。通过以上仿真实验基本实现只有在运行核电厂方能开展的实验项目,很好地弥补了学生难以实地开展实践教学的困难。


表 2  核电厂系统与设备虚拟仿真实验课程

序号

开设实验项目

实验类型

面向专业

1

核电站虚拟漫游

验证性

核工程与核技术、核技术、核反应堆工程、辐射防护与环境工程、核安全工程、核物理、核能经济等

2

虚拟反应堆堆本体仿真

验证性

3

虚拟蒸汽发生器仿真

验证性

4

虚拟反应堆冷却剂泵(主泵)仿真

验证性

5

虚拟换料仿真

验证性

6

虚拟设备定位系统

验证性

实验效果: ( 1 )通过虚实结合模拟体介绍电站的厂房、设备等。实物模拟体是将电站的厂房、设备等以模型的方式进行展现;虚拟模型是通过三维交互软件 / 多媒体软件,真实模拟和介绍重要厂房、设备的特点和结构等。( 2 )核电站重要操作设备仿真操作。以核电站重要操作设备为对象,如换料机、行吊等,以三维仿真的方式,模拟设备实际工作的现场环境和设备;可通过仿真软盘台方式,建立设备操作控制盘,进行设备操作演练;可预设多种场景和故障等,增强培训效果;可仿真进行设备操作方案的设计与验证,如设备吊装路径规划等。( 3 )仿真模拟检修与装配。以核电站重要设备的模拟对象,通过三维建模,建立设备及检修工器具的详细三维模型;可直观了解设备组成和详细零部件结构,也可模拟设备工作状态下设备零部件动作;可按照设备检修规程,详细模拟设备拆装和检修的工作过程;可用于人员的操作演练及培训;可用于计算机仿真模拟方案验证。( 4 )核电站漫游培训及厂房设备定位导航。浏览核电站厂区环境与厂房布置;浏览核电站主要厂房(核岛厂房、汽轮机厂房、主控室等)的三维模型,厂房内部主要结构和主要设备布置;通过三维导航与二维导航进行指引现场查找厂房内部任意设备所在位置。


图 3  核电厂系统与设备虚拟仿真实验

(3)核电厂运行仿真实验课程 : 采用美国 MST 公司 PCTran 、自主开发 PWR 运行仿真和 SIMULINK-ADS 束流瞬变分析等软件,结合自制压水堆功率调节控制系统演示模型,配合《核电厂运行》理论课程,为本科、研究生开设压水堆的自稳性及自调性仿真、氙中毒特性仿真、点堆动力学仿真、温度效应仿真、反应堆功率控制仿真、稳压器控制仿真、蒸汽发生器工作原理仿真等一批核电厂运行仿真实验(见表 3 )。通过以上仿真实验基本实现只有在大型商业运行核电站启动、功率调节、控制运行、等实验项目,使学生更好理解并掌握核电厂运行、控制及负荷跟踪等关键知识点。

表 3 核电厂运行仿真实验课程

序号

开设实验项目

实验类型

面向专业

1

压水堆的自稳性、自调性仿真

综合性

核工程与核技术、核技术、核反应堆工程、核安全工程等

2

氙中毒特性仿真

验证性

3

点堆动力学仿真

验证性

4

温度效应仿真

设计性

5

反应堆功率控制仿真

设计性

6

稳压器控制仿真

验证性

7

蒸汽发生器工作原理仿真

验证性

实验效果: 让学生能在进入核电厂相关岗位前,就能接受到良好的实践能力培养,熟悉核反应堆安全运行的两个基本任务:一是在正常运行工况下对核反应堆的启动、功率调节、停堆等进行控制,对某些参数进行必要的调节以维持反应堆的稳定运行;另外一个是在任何情况下要保持反应堆的安全停堆,并从堆芯移出热量和限制预计运行事件及事故工况的后果,确保生身及设备安全。课程所使用的教学系统( PWR 仿真软件及 PCTRAN 软件)与核电厂的运行环境基本相同,充分保证仿真实验的实用性和有效性。


图 4  核电厂运行仿真实验

(4)反应堆安全分析仿真实验课程 : 采用美国 MST 公司 PCTran/CPR1000 及《核反应堆安全分析》互动式网络教学平台,配合《反应堆安全分析》理论课程,为本科、研究生开设压水堆甩负荷、压水堆蒸汽发生器管道破裂、压水堆主泵失效(转子锁死)、压水堆失水、压水堆落棒、压水堆失去外电源、压水堆弹棒、压水堆安全壳内蒸汽管道破裂等事故仿真模拟实验(见表 4 )。通过以上仿真实验基本实现 CPR1000 核电厂设计基准事故的仿真与分析,较充分地实现了核电厂事故仿真实验的实用性和有效性。

