自主化软件在核电先进研发体系中的作用

赵飞云++叶成+姚彦贵

摘要： 针对我国构建核电强国的战略，为建设先进的核电研发体系，梳理三代核电技术引进过程中自主化软件的研发，剖析自主化软件的布局和发展策略，并结合我国核电发展现状提出发展自主化软件的方法和建议.

关键词：

自主化软件； 核电技术； 研发体系； 方法； 建议

中图分类号： TM623.4文献标志码： B

0引言

为加快推进核电技术的发展与创新，我国决定引进具有世界先进水平的AP1000三代核电技术，并通过建设三门和海阳2个依托项目，组织对关键技术的消化、吸收、攻关和研发，走出一条消化—吸收—再创新的核电自主发展的新道路.自2004年国务院启动三代核电技术引进工作以来，我国核电在研发设计、设备制造、试验验证以及其他硬件等方面迅速发展，大设计、大台架和大装备的实现正逐步缩小与国际先进核电技术的差距.特别是2006年发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要》将大型先进压水堆和高温气冷堆核电站确定为16个重大科技专项之一，从此我国核电进入跨越式发展的新阶段.

消化—吸收—再创新发展模式的根本目标是形成具有自主知识产权的核电技术及品牌，而实现核电技术自主化的关键是设计自主化，包括设计能力、设计手段和设计工具的自主化.相比硬件自主化水平的提升，我国核电软件自主化水平发展相对比较薄弱，同时，由于核电信息化程度和管理效率方面的落后使得自主化软件发展远落后于核电发达国家.核电软件自主化发展滞后，严重影响国内核电行业的核心竞争力和核电研发企业的可持续发展能力.因此，大力推动自主化软件的发展对核电先进研发体系建设和核电技术自主创新发展都具有重要意义.

1核电自主化软件的发展现状

软件是随着计算机技术的迅速发展而逐渐形成的.在60多年的世界核电技术发展过程中，西方国家将其与计算机技术的发展相结合，形成多种计算机辅助设计专用软件.著名商用有限元软件ANSYS最早就是在美国西屋公司计算机部门的几名员工开发的专用电厂分析软件的基础上逐步发展起来的.

我国计算机产业起步较晚，大规模的发展和普及是在新世纪以后.我国核电的早期发展主要建立在手算和试验验证的基础上.例如，秦山一期核电厂建设过程中，上海核工程研究院完成400多项针对设备的试验以支撑工程设计试验.20世纪90年代起，随着我国计算机产业的崛起，核电设计中开始采用大量的软件辅助设计.随着第三代核电技术的引进，核电辅助设计软件也越来越广泛.归纳我国第三代核电研发软件的来源大致可以分为4类.

1）通用商业软件.通用商业软件是计算机辅助工程发展的必然结果.这类软件不限于核电产业，需求量大且更新换代速度快，有强大的社会需求和市场竞争力，可极大地提高工业设计效率.如数学计算软件Mathcad和Mathematics等.

2）专用商业软件.这类软件具有专业共性特点，一般经历从专用程序向通用程序的转化过程，市场竞争相对较强，是一段时期内技术发展最新成果的集中体现.如CAD软件Inventor和CAE软件ANSYS等.

3）技术转让软件.技术转让软件是跨国公司技术独享成果的集中体现.例如，西屋公司等核电巨头在50多年多个堆型的核电设计中，将积累的经验通过转化成程序的方法进行固化.早期这些程序都是公司的技术秘密，在技术转让过程中都以高额的价格卖出，如堆内压降THRIVE程序，蒸汽发生器二次侧三维两相流场ATHOS程序和安全壳分析WGOTHIC程序等.

4）自主开发软件.这类软件在核电研发中占比较低，主要是因为我国核电规模化建设一直没有成型，体现不出专用程序开发的价值，仅在秦山自主设计过程中，形成零星的几个程序，如Pipe728程序等.

