核与辐射安全仿真系统SuperMC／RVIS2.3研发与应用

吴宜灿，何 桃，胡丽琴，龙鹏程，尚雷明，周少恒，杨 琪，赵锦波，张 澍，杨子辉，李 廷，程 翔，王 静，王 杰，宋 婧，程梦云，俞盛朋，郝丽娟

（中国科学院 核能安全技术研究所，中国科学院 中子输运理论与辐射安全重点实验室，安徽 合肥 230031）

当前，随着核能的迅猛发展，核与辐射环境下核设施维修、退役等作业实践也越来越频繁。在核设施全生命周期的各阶段不可避免地需进行各部件维修、调试和拆解。如何尽可能降低涉核从业人员所受到的辐射剂量一直是辐射防护领域关注的热点问题之一。

基于安全性、经济性、合理性的考虑，在实施各项作业实践之前，作业实践方案的预先模拟演练和评估能有效提高作业的效率以及降低工作人员的辐射暴露剂量。但受限于现有核分析应用软件的功能，核辐射环境下的屏蔽、维修和退役等各种工作方案的制定与优化，大多依靠专家或以往实践的经验，而无法进行预先精确的定量分析与优化，难以事先明确工作方案带来的职业照射剂量情况，更难以为工作人员提供有效的培训演练。

仿真科学［1-2］将理论和实验研究连接起来，已被广泛应用于基于计算机模拟核与辐射环境下各类应用方案的设计、评估与优化，且得到了广泛和深入的研究和应用，主要包括工作人员培训、剂量评估、维修方案的制定与仿真等方面。国外代表性核与辐射安全仿真平台与软件包括法国原子能委员会（CEA）发展的基于虚拟现实技术框架和点核积分方法，支持情景设计、快速剂量计算，适用于核设施退役辐射评估的ALARA 分析工具NARVEOS 系统；比利时SCK·CEN 于1995年开始发展了一款基于普通个人计算机的三维ALARA 计划工具软件VisiPlan［3］；巴西核工程研究所发展了基于虚拟现实引擎Unreal-Engine2 的面向核电站与核应急的虚拟仿真系统［4-5］；日本OECD／NEA、JAEA 和Halden 反 应 堆 工 程 中 心 共 同研发了一套人员剂量评估系统VRDose［6］；韩国庆熙大学先进技术学院利用VRML 与JAVA Applet技术，开发了一套核电站辐射剂量分布仿真系统［7］；日本日立能源与工业研究实验室开发了一套面向核电站维修支持的辐射场计算与可视化系统VR-DOSE。国内也有部分大学和研究所开展了相关研究，包括上海交通大学核科学与工程学院仿真实验室针对核电厂仿真需求研发了一套核电厂虚拟现实系统［8］；哈尔滨工程大学核科学与技术学院围绕核设施退役需求开展了虚拟仿真系统关键技术研究［9］。综合国内外研究现状来看，基于虚拟现实、可视化等技术发展的核与辐射安全仿真相关软件系统已得到深入研究，且已被广泛应用于辐射剂量评估和仿真领域。

本文在充分调研国内外相似软件系统的基础上，依托中国科学院核能安全技术研究所·FDS团队［10-14］多学科交叉优势和先进的计算机软硬件环境，基于数字反应堆和辐射虚拟人两类创新技术，结合FDS团队基于真实人体切片数据构建的中国成年高精度辐射虚拟人模型Rad-HUMAN［15］，发展一大型通用核与辐射安全仿真系统SuperMC／RVIS2.3，并以国际热核聚变实验堆ITER 极向场线圈PF4 检修以及中国铅基研究实验堆CLEAR-Ⅰ［16］散裂靶更换等过程仿真与剂量评估为例，验证其有效性和正确性。

1 系统架构与主要功能

结合国内外核与辐射安全仿真相关研究可发现，核与辐射安全仿真系统主要是以在计算机中模拟核辐射环境下的作业过程、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。其实现的主要内容是基于虚拟环境实现对核辐射环境下各类操作过程的模拟评估人员所受到的辐射剂量，一般包括拆装过程仿真、辐射剂量场的计算及可视化、人员行走路径的漫游仿真与实时剂量评估、行走路径的优化等。

在充分调研国内外相似软件系统和结合实际工程需求的基础上，SuperMC／RVIS2.3 提出了其三大主要功能：1）复杂系统部件建模与虚拟装配仿真；2）三维动态数据场与模型叠加可视化分析；3）辐射环境下人员虚拟漫游与器官剂量评估。系统详细功能结构如图1所示。

结合当前先进信息技术，SuperMC／RVIS2.3构建了一套支持多种服务模式、基于组件技术的面向核与辐射安全集成仿真的层次化、模块化系统架构，满足了在计算机中完成方案的交互设计、仿真和分析，人员剂量管理、虚拟培训等需求。SuperMC／RVIS2.3采用分层架构，整个系统被划分为资源层、核心层、服务层和应用层4层，如图2所示，上层的应用均以下层为基础，同时采用仿真组件技术封装核心层各功能模块的实现细节。