表 4 反应堆安全分析仿真实验课程

序号

开设实验项目

实验类型

面向专业

1

压水堆甩负荷事故模拟

综合性

核工程与核技术、核技术、核反应堆工程、核安全工程等

2

压水堆蒸汽发生器管道破裂事故模拟

综合性

3

压水堆主泵失效(转子锁死)事故模拟

综合性

4

压水堆失水事故模拟

综合性

5

压水堆落棒事故模拟

综合性

6

压水堆失去外电源事故模拟

综合性

7

压水堆弹棒事故模拟

综合性

8

压水堆安全壳内蒸汽管道破裂事故模拟

综合性

实验效果: 通过对反应堆几种常见事故工况的模拟,并对模拟结果进行分析,理解几种事故下反应堆的运行,为学生掌握和扩展核反应堆安全相关知识提供良好的机会。


图 5 反应堆安全分析仿真实验

(5)先进核能技术仿真实验课程 : 利用南华大学自主开发的 SIMULINK-ADS 、 FFDC 、 HARMONY 等第四代核电堆芯物理仿真分析软件,结合美国 MST 公司的 PCTran/AP1000 、 PCTran/APR1400 、 PCTran/APWR 、 PCTran/MHR 等仿真软件,配合《先进核能技术》理论课程,为本科、研究生开设 ADS 束流瞬变分析、 AP1000 先进核电厂非能动安全特性、压水堆 APR1400 丧失给水事故模拟、压水堆 APWR 丧失给水事故模拟、模块式氦气冷却反应堆 (MHR) 氦气泄露事故模拟等仿真实验(见表 5 )。通过以上仿真实验基本实现先进反应堆实验课程教学。

表 5 先进核能技术仿真实验课程

序号

开设实验项目

实验类型

面向专业

1

AP1000 先进核电厂非能动安全特性研究

综合性

核工程与核技术、核技术、核反应堆工程、核安全工程

2

压水堆 APR1400 丧失给水事故模拟

综合性

3

压水堆 APWR 丧失给水事故模拟

综合性

4

模块式氦气冷却反应堆 (MHR) 氦气泄露事故模拟

综合性

实验效果: 通过对反应堆几种常见事故工况的模拟,并对模拟结果进行分析,理解几种事故下反应堆的运行,为学生掌握和扩展核反应堆安全相关知识提供良好的机会。本仿真实验课程中所使用的 PCTran/AP1000 、 PCTran/APR1400 、 PCTran/APWR 、 PCTran/MHR 仿真软件采用的系统参数与相应堆型的实际系统参数是完全一样的,充分保证仿真实验的实用性和有效性。


图 6  先进核能技术仿真实验

(6)等离子体物理仿真实验课程(在建) : 旨在 通过等离子物理仿真实验的开设,进一步加深磁约束核聚变等离子体物理一些基本概念的理解,了解等离子体物理数值模拟计算的一般思路。目前,主要配合理论课程《等离子物理导论》,利用基于 Matlab 平台开发的等离子物理仿真代码,开设托卡马克等离子体环向截面位形、托卡马克中空间磁力线分布、带电粒子在电磁场中运动的轨迹模拟、一维静电场 PIC 粒子模拟等 4 个实验项目(见表 6 )。

表 6 等离子体物理仿真实验课程

序号

开设实验项目

实验类型

面向专业

1

托卡马克等离子体环向截面位形

验证性

核物理、核工程与核技术、核技术等

2

托卡马克中空间磁力线分布

验证性

3

带电粒子在电磁场中运动的轨迹模拟

验证性

4

一维静电场 PIC 粒子模拟

验证性

实验效果: 加深学生对磁约束核聚变托卡马克装置的磁场位形等基本等离子体物理问题的形象理解。


图 7  等离子体物理仿真物理实验

(7)核资源工程仿真实验课程(在建) : 采用从美国 Itasca 公司引进的适合于铀矿山地下采场稳定性数值仿真分析的大型三维快速拉格朗日分析软件 (FLAC3D) 和从长沙迪迈数码科技股份有限公司引进的适合于铀矿山可视化与数字化仿真的软件 (DMINE) ,配合《铀矿开采》理论课程,为本科、研究生开设铀矿山可视化与数字化仿真和铀矿山地下采场稳定性数值仿真(见表 7 ),解决三维环境的开采设计与过程管理,达到使学生初步掌握铀矿山开采数字化设计与可视化仿真技术与方法的目的。