从上面的梳理不难看出，核电技术的发展过程需要多种软件的支撑，但这些软件的价值却有所不同：通用商业软件和专用商业软件可以通过市场采购，技术转让软件可以通过买断技术获得，但自主开发软件却需要长期坚持研究和经验积累才能具备.核电自主软件依然是我国核电先进研发体系建设的薄弱环节.如何加强和加快适合我国核电技术需要的具有自主知识产权的软件研发，以推动核电技术的可持续发展，已成为摆在核电研发企业面前的重要任务.

2自主化软件在核电先进研发体系中的作用

自主化软件对核电先进研发体系的支撑作用，主要体现在以下几个方面.

1）软件是技术传承的重要载体.

核电专用软件集成研发过程中得到的数据、经验和成果，具有传承性，可以让后人少走前人走过的弯路.专用软件可以极大地提高系列产品的研发进程，有效地节约产品开发成本，减少试验验证工作量.

例如，在CAP1400核电厂研发过程中，开展蒸汽发生器一次侧流阻试验和反应堆水力模型试验等，获得一回路主设备局部流阻系数.在此基础上开发一维计算软件，可专门用于计算一回路压降，该软件计算结果可由电厂实际测量数据验证或修正，提高程序的准确性.此后，堆型研发中的类似试验工作由此计算程序分析代替，可大大提高研发效率和工程可靠性，见图1.

软件是企业核心竞争力的重要体现.在核电站堆型设计中，必定要开发大型设备，如果将整个设计流程规范化形成程序，将成熟的设计分析方法通过程序进行固化，会形成一大批设备设计、系统设计以及仪器控制设计的标准程序.这些程序代表最先进的设计理念、最核心的竞争力，人员可以流动、可以新老更替，但这些程序标准的固化能有效保证设计能力的持续提升.此外，通过软件自主化发展能够形成软件品牌，对提升企业经济效益和推进技术发展都有举足轻重的作用.

2）软件是设计研发规范化的重要组成部分.

核电先进研发体系的重要标志之一就是通过规范化的运作实现研发的规范化.与传统的设计方法不同，核电要想实现规模化发展，就必须建立持续的经验反馈机制，通过标准化设计过程，形成一套能应用于所有类似项目的规范化解决方案.这种固化设计流程的工作，通过软件实现是切实可行的.为形成具有自主知识产权的CAP1400核电厂，在整个研发过程要注意设计流程、设计方法和设计思想的规范化、标准化和程序化.一个好的工程师不是把所有的经验和知识装在自己脑子里，而是能够形成一个可以共享的资源，形成具有规范化和标准化的程序或方法.这也是提高整个团队设计能力的重要途径.

3）软件是提高设计效率重要手段.

核电不仅需要考虑安全性，还需要考虑经济性.自主开发软件的应用可以大大提高设计效率，压缩设计成本，从而降低电厂的建造成本，提高经济性.因此，具有国际发展战略的核电设计机构都应该加强自主软件的开发，从而在激烈的市场竞争中脱颖而出.

3自主化软件的发展措施和建议

西屋公司在第三代核电技术研发过程中形成大量自主化程序，这些程序的来源基本分为2个部分.一部分是通过对试验数据的总结形成分析软件，如非能动安全壳分析程序WGOTHIC，其程序中实现控制容积、流道和固体构件的模型都是西屋1991年购买的GOTHIC中的基本模型.西屋公司通过对GOTHIC的改进，增加流传热传质关系式、液膜分布模型、一维壁面导热模型和壁面间的辐射传热模型，模拟PCS系统的热导出能力.经过大量试验验证，包括与基本算例的比较和与试验结果的对比，西屋在GOTHIC基础上开发形成WGOTHIC程序，并得到认可.另一部分是西屋通过与专门的软件公司合作开发的专业软件，如蒸汽发生器二次侧热工水力分析程序ATHOS最早是美国电力研究院出资由CFD软件公司CHAM开发，后来西屋公司引进后进行改进，使软件的功能更加完善.同时，西屋公司借助外协CFD公司的力量开发大量的分析软件.可以看出，在软件自主化过程中，除由核电工程师总结开发外，与专业软件公司合作更重要.专业公司可针对核电领域的问题开发专用程序，并通过验证和修正形成专用软件.