1）资源层：是指核与辐射安全仿真所需的各种软硬件资源，包括计算、存储、软件、信息资源（如辐射剂量评估人体模型、剂量阈值等核信息等）、VR 外设等。其中软件资源不仅包括三维CAD 商业设计软件，还包括辐射输运数值模拟软件（如MCNP、TORT 等）以及课题组独立开发的支持核与辐射安全集成仿真的各种计算软件，如仿真场景维护、图像实时渲染计算、碰撞检测等仿真计算软件资源。

图1 SuperMC／RVIS2.3系统功能示意图Fig.1 Functional models of SuperMC／RVIS2.3

图2 SuperMC／RVIS2.3系统架构Fig.2 Framework of SuperMC／RVIS2.3

2）核心层：是指基于资源层提供的各类软硬件资源，基于仿真组件技术，实现核与辐射安全集成仿真中各独立的所有核心功能模块集合。核心层中的各核心功能模块用于支撑服务层的完整服务流程实现，包括仿真场景维护、并行渲染、叠加可视化、虚拟操作仿真等，同时封装实现细节，仅提供开发仿真应用的接口、规范和工具。

3）服务层：是指支持核与辐射安全集成仿真中所有具备对外提供完整服务流程的集合，包括方案交互设计服务、方案漫游仿真与实时器官剂量评估服务、数据可视分析服务等。

4）应用层：是指通过对服务层的各种服务组合和调用，最终面向用户具体应用，响应用户交互、处理各种任务的终端环境，主要包括可视化界面客户端、虚拟现实仿真环境和Web浏览器终端。可视化界面客户端为用户提供基于计算机的辐射环境下各类应用方案模拟、设计与优化服务，Web浏览器终端为用户提供应用方案管理与查看的远程管理服务，虚拟现实仿真环境为用户提供高沉浸感三维立体交互仿真体验，服务方案的虚拟操作培训。

SuperMC／RVIS2.3采用面向对象的开源图形图像渲染引擎OGRE 作为图形渲染开发工具包，开源可视化工具包VTK 作为可视化算法支撑库，开源图形框架工具包QT 作为图形界面开发包，网络引擎RakNet作为网络通信工具包，在Visual Studio 2008系统上进行开发。虚拟现实仿真工作在中国科学院核能安全技术研究所·FDS团队核与辐射安全综合实验平台支持下开展，其中虚拟现实仿真环境采用主动立体投影机、先进实时动作追踪系统ART、数据手套和数据头盔等先进虚拟现实外设搭建，能提供高沉浸感的三维立体仿真环境和交互仿真体验，可用于操作培训、虚拟拆装仿真等，其系统组成如图3所示。

2 主要方法

2.1 建模与虚拟装配仿真方法

为完成复杂仿真场景的构建，SuperMC／RVIS2.3采用并发展了系列建模与虚拟装配仿真方法，如实体模型格式与面片模型格式转换算法、基于SuperMC／MCAM［17-21］的辐射输运自动建模方法、基于并行技术的几何模型快速分割方法、多细节层次（LOD）渲染方法、基于视景体裁剪和背面剔除技术的复杂仿真场景实时交互渲染方法等。

图3 三维立体虚拟仿真平台系统组成Fig.3 System components of 3Dstereoscopic virtual reality simulation platform

其中，针对OGRE仅支持其特有的MESH几何模型格式，无法实现其他通用CAD 几何模型格式的直接导入的现状，SuperMC／RVIS2.3发展了一种通用CAD 模型格式STL与OGRE MESH 几何模型格式的转换方法。该方法首先基于VTK 实现了STL 模型所有三角面片顶点信息的读取，然后利用顶点信息计算出各面片外法向量信息，最后通过OGRE自定义ManualObject实体对象依次加载顶点信息、法向量信息等，将该实体对象转换为OGRE MESH 数据结构，实现了STL 与OGRE MESH 几何模型格式的直接转换。

另外，SuperMC／RVIS2.3 还提供对基于虚拟现实硬件设备的复杂核设施系统部件的三维交互虚拟拆装仿真功能，能实现部件装配的碰撞检测、装配方案的评估与装配路径的优化，从而达到从装配的角度上验证核设施模型设计的合理性、评估装配方案、培训装配工人等目的。

2.2 面向中子学分析的数据可视化方法

为解决中子学分析过程中大规模时变数据场分析处理的难题，基于科学计算可视化技术，SuperMC／RVIS2.3发展了多种面向中子学分析的数据可视化方法，如面向辐射屏蔽可视化分析的工作流、辐射场的等值面和等值线可视化、沿指定曲线的物理数据变化可视化、基于模型的物理场数据裁减和极值提取、三维动态数据场与模型的叠加可视化［22-24］等。

