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核电厂虚拟现实与辐射剂量分布仿真实验平台

平台通过选定漫游路径,使学生对核电厂核岛部分的各主要设备进行观察认知,并且可以通过对各设备进行拆装进一步掌握其内部构造。在此基础上,学生可通过先进源项仿真计算分析核电厂正常运行状态下放射性核素在系统各设备间的迁移规律,并计算相应的放射性活度估值。同时,学生可利用先进模拟软件对反应堆堆芯临界、中子在反应堆内及堆外重要设备中的分布进行虚拟仿真计算,得出反应堆内部放射性剂量分布及需要采取的屏蔽措施。在反应堆外部,可由学生按照“搭积木”方式构建与核电厂环境相对应的虚拟现实环境,并设置模拟测量点,利用仿真软件计算厂房内部的剂量分布,从而让学生掌握厂房内部实时剂量监测的先进方法。此外,环境放射性取样与监测系统通过环境取样、制备、测量分析,可让学生体验核电厂厂区及周边辐射监测工作真实场景,提高了学生的实践能力。通过本平台的实践教学,要求核专业学生全面掌握核电厂辐射源项产生的机理、屏蔽措施,熟练掌握模拟软件估算放射性剂量,熟练使用探测器、谱仪等设备测量放射性剂量;对其他专业学生使学生要求其掌握对核电厂核心区域、厂房及周边环境的辐射剂量分布的分析预测及安全屏蔽措施,对科普对象,使其了解核电厂内外辐射剂量分布情况。本平台包括以下几个系统:

(1)压水堆核电厂三维虚拟现实实验系统

核电厂虚拟现实与辐射场可视化系统是依托现今先进科学技术:1)三维激光扫描;2)虚拟现实与人机交互等,并与核电厂辐射安全相结合的产物。整个系统建设完成后包括3个部分:1)核电厂三维激光扫描及模型处理;2)辐射场计算与屏蔽优化;3)虚拟可视化及人工交互平台。其中,激光扫描子系统可以直接通过激光脉冲获取核电厂内部设备或厂房的三维空间点云数据,并用于现场真实情况的建模,避免了人工测量引入的误差,降低了费用成本,提高了测量效率,并规避了辐射对人体造成的影响。辐射场计算与屏蔽优化子系统对核电厂中各类辐射源对内部设备、管道及人体器官等造成的辐射剂量进行计算,用于核电厂设计中辐射安全的校验。虚拟可视化与人机交互平台结合前两个子系统的处理结果,实时反映出核电厂内部辐射安全特性,并通过人机交互的模式对系统平台进行管理。

核电厂三维虚拟现实实验系统主要功能与操作:

①核电站三维虚拟现实软件漫游部分

点击“选择/漫游”菜单后,系统默认进入固定路径漫游状态。

在此过程中,按空格键可以暂停漫游,再按空格键继续漫游。

按“W”键可以切换系统到自主漫游模式。

固定路径漫游结束后,鼠标放在安全壳上,按“A”键,选中安全壳。按下“B”键,向上升安全壳。按下“C”键,向下降安全壳。

按“W”键切换到自主漫游模式时,可以用鼠标控制漫游路线。

单击鼠标左键一次,视点会向前移动,再次单击可加快速度。

单击鼠标右键可以减慢速度,当速度减到最慢时,单击鼠标右键可以使视点后移。

在此过程中,单击鼠标中键可以暂停漫游。

按“Q”键可以退出自主漫游模式回到固定路径漫游模式。

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②核电站三维虚拟现实软件拆装部分

点击“选择/拆装”菜单后,系统进入拆装演示。

按“↑”键可以放大场景,按“↓”键可以缩小场景,按“←”使场景左移,按“→”使场景右移。按“<”键和“>”键控制场景的上下移动。

单击空格键,系统进入拆装环节,继续按空格键,软件将进一步拆卸。按“1”键返回上一步操作。

在拆卸过程中,会在画面右半边显示部分构件的细节图。

按“5”键,构件水平360度旋转,再次按下“5”键后构件停止旋转。

按“6”键,构件垂直360度旋转,再次按下后构件停止旋转。

按“7”键后,构件恢复初始状态。

③核电站三维虚拟现实软件控制棒驱动机构动画部分

拆装结束后,出现提示窗口。当用户点击确定按钮后,系统进入控制棒动画展示环节。

鼠标左键单击反应堆堆身,连续空格键,画面显示控制棒上拔动作。在上拔到最高处后,再连续按空格键,控制棒会逐步恢复原位。

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典型实验项目及效果:

