自主化軟件在核電先進研發體系中的作用

趙飛云++葉成+姚彥貴

摘要： 針對我國構建核電強國的戰略，為建設先進的核電研發體系，梳理三代核電技術引進過程中自主化軟件的研發，剖析自主化軟件的布局和發展策略，并結合我國核電發展現狀提出發展自主化軟件的方法和建議.

關鍵詞：

自主化軟件； 核電技術； 研發體系； 方法； 建議

中圖分類號： TM623.4文獻標志碼： B

0引言

為加快推進核電技術的發展與創新，我國決定引進具有世界先進水平的AP1000三代核電技術，并通過建設三門和海陽2個依托項目，組織對關鍵技術的消化、吸收、攻關和研發，走出一條消化—吸收—再創新的核電自主發展的新道路.自2004年國務院啟動三代核電技術引進工作以來，我國核電在研發設計、設備制造、試驗驗證以及其他硬件等方面迅速發展，大設計、大臺架和大裝備的實現正逐步縮小與國際先進核電技術的差距.特別是2006年發布的《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》將大型先進壓水堆和高溫氣冷堆核電站確定為16個重大科技專項之一，從此我國核電進入跨越式發展的新階段.

消化—吸收—再創新發展模式的根本目標是形成具有自主知識產權的核電技術及品牌，而實現核電技術自主化的關鍵是設計自主化，包括設計能力、設計手段和設計工具的自主化.相比硬件自主化水平的提升，我國核電軟件自主化水平發展相對比較薄弱，同時，由于核電信息化程度和管理效率方面的落后使得自主化軟件發展遠落后于核電發達國家.核電軟件自主化發展滯后，嚴重影響國內核電行業的核心競爭力和核電研發企業的可持續發展能力.因此，大力推動自主化軟件的發展對核電先進研發體系建設和核電技術自主創新發展都具有重要意義.

1核電自主化軟件的發展現狀

軟件是隨著計算機技術的迅速發展而逐漸形成的.在60多年的世界核電技術發展過程中，西方國家將其與計算機技術的發展相結合，形成多種計算機輔助設計專用軟件.著名商用有限元軟件ANSYS最早就是在美國西屋公司計算機部門的幾名員工開發的專用電廠分析軟件的基礎上逐步發展起來的.

我國計算機產業起步較晚，大規模的發展和普及是在新世紀以后.我國核電的早期發展主要建立在手算和試驗驗證的基礎上.例如，秦山一期核電廠建設過程中，上海核工程研究院完成400多項針對設備的試驗以支撐工程設計試驗.20世紀90年代起，隨著我國計算機產業的崛起，核電設計中開始采用大量的軟件輔助設計.隨著第三代核電技術的引進，核電輔助設計軟件也越來越廣泛.歸納我國第三代核電研發軟件的來源大致可以分為4類.

1）通用商業軟件.通用商業軟件是計算機輔助工程發展的必然結果.這類軟件不限于核電產業，需求量大且更新換代速度快，有強大的社會需求和市場競爭力，可極大地提高工業設計效率.如數學計算軟件Mathcad和Mathematics等.

2）專用商業軟件.這類軟件具有專業共性特點，一般經歷從專用程序向通用程序的轉化過程，市場競爭相對較強，是一段時期內技術發展最新成果的集中體現.如CAD軟件Inventor和CAE軟件ANSYS等.

3）技術轉讓軟件.技術轉讓軟件是跨國公司技術獨享成果的集中體現.例如，西屋公司等核電巨頭在50多年多個堆型的核電設計中，將積累的經驗通過轉化成程序的方法進行固化.早期這些程序都是公司的技術秘密，在技術轉讓過程中都以高額的價格賣出，如堆內壓降THRIVE程序，蒸汽發生器二次側三維兩相流場ATHOS程序和安全殼分析WGOTHIC程序等.

4）自主開發軟件.這類軟件在核電研發中占比較低，主要是因為我國核電規模化建設一直沒有成型，體現不出專用程序開發的價值，僅在秦山自主設計過程中，形成零星的幾個程序，如Pipe728程序等.

從上面的梳理不難看出，核電技術的發展過程需要多種軟件的支撐，但這些軟件的價值卻有所不同：通用商業軟件和專用商業軟件可以通過市場采購，技術轉讓軟件可以通過買斷技術獲得，但自主開發軟件卻需要長期堅持研究和經驗積累才能具備.核電自主軟件依然是我國核電先進研發體系建設的薄弱環節.如何加強和加快適合我國核電技術需要的具有自主知識產權的軟件研發，以推動核電技術的可持續發展，已成為擺在核電研發企業面前的重要任務.