三维动态数据场与模型的叠加可视化能将物理结果关联到分析人员所熟悉的几何模型上，进而帮助用户更加深刻透彻地理解计算结果，已被广泛应用于各类科学计算结果的可视分析。该方法根据颜色映射将数据场处理成三维纹理，再根据几何模型顶点相对于辐射场的位置确定其纹理坐标，最后将纹理赋给模型，能实现模型各区域上辐射场分布情况的直观显示。另外，针对目前的辐射输运计算中不规则数据场，如圆柱坐标系网格或非均匀笛卡尔坐标系网格，研究并发展了基于图像特征的数据规则化方法［25］和基于可编程GPU 的大规模非规则数据场和模型的叠加可视化方法［26］。其中基于可编程GPU 的大规模非规则数据场和模型叠加可视化方法利用可编程GPU 渲染管线的顶点着色器和片段着色器，首先对几何模型每个片段的世界坐标进行平移、缩放、旋转等变换，判断该片段是否在数据场范围之内，准确定位几何模型的着色区域；再通过变换后的片段坐标和预先建立的一维、二维查找表或辅助索引轴，可无需对数据场进行规则化处理，直接对原始数据场进行查询，确定每个片段的颜色，从而实现几何模型的表面绘制。

2.3 虚拟漫游与器官剂量评估方法

为精确评估人体各器官在辐射场中的辐射剂量，SuperMC／RVIS2.3 能实现模拟辐射环境下各类方案的设计与优化，发展了多人协同异地仿真方法、基于器官最小包围盒策略的辐射剂量评估方法［27］和基于体素人体模型的精确人体辐射剂量评估方法［28］、基于多目标算法的路径自动优化方法［29］等。

其中，SuperMC／RVIS2.3 选 用FDS 团 队自主发展的中国成年高精度辐射虚拟人模型Rad-HUMAN 作为人体辐射剂量评估模型，发展的基于人体体素模型的精确人体辐射剂量评估方法，能实现器官级辐射剂量评估。该方法基于通量剂量转换因子方法，首先遍历所有体素实现同器官体素的合并，然后提取计算体素所在位置的通量计算器官的当量剂量，最后计算得到人体的有效剂量。

3 应用

为验证SuperMC／RVIS2.3系统的有效性和正确性，开展了大量的测试与验证工作。本文以国际热核聚变实验堆ITER 极向场线圈PF4检修以及中国铅基研究实验堆CLEAR-Ⅰ散裂靶更换等过程仿真与剂量评估为例介绍SuperMC／RVIS2.3的应用情况。

3.1 在国际热核聚变实验堆ITER上的应用

国际热核聚变实验堆ITER 计划是迄今为止国际最大的热核聚变项目，由欧盟、中国、印度、韩国、日本、美国、俄罗斯等7个国际单位参与。ITER 各部件的可维护性关系着ITER 的实用性效果，是ITER 设计需求中重点分析的问题之一。ITER 极向场线圈（PF Coils）是由NbTi超导材料组成的双层缠绕线圈，主要用于为等离子体平衡提供合适的磁场位形，同时控制等离子的位置和大小。为保障ITER 运行过程中磁场位形的稳定，在ITER 运行过程中，需要ITER 停堆进行极向场线圈双绞线接头断开的人工检测和维修［30］。

在国际合作框架协议的支持下，FDS团队承担了国际热核聚变实验堆ITER 极向场线圈PF4的维修剂量评估与过程仿真工作，用于指导ITER PF4部件维修方案的制定，确保维修过程中工作人员辐射剂量符合ITER 设计标准。基于核与辐射安全仿真系统SuperMC／RVIS2.3和FDS团队的集成虚拟现实仿真环境完成了ITER PF4部件维修的全过程仿真，包括仿真场景建模、维修过程虚拟漫游仿真、工作人员辐射剂量实时评估、辐射场分布可视分析。

根据ITER 设计需求，假设ITER 根据SA2方案运行，停堆冷却7天后，需2位工作人员从低温室顶盖进入低温室检修PF4 线圈双绞线接头，维修方案路径如表1所列。辐射剂量场分布采用ITER 国际组织提供的计算结果［31］，基于SuperMC／RVIS2.3完成了该结果与模型的叠加可视化分析，如图4所示。在检修过程中，需分析停堆后辐射场的分布情况、评估检修工作人员所受到的辐射剂量。

表1 ITER 极向场线圈PF4双绞线接头断开检修任务步骤Table 1 Step by step description of ITER PF4coil double pancake maintenance

图4 ITER 停堆7天后光子通量场与模型叠加可视化分析（能群：0.1～1keV）Fig.4 Mixed visualization of photon flux field and geometry after 7dfrom ITER shutdown（Energy：0.1-1keV）

