DOI：10.16660/jki.1674-098X.2004-1018-0604
①
古强
（中核四川环保工程有限责任公司信息中心 四川广元 628000）
摘 要：核设施退役与三维仿真技术的结合是传统行业与新兴技术的碰撞与融合，将会实现技术的革新与产业的升级，在传统的核设施退役行业开拓出新的工作领域，不仅会促进科研生产的发展，而且将反过来促进三维仿真技术的进步。本文对三维仿真技术在核设施退役领域进行了应用研究，重点结合国内某核退役厂的科研生产实际，以需求为导向，在退役数据库管理、人员辐射剂量评估、退役方案推演与评估、虚拟培训等方面展开，设计并研发了核退役三维仿真系统。该系统应用到企业的科研生产活动中，在退役方案推演及优化、操作人员培训等方面发挥了非常重要的作用。不仅充实和优化了核设施退役工程研究的方法，而且在减少人员到辐射现场的频次，保护人员健康方面取得了明显的成效。关键词：核设施 退役 三维仿真 研究 设计 中图分类号：TL943 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2020)09(b)-0001-
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Research and Design of Application of 3D Simulation System
in Nuclear Facility Decommissioning
GU Qiang
（ Sichuan Environmental Protection and Engineering Co., Ltd., CNNC, Guangyuan, Sichuan Province,
628000 China ）
Abstract :The application of 3D simulation in nuclear facility decommissioning represents the combination of traditional industry with emerging technology, which will lead to technical innovation and industrial upgrading. Such application will not only propel the development of nuclear facility decommissioning, but also the improvement of 3D simulation. This paper presents the research on application of 3D simulation in nuclear facility decommissioning based on the scientif ic research and production practices in a nuclear plant. A demand-oriented 3D simulation system capable of decommissioning data management, personnel dose assessment, plan review and optimization, and
virtual training in nuclear facility decommissioning is developed. This system plays a very important role in the scientif ic research and production in the above plant, especially in the plan review and optimization, and operator training. It also provide new method for research on nuclear facility decommissioning projects and is very effective in protecting personnel such as reducing radiation exposure.
Key Words :Nuclear facility; Decommissioning; 3D simulation; Research; Design
①作者简介：古强(1987—)，男，汉族，四川射洪人，本科，工程师，研究方向为信息化工程设计与项目管理。