2自主化軟件在核電先進研發體系中的作用

自主化軟件對核電先進研發體系的支撐作用，主要體現在以下幾個方面.

1）軟件是技術傳承的重要載體.

核電專用軟件集成研發過程中得到的數據、經驗和成果，具有傳承性，可以讓后人少走前人走過的彎路.專用軟件可以極大地提高系列產品的研發進程，有效地節約產品開發成本，減少試驗驗證工作量.

例如，在CAP1400核電廠研發過程中，開展蒸汽發生器一次側流阻試驗和反應堆水力模型試驗等，獲得一回路主設備局部流阻系數.在此基礎上開發一維計算軟件，可專門用于計算一回路壓降，該軟件計算結果可由電廠實際測量數據驗證或修正，提高程序的準確性.此后，堆型研發中的類似試驗工作由此計算程序分析代替，可大大提高研發效率和工程可靠性，見圖1.

軟件是企業核心競爭力的重要體現.在核電站堆型設計中，必定要開發大型設備，如果將整個設計流程規范化形成程序，將成熟的設計分析方法通過程序進行固化，會形成一大批設備設計、系統設計以及儀器控制設計的標準程序.這些程序代表最先進的設計理念、最核心的競爭力，人員可以流動、可以新老更替，但這些程序標準的固化能有效保證設計能力的持續提升.此外，通過軟件自主化發展能夠形成軟件品牌，對提升企業經濟效益和推進技術發展都有舉足輕重的作用.

2）軟件是設計研發規范化的重要組成部分.

核電先進研發體系的重要標志之一就是通過規范化的運作實現研發的規范化.與傳統的設計方法不同，核電要想實現規模化發展，就必須建立持續的經驗反饋機制，通過標準化設計過程，形成一套能應用于所有類似項目的規范化解決方案.這種固化設計流程的工作，通過軟件實現是切實可行的.為形成具有自主知識產權的CAP1400核電廠，在整個研發過程要注意設計流程、設計方法和設計思想的規范化、標準化和程序化.一個好的工程師不是把所有的經驗和知識裝在自己腦子里，而是能夠形成一個可以共享的資源，形成具有規范化和標準化的程序或方法.這也是提高整個團隊設計能力的重要途徑.

3）軟件是提高設計效率重要手段.

核電不僅需要考慮安全性，還需要考慮經濟性.自主開發軟件的應用可以大大提高設計效率，壓縮設計成本，從而降低電廠的建造成本，提高經濟性.因此，具有國際發展戰略的核電設計機構都應該加強自主軟件的開發，從而在激烈的市場競爭中脫穎而出.

3自主化軟件的發展措施和建議

西屋公司在第三代核電技術研發過程中形成大量自主化程序，這些程序的來源基本分為2個部分.一部分是通過對試驗數據的總結形成分析軟件，如非能動安全殼分析程序WGOTHIC，其程序中實現控制容積、流道和固體構件的模型都是西屋1991年購買的GOTHIC中的基本模型.西屋公司通過對GOTHIC的改進，增加流傳熱傳質關系式、液膜分布模型、一維壁面導熱模型和壁面間的輻射傳熱模型，模擬PCS系統的熱導出能力.經過大量試驗驗證，包括與基本算例的比較和與試驗結果的對比，西屋在GOTHIC基礎上開發形成WGOTHIC程序，并得到認可.另一部分是西屋通過與專門的軟件公司合作開發的專業軟件，如蒸汽發生器二次側熱工水力分析程序ATHOS最早是美國電力研究院出資由CFD軟件公司CHAM開發，后來西屋公司引進后進行改進，使軟件的功能更加完善.同時，西屋公司借助外協CFD公司的力量開發大量的分析軟件.可以看出，在軟件自主化過程中，除由核電工程師總結開發外，與專業軟件公司合作更重要.專業公司可針對核電領域的問題開發專用程序，并通過驗證和修正形成專用軟件.

我國從20世紀70年代開發第一座核電廠開始，核電研發設計已經走過了40多年.[9]雖然老一代核電人建立起具有自主知識產權的秦山核電站，基本掌握核電設計技術，但是由于各種條件制約，這一過程中所創建的自主化軟件一直可謂是鳳毛麟角.在當前新一波核電建設與研發浪潮中，每個核電技術設計人員、領導層和決策層均應抓住機會，重視和關注設計方法、設計思路和設計手段的程序化與規范化，努力實現自主化軟件的發展.