表 7  核资源工程仿真实验课程

序号

开设实验项目

实验类型

面向专业

1

铀矿山可视化与数字化仿真

设计性

矿物资源工程、矿物加工工程、资源勘查工程等

2

铀矿山地下采场稳定性数 值 仿真

综合性

实验效果: 铀矿山地质数据获取处理,资源估计、储量计算等开采环境评价、开采设计与过程管理是非常复杂的过程,通常需要投入大量人力、物力、财力进行处理、计算与设计,且造成工作重复开展,本系统平台高度集成核资源开发各过程的信息获取与设计,实现真三维环境的开采设计与过程管理,达到使学生初步掌握铀矿山开采数字化设计与可视化仿真技术与方法的目的。


图 8  核资源工程仿真实验

(8)基础物理仿真实验课程 : 采用自主开发的基于服务器 / 浏览器模式的基础物理仿真实验平台,涵盖力学、电学、磁学、热学、光学、近代物理等实验资料,目前为本科生主要开设应用光电效应测量普朗克常数、用电位差计测电源电动势、电表的改装与校准、变阻器的使用和控制电路等基础物理方面的仿真实验(见表 8 ),让学生可以通过校园网在线进行实验预习,在学习中可以看到实物并且可以动手操作,减少对实际仪器的损坏和需求量。

表 8  基础物理仿真实验课程

序号

开设实验项目

实验类型

面向专业

1

应用光电效应测量普朗克常数

验证性

理工科

2

用电位差计测电源电动势

验证性

3

电表的改装与校准

设计性

4

变阻器的使用和控制电路

设计性

实验效果: 仿真仪器可以自由添加和删除,避免了学生误操作而损坏真实仪器;同时使学生能够自由组合实验仪器,尝试各种操作,灵活机动,设计性强。


图 9  基础物理仿真实验

(9)核物理仿真实验课程 : 采用国际通用的开源蒙卡仿真计算程序包 Geant4 、 Srim 和数据分析软件包 AIDA 、 ROOT 等,配合《核辐射探测》、《核物理实验数据处理方法》、《蒙特卡罗方法》等理论课程,为本科、研究生开设 NaI(Tl) 伽玛谱仪的能量分辨与响应、带电粒子的布拉格峰产生、“双臂”能谱仪、基于高能电子与靶相互作用的正电子产生、医用直线加速器系统仿真、离子在固体中的射程、剂量及辐照损伤等仿真实验(见表 9 ),让学生通过全方位的虚拟仿真实验,更好地理解带电粒子、射线与物质相互作用的物理过程,掌握核物理实验的基本思想、基本原理和基本手段。

表 9  核物理仿真实验课程

序号

开设实验项目

实验类型

面向专业

1

NaI(Tl) 伽玛谱仪的能量分辨与响应仿真

验证性

核工程与核技术、核技术、辐射防护与环境工程、核反应堆工程、核安全工程、核物理等

2

带电粒子的布拉格峰产生实验仿真

设计性

3

“双臂”能谱仪实验仿真

综合性

4

基于高能电子与靶相互作用的正电子产生仿真

创新型

5

医用直线加速器系统仿真

设计性

6

离子在固体中的射程、剂量及辐照损伤仿真

综合性

实验效果: 开展核物理基础实验教学往往需借助一些大型的实验设备和系统,包括低、中、高能的粒子加速器、高功率的激光器以及先进的探测器系统。这些实验装置和测量设备的研制成本高、维护运行耗资(包括能源和试验原材料)大,而且涉及强电离辐射等,因而在大学尺度的教学实验室很难大规模展开。上述仿真实验具有物理图像准确直观可视化界面清晰、操作灵活等特点,几乎可以代替真实实验,十分有利用学生视野的开拓、知识结构的提升、综合设计和创新能力的培养。