核设施接近或达到其设计寿期或者由于技术进步、政治、经济、事故等原因而终止运行，采用适当技术措施和行政手段使这些终止运行的核设施退出服役状态，使场（厂）址获得有限制或无限制开发和使用，即为核设施退役。国际原子能机构定义核设施退役是广义上的，包括管理和技术上的综合意义。本文中论述的核设施退役是从技术层面的，狭义上的，是指采取去污、拆除、固化、处置等技术手段，实现设施
从“有到无”的过程，是建设的逆向过程。
三维仿真技术是指利用计算机技术生成一个逼真的，具有视、听、触等多种感知的虚拟环境，用户可以通过自然技能使用各种传感设备同虚拟环境中的实体相互作用的一种技术。三维仿真技术应用极其广泛，在科研、生产、娱乐等各行各业均得到了使用，极大地提升了企业科研生产的效率及用户的体验。
核设施退役与三维仿真技术的结合是传统行业与
新兴技术的碰撞与融合，将会实现技术的革新与产业的升级，在传统的核设施退役行业开拓出新的工作领域，不仅会促进科研生产的发展，而且将反过来促进三维仿真技术的进步。
1 国内外现状调查
国内的核动力运行研究所，其仿真研究中心长期从事核电厂仿真技术的研究开发工作（见图1），建立了具有国际同期先进水平的具有自主产权的仿真技术平台。中国工程物理研究院计算机应用研究所与北京理工大学计算机科学与工程系共同开展了基于虚拟现实的反应堆退役模拟研究，并设计了基于虚拟现实的反应堆退役模拟系统。美国于2011年成立“先进轻水反应堆模拟仿真联盟”。日本的JNCDI与JAERI以及挪威联合开发了退役支持系统DEXUS用于帮助退役计划的制定及退役工程的管理（见图2），其中的VRdose模块实现了施工场景的三维模拟。
泰国屠杀三维仿真技术在国外核设施退役中已经有较为广泛的应用，在国内虽然部分院所开展过一些研究工作，但还未有成熟、可推广的工程应用案例。因此，基于国内外的一些研究经验，探索和研究三维仿真技术在核设施退役中的应用具有重要的工程应用价值。
2 系统研究与应用
国内某厂是从事核设施退役和三废治理业务的专业机构，拥有几乎覆盖核设施退役与三废治理领域全范围的业务，基于对该厂业务的现状调查，提出三维仿真技术在核设施退役领域研究与应用的方向和内容。经过研究分析，制定出研究的技术路线，并进行功能和系统结构设计。
2.1 研究内容
以需求为导向，提出包括4个方面的研究内容。
（1）建立核设施三维模型。
借助三维仿真技术对核设施现场进行逼真的三维展示是开展退役方案设计、实施、项目管理和人员培训的基础，采集设施及周围环境的数据，建立立体的三维虚拟模型，展示设施当前最真实的状态，为科研和退役工程实施提供必需的信息。
（2）模拟核设施虚拟辐射场。
建立模拟三维辐射场，通过模拟现场真实辐射分
图1 核动力运行研究所-核岛设备定位系统图图2 日本普贤核电DEXUS系统反应堆三维仿真
图3 核设施三维仿真系统功能结构图
布情况，研究分析并做出评估，进一步优化退役方案以及废物管理、人流物流管理的组织与规划。
（3）模拟核设施退役过程。
核设施退役的过程一般包括去污、拆除、废液回取、气体的流向控制等，需要对物流、人员进行有效组织，并应做好应对突发事故的准备。
（4）建立虚拟培训平台。
利用仿真平台的可重复性，进行反复模拟训练、操作以增加员工对工器具的熟练运用程度，对操作步骤的准确掌握，有助于员工高效、可靠、安全地实施退役作业，在实际操作时可减少受照剂量和降低突发意外事故的可能性。
2.2 系统设计
设计出核退役三维仿真系统由退役数据库管理系统、退役三维辐射评估系统、退役方案推演与评估系统和退役三维培训系统等四个子系统以及退役三维模型库和退役数学模型库两个模型库组成，模型库是各系统功能实现的基础。核退役三维仿真系统功能结构如图3。
2.2.1 退役数据库管理系统
将源项调查数据、生产运行数据、设施数据以及退役活动中产生的数据进行统一分类管理，考虑数据种类、海量数据存储与数据安全等因素，采用B/S架构，数据库作为公用资源为其他系统调用。
2.2.2 退役三维辐射评估系统ecms
以源项调查的结果数据或现场测量数据为输入，调用后台相应数学模型分析计算，利用三维虚拟场景及动态辐射场多模型对象耦合技术，建立辐射场仿真
模型，最终通过显示系统显示输出。
2.2.3 退役方案推演与评估系统
退役三维方案推演与评估系统是建立在设施内外部三维模型和剂量场模型的基础上，结合退役过程中使用的工器具和设备模型，调用相应的数学模型进行仿真计算，实现对退役活动相关的工作进行模拟和再现，通过对工作过程进行分析和评估，以达到对方案设计与方案比选提供帮助和支持的目的。
2.2.4 退役三维培训系统山西省经济委员会