我国从20世纪70年代开发第一座核电厂开始，核电研发设计已经走过了40多年.[9]虽然老一代核电人建立起具有自主知识产权的秦山核电站，基本掌握核电设计技术，但是由于各种条件制约，这一过程中所创建的自主化软件一直可谓是凤毛麟角.在当前新一波核电建设与研发浪潮中，每个核电技术设计人员、领导层和决策层均应抓住机会，重视和关注设计方法、设计思路和设计手段的程序化与规范化，努力实现自主化软件的发展.

因此，加强自主软件开发，特别是三代核电技术自主软件开发，提升核电设计软实力，进一步完善核电研发设计体系，显得尤为重要.自主软件发展总体思路如下.

1）推动我国三代核电软件自主化发展必须坚持自主创新，在自主创新的基础上加强国际合作与竞争，实现更高层次的自主创新.国家在软件领域的竞争优势，不可能产生于要素禀赋依赖的比较优势，更不可能从对国外技术的引进和模仿、跟踪中获得，而是来自关键核心技术的获取和突破.国际合作和竞争要以自主创新为前提，不断增强自主创新能力.努力加快完善软件技术创新体制，推动科研机构、高等院校与企业建立产学研互动创新的体制，开发面向产业化、市场化的项目，支持以企业为核心的产学研联合，充分发挥各方优势，实现集成互动创新.

2）推动软件体系的更新换代、二次开发与系统集成.根据工程设计研发需求及最新研究成果，提出核电专业软件研制或改进开发的需求，并组织国内外科研院所、研发中心、高校、软件开发机构等单位完成软件设计、模型开发、试验研究、软件编程以及软件测试和认证（包括软件二次开发与系统集成）等工作，实现核心软件的自主开发与持续改进，逐步实现以引进实施为主到自主实施为主的转变，进而开发出自主知识产权的系统功能完善的核电专用软件.

具体开发措施如下.

1）充分消化吸收已引进的成熟软件，结合国内设计环境和特点开发自主知识产权专用软件.这类自主化软件从功能和适用范围上可优于原有程序，其实现方法具有快捷性和针对性.如蒸汽发生器热工水力软件ATHOS的开发[11]：首先对ATHOS软件进行消化吸收，认识ATHOS是采用多孔介质引入分布阻力对二次侧管束区进行模拟；然后，充分调研国内开展多孔介质研究的高校或研究机构在此领域已有的理论基础，将分析管束区的流动和换热情况等成熟技术与核电工程相结合；最后，开发用于蒸汽发生器二次侧管束流场分析的专用软件，形成可替代ATHOS的自主知识产权专用软件.国际上已形成的类似软件见表1.

2）对国内已有的专业软件进行验证和功能扩展，形成软件品牌.如引进于西屋公司的GENF程序专门用于蒸汽发生器一维稳态热工水力计算，是蒸汽发生器设计的关键程序.国内也有类似的程序，早在进行300 MW核电厂蒸汽发生器设计中，上海核工程研究院曾与国内某高校合作开发类似功能的程序.由于该程序开发基于当时的设备规模结构，随着蒸汽发生器传热管数量的增多，目前已不适用于AP1000或CAP1400等设备的设计.因此，可以结合国内专业软件公司或高校的力量，通过资源共享的合作方式，进一步对已有程序的限制参数和适用范围进行改进和完善，快速形成有效的自主化软件.

3）结合重大专项研究，对试验数据进行总结处理形成可连续开发的工具和软件.试验既费时又费力，一项大型试验要花费大量资金和时间投入，如高温高压回路中开展的蒸汽发生器传热管流阻试验（见图2），蒸汽发生器缩比模型试验获得进出口管嘴流阻系数试验（见图3）.试验花费大量人力物力，所以应充分利用试验结果.科研单位不能仅仅停留在证明自己设计的东西好用就行，将试验台架、数据丢弃不用，下次研发再重复建设，缺乏长远目光、缺少长久规划.应对一次成功大型试验形成的珍贵数据充分分析利用，总结寻找规律性，形成程序，以替代类似试验.

