仿真技术在核专业教学中的应用

张庆贤 谷 懿 王海东 张 建 张 乐 葛良全

系统仿真是对一个已经存在或但正在开发的系统进行系统特性研究的综合科学,是计算机对现实物理系统的逼真描述。仿真技术的应用一般是以仿真系统的形式来体现的[1-2],仿真系统在核科学与技术研究领域被广泛应用[3-6]。在核科学领域中建立的仿真系统是以建模理论、计算方法、评估理论为基本理论[2],以蒙特卡罗方法结合计算机技术、网络技术、图形图像技术、多媒体技术、软件工程、信息处理、自动控制及系统工程等相关技术为支撑的综合性仿真系统。在仿真过程中,能够真实描述辐射物质的特性和相互作用过程,通过 “探测器”的输出,对探测结果进行数据分析。

近些年来,经济和科技的飞速发展,我国高等教育进入了一个快速发展的时期,同时也对高校的教学提出了新的挑战。新理论、新技术层出不穷,学科间的交叉和联系不断地加强,仅仅依赖书本、文字和简单的教学方式,已经跟不上科技发展的步伐[7]。社会对大学毕业生的创新和动手能力的要求越来越高,这就促使学校要增大实践教学比例,改善实践教学条件以及创新教学方法。

核工程与核技术、辐射防护与核安全专业是工程实践和技能应用很强的专业,因此实践教学对学生培养异常重要。目前我国正在大力发展核电事业,急需一批基础知识扎实、实践创新能力强的高素质人才,因此,实验和实习环节在教学中的重要地位更加凸显[8]。在开展高危、不可及、不可逆以及高成本、高消耗的大型或综合性实验项目时,虚拟仿真实验教学具有明显的优势,并对传统实验教学的思想、体系、模式、内容、方法以及手段等都产生了意义深远的影响[9-12]。在核工程与核技术、辐射防护与核安全等专业教学实践中,放射源成为部分实验的必要条件。出于放射源管理和辐射安全考虑,学生实验的时间、地点和场所受到严格限制,目前部分实验由于硬件条件限制无法开展,影响了学生的实践。因此,在核科学与技术学科实践教学中开展虚拟仿真实验,具有重要意义。

1 仿真技术对核科学与技术学科教学的促进作用

1.1 仿真技术促进课程学习

现代高等教育学生知识体系复杂,课程众多,容易形成学生的逃避心理,其根本原因是学生被边缘化,教与学严重失衡,学生参与比重减少。注重理论知识,脱离实际应用,降低了学生的主观能动性,是一种被迫式教学。而相比于传统的教学,仿真技术融入实践教学生活中,更能激发学生自主学习的热情。

在实验教学过程中,学生对实验的基本原理和过程缺乏足够的认识,对实验的准备不足,导致实验失败,从而增加了放射源的使用时间。学生在物理实验前,采用仿真平台对物理实验过程进行仿真,并对仿真实验数据进行分析,可以熟悉实验环境,帮助学生掌握实验技能,提高实验成功率。

1.2 仿真技术拓展实验空间

面对不可逆、高危、高成本、高消耗的大型或综合性实验项目,传统的实验教学代价高、风险大,因此实验开课率低。在核科学与技术学科中,反应堆临界安全、辐射屏蔽设计、辐射微剂量学等实验条件要求高,而且存在较大风险。目前除个别高校可以开展物理实验,其他高校都缺乏相应的实验设备和实验条件,因此学生的实践受到极大限制,部分院校放弃实践教学。在无法开展物理实验的高校中利用仿真平台扩展实验 (实践)条件,在虚拟仿真条件下,达到锻炼学生动手实践能力的目的。

1.3 仿真技术延伸实验时间

对于需要放射源的实验,必须在实验教师的指导和监督下完成,学生参与实验的时间受到极大的约束和限制。部分学有余力的学生,很难得到更多实践锻炼的机会。而利用仿真平台,学生可以在计算机或者服务器上自行设计和完成实验,并对实验数据进行分析,达到实验的目的。因此,仿真平台的应用,将实验时间进行了极大的扩展,更加有利于学生开展相应的研究,提高学生动手能力和自我学习能力。

2 核辐射虚拟仿真平台的应用

核辐射虚拟仿真平台由成都理工大学自行开发,并在教学中使用。平台的内核为MCNP软件,针对不同物理实验,开发实验界面。平台的主要使用流程如图1所示。

图1 实验流程图

1)实验课前的预演。在物理实验开展以前,学生自主在计算机上对实验进行虚拟仿真。学生在登录平台后,选择所需进行的物理实验,熟悉实验目的、实验条件、实验原理和实验流程。学生根据实验指导书,选择放射源、探测器等合适的实验条件,开展虚拟仿真实验。