因此，加強自主軟件開發，特別是三代核電技術自主軟件開發，提升核電設計軟實力，進一步完善核電研發設計體系，顯得尤為重要.自主軟件發展總體思路如下.

1）推動我國三代核電軟件自主化發展必須堅持自主創新，在自主創新的基礎上加強國際合作與競爭，實現更高層次的自主創新.國家在軟件領域的競爭優勢，不可能產生于要素稟賦依賴的比較優勢，更不可能從對國外技術的引進和模仿、跟蹤中獲得，而是來自關鍵核心技術的獲取和突破.國際合作和競爭要以自主創新為前提，不斷增強自主創新能力.努力加快完善軟件技術創新體制，推動科研機構、高等院校與企業建立產學研互動創新的體制，開發面向產業化、市場化的項目，支持以企業為核心的產學研聯合，充分發揮各方優勢，實現集成互動創新.

2）推動軟件體系的更新換代、二次開發與系統集成.根據工程設計研發需求及最新研究成果，提出核電專業軟件研制或改進開發的需求，并組織國內外科研院所、研發中心、高校、軟件開發機構等單位完成軟件設計、模型開發、試驗研究、軟件編程以及軟件測試和認證（包括軟件二次開發與系統集成）等工作，實現核心軟件的自主開發與持續改進，逐步實現以引進實施為主到自主實施為主的轉變，進而開發出自主知識產權的系統功能完善的核電專用軟件.

具體開發措施如下.

1）充分消化吸收已引進的成熟軟件，結合國內設計環境和特點開發自主知識產權專用軟件.這類自主化軟件從功能和適用范圍上可優于原有程序，其實現方法具有快捷性和針對性.如蒸汽發生器熱工水力軟件ATHOS的開發[11]：首先對ATHOS軟件進行消化吸收，認識ATHOS是采用多孔介質引入分布阻力對二次側管束區進行模擬；然后，充分調研國內開展多孔介質研究的高校或研究機構在此領域已有的理論基礎，將分析管束區的流動和換熱情況等成熟技術與核電工程相結合；最后，開發用于蒸汽發生器二次側管束流場分析的專用軟件，形成可替代ATHOS的自主知識產權專用軟件.國際上已形成的類似軟件見表1.

2）對國內已有的專業軟件進行驗證和功能擴展，形成軟件品牌.如引進于西屋公司的GENF程序專門用于蒸汽發生器一維穩態熱工水力計算，是蒸汽發生器設計的關鍵程序.國內也有類似的程序，早在進行300 MW核電廠蒸汽發生器設計中，上海核工程研究院曾與國內某高校合作開發類似功能的程序.由于該程序開發基于當時的設備規模結構，隨著蒸汽發生器傳熱管數量的增多，目前已不適用于AP1000或CAP1400等設備的設計.因此，可以結合國內專業軟件公司或高校的力量，通過資源共享的合作方式，進一步對已有程序的限制參數和適用范圍進行改進和完善，快速形成有效的自主化軟件.

3）結合重大專項研究，對試驗數據進行總結處理形成可連續開發的工具和軟件.試驗既費時又費力，一項大型試驗要花費大量資金和時間投入，如高溫高壓回路中開展的蒸汽發生器傳熱管流阻試驗（見圖2），蒸汽發生器縮比模型試驗獲得進出口管嘴流阻系數試驗（見圖3）.試驗花費大量人力物力，所以應充分利用試驗結果.科研單位不能僅僅停留在證明自己設計的東西好用就行，將試驗臺架、數據丟棄不用，下次研發再重復建設，缺乏長遠目光、缺少長久規劃.應對一次成功大型試驗形成的珍貴數據充分分析利用，總結尋找規律性，形成程序，以替代類似試驗.

4結束語

過去，我們對于知識和經驗傳承不夠重視，知識相傳還停留在口手相傳，過多依賴人為因素，沒有形成可持續發展的軟件開發能力.這一不足導致大量試驗臺架廢棄，珍貴的試驗數據得不到充分利用.試想，如果能夠把秦山一期等電廠設計中一些關鍵的設計分析方法、設計流程程序化后形成自主化程序.這些經過電廠試驗和運行數據驗證的自主化程序在重大專項研發中可以大展拳腳，可以少做大量試驗，少走很多彎路，節約大量研發經費和設計時間.

總之，作為核電先進研發體系建設的重要內容，自主化軟件的發展不僅有利于提升企業的設計水平和核心競爭力，培養一批高水平的研發設計隊伍，同時也有利于提升核電廠數字化的設計水平，為我國核電技術的連續性和可持續發展提供支撐和保障.

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（編輯武曉英）