4结束语

过去，我们对于知识和经验传承不够重视，知识相传还停留在口手相传，过多依赖人为因素，没有形成可持续发展的软件开发能力.这一不足导致大量试验台架废弃，珍贵的试验数据得不到充分利用.试想，如果能够把秦山一期等电厂设计中一些关键的设计分析方法、设计流程程序化后形成自主化程序.这些经过电厂试验和运行数据验证的自主化程序在重大专项研发中可以大展拳脚，可以少做大量试验，少走很多弯路，节约大量研发经费和设计时间.

总之，作为核电先进研发体系建设的重要内容，自主化软件的发展不仅有利于提升企业的设计水平和核心竞争力，培养一批高水平的研发设计队伍，同时也有利于提升核电厂数字化的设计水平，为我国核电技术的连续性和可持续发展提供支撑和保障.

参考文献：

[1]林诚格. 非能动安全先进核电厂AP1000[M]. 北京： 原子能出版社， 2008： 415.

[2]孙汉虹. 第三代核电技术AP1000[M]. 北京： 中国电力出版社， 2010： 15.

[3]赵飞云， 于浩， 贺寅标， 等. CAE分析技术在三代核电设备国产化中的任务和方向[J]. 计算机辅助工程， 2011， 20（3）： 8587.

ZHAO Feiyun， YU Hao， HE Yinbiao， et al. Goals and direction of CAE analysis technology of third generation nuclear power equipment localization[J]. Comput Aided Eng， 2011， 20（3）： 8587.

[4]钟万勰. 发展自主CAE软件的战略思考[J]. 计算机辅助工程， 2008， 17（3）： III.

ZHONG Wanxie. Strategic thinking on independent development of CAE software in China[J]. Comput Aided Eng， 2008， 17（3）： III.

[5]李黎明. ANSYS有限元分析实用教程[M]. 北京： 清华大学出版社， 2005： 16.

[6]赵飞云. 从设计与制造上的源头提升三代核电设备安全性和可靠性的基本思考[J]. 核安全， 2015， 14（1）： 6570.

ZHAO Feiyun. Basic discussion on safety and reliability improvement of nuclear power equipment for third generation nuclear power plant[J]. Nucl Safety， 2015， 14（1）： 6570.

[7]赵飞云， 姚彦贵， 于浩， 等. 从核设备设计提升核电安全性的基本思考[J]. 核安全， 2013， 12（1）： 5154.

ZHAO Feiyun， YAO Yangui， YU Hao， et al. Basic discussion on nuclear power safety improvement based on nuclear equipment design[J]. Nucl Safety， 2013， 12（1）： 5154.

[8]靖剑平， 张春明， 陈妍， 等. 浅谈核电领域中的热工水力分析程序[J]. 核安全， 2012， 11（3）： 7074.

JING Jianping， ZHANG Chunming， CHEN Yan， et al. Discussion on the thermalhydraulic analysis codes in the field of nuclear power[J]. Nuclear Safety， 2012， 11（3）： 7074.

[9]李鹰翔. 国之光荣： 秦山核电站建设者之歌[M]. 北京： 原子能出版社， 1992： 15.

[10]陆仲绩， 韩华， 王菲菲. 建设自主CAE服务平台实现工程科学国家战略[J]. 计算机辅助工程， 2008， 17（4）： 12.

LU Zhongji， HAN Hua， WANG Feifei. Establishing independent CAE service platform， achieving national engineering[J]. Comput Aided Eng， 2008， 17（4）： 12.

[11]姚彦贵， 祖洪彪， 姚伟达. 核电蒸汽发生器热工水力分析程序研究现状与进展[J]. 核安全， 2015， 14（1）： 8593.

YAO Yangui， ZU Hongbiao， YAO Weida. Introduction on the thermalhydraulic analysis codes for nuclear steam generator[J]. Nuclear Safety， 2015， 14（1）： 8593.

（编辑武晓英）