图 10  核物理仿真实验

(10)医用核技术仿真实验课程 : 采用 从美国 Philips 公司引进的三维适形及调强放射治疗计划系统 ( 教学系统 ) Pinnacle3 、加拿大国家研究中心发行的开源软件 EGSnrc 、 BEAMnrc 及开源软件 Geant4 。配合理论课程《肿瘤放射物理学》为本科、研究生开设肺癌(原发性肝癌)放疗中正向适形与逆向调强计划的比较、鼻咽癌不同放疗计划的剂量学对比、前列腺癌的适形和调强适形放疗、不同能量的 X 射线在膀胱癌放疗中的剂量学比较、三维逆向调强适形放射治疗计划的设计和优化等基于医用加速器或 Co-60 治疗机等大型医用设备的仿真模拟实验(见表 10 )。本仿真实验课程中所使用的三维适形及调强放射治疗计划系统 ( 教学系统 ) 与医院实际使用的系统是完全一样的,保证了仿真实验的实用性和有效性。

表 10  医用核技术仿真实验课程

序号

开设实验项目

实验类型

面向专业

1

肺癌放疗中正向适形与逆向调强计划设计

设计性

核工程与核技术、核技术、辐射防护与环境工程、核物理、放射医学等

2

鼻咽癌放疗计划设计

设计性

3

前列腺癌的适形和调强适形放疗计划设计

设计性

4

不同能量的 X 射线在膀胱癌放疗中的剂量学比较

设计性

5

三维逆向调强适形放射治疗计划的设计和优化

设计性

实验效果: 解决放射治疗真实实验需要医用加速器或 Co-60 治疗机等大型医用设备,同时避免真实实验中涉及的强电离辐射危害问题。降低了实验教学成本和实验风险。


图 11  医用核技术仿真实验

(11)核仪器虚拟仿真实验课程: 采用美国 NI 公司的 ELVIS 实验平台及配套的 DAQ 卡 PCI-6251 和 LabVIEW 软件,配合《核电子学》、《核信号获取与处理》等理论课程,为本科、研究生开设虚拟压力测量、虚拟仿真信号滤波、虚拟定标器、虚拟多道、虚拟液位测量、虚拟穆斯堡尔谱仪等仿真实验(见表 11 ),让学生更好的理解这些典型核(探测)仪器的基本构成和原理,熟练掌握相应的放射性测量和数据处理方法,能使用 LabVIEW 开发新型核仪器仪表。

表 11  核仪器虚拟仿真实验课程

序号

开设实验项目

实验类型

面向专业

1

虚拟压力测量仿真实验

验证性

核工程与核技术、核技术、核反应堆工程、辐射防护与环境工程、核安全工程、核物理等

2

虚拟仿真信号滤波实验

综合性

3

虚拟定标器仿真实验

设计性

4

虚拟多道仿真实验

设计性

5

虚拟液位测量仿真实验

设计性

6

虚拟穆斯堡尔谱仪仿真实验

综合性

实验效果: 通过核仪器虚拟仿真实验的开设,在通用计算机、 NI ELVIS 平台和 LabVIEW 软件支持下,自行设计构建一些典型核仪器虚拟系统方案,根据实验要求进行仿真调试,以各种形式输出检测结果,进行实时分析,完成核数据模拟采集、分析处理、人机交互和显示等功能,可大大提高实验效率、降低实验成本、节约实验教学硬件资源,并减少了核仪器设计、测试中的放射性接触。


图 12  核仪器虚拟仿真实验

(12)工业应用核技术虚拟仿真实验课程(在建) :以核辐射检测仪器设备为对象,如密度计、厚度计、料位计等,以三维仿真的方式,模拟仪器设备实际工作的现场环境,通过仿真建立设备操作控制面板,进行仪器设备操作演练。配合《核辐射探测》、《核电子学》、《核工程检测技术》、《同位素仪器仪表》等理论课程,为本科开设虚拟料位计、虚拟密度计、虚拟厚度计、虚拟水分计等核子仪器仪表应用方面的虚拟仿真实验,让学生更好理解这些典型核辐射应用仪器仪表的基本原理、构成,正确掌握此类仪器仪表的使用,并通过预设多种场景和测量对象等,增强实验教学效果。

(13)辐射损伤仿真实验课程(在建) 。利用分子三维建模技术进行分子结构仿真,再通过基于蒙特卡罗方法的粒子输运程序进行模拟计算,配合《辐射剂量学》、《放射生物学》等理论课程,为本科、研究生开设细胞辐射损伤、 DNA 辐射损伤、材料辐射损伤等仿真实验,让学生更好理解辐射剂量、辐射粒子类型和能量对材料、细胞、 DNA 分子等损伤程度的影响情况,掌握研究辐射损伤问题的工具和损伤评估方法。