在装配有Intel Core i5-2400 3.10GHz的CPU、4GB 内存、NVIDIA GeForce GT420显卡、Windows 7 64 位 操 作 系 统 的PC 机 上，SuperMC／RVIS2.3实现了PF4维修过程虚拟漫游仿真与器官剂量评估（图5），并依托中国科学院核能安全技术研究所·FDS 团队的先进反应堆设计和安全仿真实验室，基于Super-MC／RVIS2.3完成了ITER PF4 维修虚拟现实仿真环境（图6）的建立。

通过仿真发现，该维修任务人员接受的最大光子剂量率为304.4μSv／h，发生在人员沿楼梯抵达ITER PF4区域的过程中，累积剂量为2.19mSv。根据ITER 的设计标准［32］，人工维修过程中剂量率不得超过100μSv／h，年均所有维修任务的累积剂量为500 mSv，可发现从该维修任务的最大剂量率限值的角度来看，针对该维修任务需引入临时屏蔽或推迟人员进入时刻点来降低维修工人所受到的辐射剂量，其中推迟人员进入时刻需开展进一步分析计算。

图5 检修工作人员虚拟漫游仿真与器官剂量评估Fig.5 Virtual roaming simulation and organic dose assessment of workers

图6 ITER PF4维修过程虚拟培训仿真示意图Fig.6 Virtual reality-based simulation of ITER PF4maintenance

3.2 在中国铅基研究实验堆CLEAR-Ⅰ上的应用

中国铅基研究实验堆CLEAR-Ⅰ（热功率10 MW）是中国科学院战略性先导科技专项“未来先进核裂变能——ADS嬗变系统”中次临界反应堆的第1阶段研究目标，主要研究内容包括铅铋冷却反应堆的设计及安全分析，专用软件和数据库的开发，液态铅铋合金综合实验平台的设计、建造与运行技术。散裂靶是连接加速器和次临界堆的关键部件，接受高能质子轰击，发生散裂反应产生中子，为次临界堆提供中子源。CLEAR-Ⅰ靶的更换过程中，除遥操设备外，还需必要的人工干预活动，且人工参与过程中的受照剂量必须在CLEAR-Ⅰ设计规定的剂量限值以下，同时必须保证维修工人受照剂量满足ALARA 原则。

根据维修方案，工人必须进入堆顶包容小室内，完成散裂靶更换前小室内遥操设备滑轨、临时屏蔽等基础设施的搭建以及散裂靶更换完成后相关设施的拆除工作。为了评估维修过程中工作人员的受照情况，本文基于“两步法”对质子管维修过程中堆顶包容小室内光子通量场分布进行了计算，计算流程及软件如图7所示。基于计算模型和计算的辐射场数据，SuperMC／RVIS2.3完成了辐射仿真场景构建，并实现了三维辐射场和场景模型的叠加可视化，可用于通过规避高剂量区域指导维修路径的设计。此外，基于SuperMC／RVIS2.3 能实现不同剂量的实时评估，包括器官当量剂量率的实时评估、有效剂量率的实时评估、累积剂量的实时评估，如图8所示。

图7 停堆光子通量场计算Fig.7 Calculation method and codes

图8 靶窗更换过程虚拟漫游仿真与器官剂量实时评估Fig.8 Virtual roaming and organic dose assessment during change of spallation target

4 结论

本文在分析国内外研究成果的基础上，基于辐射虚拟人和数字反应堆两类技术，发展了核与辐射安全仿真系统SuperMC／RVIS2.3，具有复杂系统部件建模与虚拟装配仿真、三维动态数据场与模型的叠加可视化分析、核辐射环境下人员虚拟漫游仿真和器官剂量评估等功能。以国际热核聚变实验堆ITER 极向场线圈PF4检修以及中国铅基研究堆CLEAR-Ⅰ散裂靶更换等过程仿真与剂量评估为代表的应用结果表明，该系统可模拟核辐射环境中多种应用方案的设计与优化，特别是核电站安全评估、维修与事故应急的决策支持等，具有广阔的应用前景。

系统下一步将应用最新的逆向建模技术，如激光扫描点云数据逆向建模和地图、图像识别技术逆向建模等，解决处于核电厂基础之外的环境的CAD 模型来源以及建设年代久远、中途翻修过的核电厂设施仿真场景几何模型来源等问题；同时还可考虑针对计算和仿真的统一模型描述规则进行研究，解决数据类型繁多带来的数据解析和数据重用率低等问题。

本文工作中ITER PF4维修任务的制定得到 了ITER 职 员Michael Loughlin 博 士 和John Oldfield博士的指导，同时感谢中国科学院核能安全技术研究所·FDS 团队其他成员对本文工作的支持和帮助。

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