2)实验数据处理预演。对虚拟仿真实验的结果进行评价与分析。根据虚拟仿真实验的数据输出结果,对数据进行分析,并同理论知识进行比较,判断实验室数据处理的准确性和可靠性。

3)实验开展。在实验课堂上,在相同实验条件下根据实验指导书开展物理实验,并获取实验结果。比较物理实验结果和虚拟实验结果的差异,并分析主要影响因素,达到理论知识实践和应用的目的,并形成实验报告。

4)拓展实验。对同类型实验,开展虚拟实验,对实验条件无法满足的物理实验进行模拟,达到拓展实验的目的。在该阶段实验中,学生可以对理论知识进行进一步的验证和探讨,激发学生的学习兴趣。

以散射实验为例,首先是打开核辐射虚拟仿真平台,进入之后首先设置好参数,然后选择所需要做的实验,如图2所示。

图2 软件运行界面图

进入实验子界面后,设置好所做实验相关的各个参数,进行模拟实验,等待蒙特卡洛程序运行结束。蒙特卡洛程序运行结束后,将弹出模拟结果显示框。对于散射实验,其输出结果如图3所示。由于高校中放射源的种类有限,不能开展射线能量对散射影响的实验。扩展实验中,学生可以自行改变射线能量,对不同能量γ射线的散射过程进行模拟,分析γ射线能量对散射的影响。

该平台已经在学生中试运行,得到了学生的好评。学生在课后可以自行完成仿真实验,并对数据进行分析。学生通过模拟仿真平台,了解实验的具体原理和步骤,提高了实验的成功率；仿真实验弥补了物理实验的不足,拓展了实验空间。学生反映,虽然仿真平台难以达到物理实验那么具体明确的结果,但能极大加深对物理现象、工程技术的认识。

图3 散射实验

3 结束语

虚拟仿真平台可以实现部分核物理基础实验、核辐射探测实验、辐射防护实验的仿真模拟,能够突破实验空间和时间的限制,给学生提供自主学习的平台,能够成为物理实验的有效补充,在今后教学中会有更大的应用前景。仿真实验平台的试运行,得到了学生的认可。仿真平台的应用,提高了学生的自我学习能力,并提高了实验的安全性和效率,是一种较低成本而有效的教学方案。

[1]王子才.仿真技术发展及引用[J].中国工程科学,2003,5(2)：41-43.

[2]王子才.关于仿真理论的探讨[J].系统仿真学报,2000,12(6)：604-608.

[3]郑海伟,鄂彦志,唐延泽,等.HYSYS软件在反应堆系统仿真中的应用探索[J].核技术,2016,39(6)：93-98.

[4]陈五星,夏庚磊,彭敏俊.中国实验快堆主冷却系统建模与仿真研究[J].核动力工程,2014,5(2)：105-109.

[5]汪全全,尹聪聪,孙雪静,等.TMSR核功率控制系统的PID设计与仿真[J].核技术,2015,38(2)：58-64.

[6]姜博,张智刚,于洋,等.池式钠冷快堆事故余热排出系统一回路仿真研究[J].原子能科学技术,2015,49(5)：863-870.

[7]崔媛,武艳君,孙萌萌,等.依托虚拟仿真实验教学中心,培养工程实践能力[J].实验科学与技术,2015,13(2)：142-144.

[8]蒲丹,周舟.多层次综合性虚拟仿真实验教学中心建设经验初探[J].实验技术与管理,2014,31(3)：5-8.

[8]郭江华,聂矗,谢诞梅.虚拟仿真技术在核工程与核技术专业教学中的应用探讨J].中国电力教育,2011(9)：37-38.

[9]吕守林.以虚拟实验室建设为契机,推进实验教学改革[J].实验技术与管理,2009,26(11)：157-159.

[10]周雪松,丰美丽,马幼捷,等.虚拟实验技术的研究现状及发展趋势[J].自动化仪表,2008,4(4)：1-4.

[11]崔媛,武艳君,孙萌萌.依托虚拟仿真实验教学中心培养工程实践能力的探索[J].黑龙江科学,2014,5(5)：29.

[12]蒲丹,周舟.多层次综合性虚拟仿真实验教学中心建设经验初探[J].实验技术与管理,2014,31(3)：5-8.