核电站三维空间漫游。通过鼠标或者键盘选定堆内漫游路径,行进过程中可加速、减速、暂停等。漫游过程中,通过放大缩小场景扩大对系统设备及厂房的视角与范围,并可进入设备拆装环节进一步熟悉其内部构造。通过一定的操作程序实现反应堆控制棒插入拔出等动作,对反应堆反应性控制有着更准确的理解。

学生可以通过实际操作与观看了解掌握核电站内部构造情况,并直观的感受系统设备的几何形状及其在反应堆系统中的角色功能。

(2)压水堆核电厂设备源项仿真实验系统

压水堆核电厂设备源项仿真实验系统基于华北电力大学核科学与工程学院自主开发的压水堆核电厂设备源项程序DORAST,结合当前压水堆核电厂在热力循环系统、材料腐蚀及水化学的研究现状,借助可视化界面模拟压水堆核电厂裂变产物及活化产物在主回路系统、辅助系统及厂房内传递、吸附、滞留、衰变过程,以获得系统或设备内放射性核素的分布剂量,进而为核电厂的辐射屏蔽和环境评估提供源强数据,指导核设施的退役等。

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典型实验项目:

①放射性核素在系统或设备中的累积过程模拟实验。

②放射性核素在系统或设备中的净化过程模拟实验。

③放射性核素在系统或设备中的排放过程模拟实验。

学生实验过程及效果:

通过本平台,学生可以系统了解压水堆核电厂正常运行状态下放射性核素进入主回路系统、辅助系统及厂房的途径及机理,确定放射性核素在反应堆压力容器、蒸汽发生器、主冷凝器、冷凝液除盐器、净化除盐器、阳离子除盐器、净化系统箱体等重要设备中的分布剂量,进而掌握典型二回路的二代及三代反应堆内系统或设备的源项分析方法和流程。本平台具有可视化操作界面,使学生能够直观地输入参数、读取结果和管理计算流程,简便易学,并且匹配了三道典型的工程计算例题,有助于增强学生的实操能力。

(3)核反应堆堆芯物理与屏蔽仿真实验系统

核反应堆物理分析教学团队不断整合教学资源,依托自主开发的ARES输运程序系统软件,SCALE程序系统和DOORS程序系统等一系列外购软件,搭建反应堆物理仿真平台,组建核电厂堆芯核设计、辐射屏蔽、中子动力学等虚拟仿真实验系统。

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典型实验项目:

①核反应堆堆芯临界模拟实验。

②核反应堆辐射屏蔽模拟实验。

③核反应堆瞬态中子动力学模拟实验。

学生实验过程及效果:

学生通过该平台可以虚拟仿真核反应堆堆芯临界模拟、核反应堆辐射屏蔽模拟、核反应堆瞬态中子动力学模拟等。实现核反应堆临界计算、核电厂屏蔽设计等,熟悉核反应堆物理分析的计算流程及计算方法,增强学生对所学相应课程的理解。本平台具有可视化操作界面,使学生能够直观地输入参数、读取结果和管理计算流程,简便易学,有助于增强学生的实操能力。

(4)全工况安全壳内环境参数三维可视化仿真实验系统

基于国内外核电行业的发展报告的研究分析,我们可以得出核电站内仪表和监测系统的发展趋势和方向表现为:采用先进的核探测技术、通讯技术、计算机技术特别是嵌入式系统应用技术,实现监测仪表先进最优化、标准模块化、小型一体化、智能化、数字化、多功能化和软件化,并实现远程监测和控制技术。

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典型实验项目及效果:

①核电站虚拟现实环境搭建。

②无线传感器网络组建。

③测量点与仿真点传递函数设计。

④基于超声波的安全壳穿透通信实验。

⑤环境参数三维可视化实时监测。

(5)环境放射性取样与监测仿真实验系统

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典型实验项目:

①环境地表γ辐射剂量率测定

②土壤中226Ra、232Th、40K含量的测定

③自来水中总α、β放射性测量

④室内氡气浓度的测量

学生实验效果:

环境放射性监测仿真教学平台以实验为主,软件为辅;为学生提供了环境放射性监测的实践训练及相关剂量的计算。目前的实验设置基本涵盖了核电厂环境监测的各种项目,并结合剂量的计算能够使得学生真实体会环境放射性监测的重要性及在保障环境辐射安全方面的作用。本平台需要学生深入环境中采集各类样品,并根据实际情况进行样品处理从而开展放射性测量,这种接近真实的环境放射性监测训练极大提高了学生的实践能力,加深了学生对辐射安全的理解,受到了学生的一致认可与好评。