根据不同的退役装置的技术特性进行设计，实现数据输入、动作过程仿真计算和三维仿真显示。系统内置数据库用于存储系统所有的数据，如操作指令数据、设备数据、运动属性数据等，设备属性信息数据可直接从退役数据库管理系统中读取。动作过程仿真计算是按照实际的工作过程进行划分，对每一个动作在一定的输入条件下，设备机构运动的响应进行计算。
2.2.5 退役三维模型库
建模范围包括三维场景模型、退役对象模型、退役工器具模型、退役作业人员模型和其他一些模型。退役对象和工器具利用设备总装图、设备零件图和工器具图进行建模。建立退役作业人员模型，模拟人员的组织器官以及基本运动。
2.2.6 退役数学模型库
为实现对去污、拆除、废液回取等退役过程以及气流流向等退役现象进行模拟，建立较为完善的数学模型。主要为常规物理特征的和一些特殊功能的数学模型。2.3 系统详细设计
2.3.1 退役数据库管理系统
（1）数据范围及基本特点。
像男人一样战斗
①设施生产运行的历史数据：包括核设施设计建造资料、生产运行史、事故史等数据。
②核设信息数据：包括核设施、系统、设备的基本信息与特征参数。
③设施内源项监测数据：包括辐射场测量数据、取样分析数据及放射性污染测量数据。
④环境辐射监测数据：包括环境辐射测量数据以及取样分析数据。
河北建筑工程学院图书馆
⑤放射性废物数据：包括放射性废物排放情况、放射性废物贮存及管理情况、放射性废物流向情况。
⑥退役活动数据：退役实施过程中的动态数据，包括清洗、拆除、整改、处理处置、事故事件及由此发生的放射性物质转移数据。
⑦人员受剂量数据：工作人员及公众内照射及外照射数据、个人剂量、集体剂量档案等。
⑧退役项目文档资料数据：包括退役项目的规划、总体设计、项目建议书、可行性研究报告、设计方案、实施方案、质保记录、管理政策、法规、技术引用文件等。
系统应具备数据组织合理、响应速度快、安全、操作简单等特点。
（2）系统结构设计。
采用B/S架构，通过浏览器直接进行数据录入、查询、备份和日常维护等操作。实现对生产运行历史
数
据、退役核设施特征参数数据、放射性测量数据、环境测量数据、退役活动数据、人员剂量数据管理功能，并具备文件资料管理、系统维护管理模块，其功能结构图如图4所示。城市拆迁管理条例
2.3.2 退役三维辐射评估系统
（1）主要功能。
①沾污物分布计算。基于源项调查结果，通过逆向推算，输出沾污物的成分及分布情况。
②静态辐射场的建立。对将退役对象进行三维数学建模，基于沾污物分布计算结果和源项调查数据，利用三维粒子输运软件模拟出三维辐射场，使三维辐射场与现场实测值基本一致。
③动态辐射场的建立。根据退役方案中各阶段对研究对象与环境造成的改变，结合剂量场仿真计算模块，计算出剂量场的变化范围与变化过程。
④现场实时辐射场的建立。在现场施工阶段，通过现场布置多个实时监测点（或定期巡测），得到现场实时辐射监测数据，将现场实时数据反馈到系统中，修正动态剂量场的估算结果。
⑤人员辐射剂量评估。在动态剂量场及现场实时剂量场的基础上，结合虚拟作业人员多段人体模型，对各阶段退役工作中人员所受的剂量进行评估。
（2）系统结构。
系统分为剂量场仿真计算模块和三维仿真模型两大功能模块。剂量场仿真计算模块包含剂量场分布计算、人员剂量计算、辐射防护计算、人员路径规划四个子模块。三维仿真模块分为周边环境及设施三
维显示、辐射剂量场三维显示、现场测量点三维显示、人员工作路径显示、设施信息查询五个子模块。通过剂量场仿真计算得出相应的仿真模型，再通过三维虚拟仿真技术将仿真模型转化为三维模型呈现，功能结构图如图5所示。
①剂量场仿真计算模块。
剂量场分布计算：根据源项调查的结果数据，以及退役过程中的现场辐射防护监测数据，通过仿真程序计算出辐射剂量场分布的仿真模型，数据传送给辐射剂量场三维显示子模块使用。另外对超出设计阀值的热点进行统计，给出剂量值、坐标等信息，供现场测量点三维显示调用。
人员剂量计算：以典型工作人员为对象，结合辐射剂量场分布的仿真模型数据，以工作人员现场操作的路径和停留时间为基数，给出工作人员现场工作的受照剂量报告，包括总体受照剂量、不同组织器官的受照剂量、不同防护手段下的受照剂量等。
辐射防护计算：根据现场的辐射剂量场分布情况，结合不同材质屏蔽体对射线的屏蔽系数，采用相应的算法，计算最佳的屏蔽体厚度。
人员路径规划：以设施内部的辐射剂量场分布数据为基础，结合屏蔽体的辐射防护系数，采用相应算法，计算出到达现场工作点的最佳路径，对路径中的热点给出提示，最终输出形成三维的工作路径。
②三维仿真模块。
周边环境及设施三维显示：采用三维建模技术，建立退役工程周边环境和设施内部的三维模型，进行
图7 退役三维培训系统功能结构图
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