核輻射與安全虛擬仿真實驗教學(xué)建設(shè)

楊 強(qiáng),劉 軍,魏生斌,張慶賢,王廣西

(1.成都理工大學(xué) 核技術(shù)與自動化工程學(xué)院,四川 成都 610059； 2.成都理工大學(xué) 總務(wù)處,四川 成都 610059； 3.成都理工大學(xué) 教務(wù)處,四川 成都 610059)

國務(wù)院《核電中長期發(fā)展規(guī)劃(2005—2020年)》實施以來,我國核電產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展,核輻射與安全領(lǐng)域人才缺口很大,許多高校開設(shè)了核工程相關(guān)專業(yè)[1]。然而,由于傳統(tǒng)的核輻射相關(guān)實驗安全風(fēng)險大(如使用放射源)、成本高(如小型反應(yīng)堆),難以在眾多高校推廣[2],核工程類專業(yè)的學(xué)生存在理論知識學(xué)得較扎實而實踐技能不足的問題[3-4]。虛擬仿真實驗教學(xué)作為一種實驗教學(xué)新手段,能夠借助計算機(jī)仿真分析,將核輻射的微觀物理過程與核工程的數(shù)值計算引入實驗內(nèi)容中,將核輻射與物質(zhì)相互作用的過程通過動畫展現(xiàn)出來,成為對理論課程教學(xué)的有力補(bǔ)充。虛擬仿真實驗有利于學(xué)生理解、鞏固專業(yè)知識,培養(yǎng)分析綜合問題的能力,滿足我國核電產(chǎn)業(yè)發(fā)展對核與輻射安全人才培養(yǎng)的要求[5-7]。

由于核科學(xué)類實驗涉及高電壓、放射性等高風(fēng)險因素,如果實驗人員操作不當(dāng),極有可能造成一定的危害。因此,開展虛擬仿真實驗教學(xué)及其資源的建設(shè)工作,特別適合涉核專業(yè)實驗教學(xué)的需求。

1 實驗資源建設(shè)情況

成都理工大學(xué)省級核輻射與安全虛擬仿真實驗教學(xué)中心于2017年正式獲批。該中心依托虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù),構(gòu)建了可以真實反映物理過程的實驗場景,對部分微觀物理現(xiàn)象采用計算機(jī)模擬展現(xiàn),讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行以往實驗教學(xué)中無法進(jìn)行或高成本的實驗實踐學(xué)習(xí)。虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)充分體現(xiàn)虛實結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實不虛的原則,實現(xiàn)真實實驗難以實現(xiàn)的教學(xué)功能。中心實驗教學(xué)資源由物理模擬仿真教學(xué)資源和輻射虛擬仿真教學(xué)資源兩部分組成。

1.1 物理模擬仿真實驗資源

對于高風(fēng)險、高投入的核與輻射測量實驗教學(xué),采用虛實結(jié)合的辦法,模擬企事業(yè)單位在日常工作中的使用場景,構(gòu)建了物理仿真實驗平臺。在該平臺上開展的實驗主要有學(xué)生自主性實驗、設(shè)計性實驗和創(chuàng)新性實驗,能夠完全模擬野外施工、輻射監(jiān)測等真實操作。

1.1.1 KZC系統(tǒng)物理仿真實驗?zāi)K

核電站控制區(qū)出入(KZC)系統(tǒng)是核電站輻射防護(hù)與安全的重要組成部分,也是輻射防護(hù)與核安全專業(yè)、核工程與核技術(shù)專業(yè)、核燃料與核化工專業(yè)在工作中常接觸的部分[8]。但KZC系統(tǒng)的實習(xí)實踐一直是實驗教學(xué)難題。本中心構(gòu)建了一套KZC仿真系統(tǒng)(見圖1),系統(tǒng)由物理實體和計算機(jī)控制軟件構(gòu)成。學(xué)生按照核電站正常流程進(jìn)行操作,在操作過程中,教師可以控制計算機(jī)虛擬產(chǎn)生核電站的異常狀況,學(xué)生根據(jù)異常狀況作出相應(yīng)的處理。

圖1 KZC仿真系統(tǒng)框圖

該物理仿真實驗的教學(xué)目的是提高學(xué)生對KZC系統(tǒng)的認(rèn)識以及培養(yǎng)學(xué)生對輻射異常狀況的處理能力,樹立學(xué)生的輻射安全意識。

1.1.2 放射性氣溶膠物理仿真實驗?zāi)K

放射性氣溶膠是輻射環(huán)境監(jiān)測和核安全的重要內(nèi)容,研究放射性氣溶膠的行為、特征，也是輻射環(huán)境學(xué)科的重要研究內(nèi)容。該實驗?zāi)K由4 m3的氣溶膠柜、放射性氣體發(fā)生器(Rn源)、粉塵發(fā)生器等組成(見圖2)。學(xué)生在該實驗平臺上可以自主設(shè)置實驗,可以模擬特定條件下放射性氣溶膠的形成、重力沉降和顆粒度等實驗。該實驗平臺方便了學(xué)生實驗,將放射性氣溶膠統(tǒng)一處理,避免了傳統(tǒng)實驗裝置的泄漏,減少了實驗對環(huán)境的污染,在本科生畢業(yè)設(shè)計、學(xué)生創(chuàng)新大賽等方面受到學(xué)生的歡迎。

圖2 放射性氣溶膠物理仿真模塊

1.1.3 核測井仿真實驗?zāi)K

在核技術(shù)的多項應(yīng)用中,核測井是重要的礦產(chǎn)資源勘查技術(shù)之一。在實踐教學(xué)過程中,由于放射源的使用、地層結(jié)構(gòu)等因素,學(xué)生難以進(jìn)行真實的實驗。核輻射與安全虛擬仿真實驗教學(xué)中心構(gòu)建了一口由不同材質(zhì)填充的模擬井,并利用計算機(jī)技術(shù)建立了與模擬井完全一致的地質(zhì)體響應(yīng)模型,用于仿真不同巖石和不同密度地質(zhì)體的放射性測井實驗(見圖3)。該實驗?zāi)芗由顚W(xué)生對野外測井工作的實踐經(jīng)驗,使學(xué)生更好地掌握核測井理論知識。

圖3 模擬井實景圖與仿真模型

1.2 虛擬仿真實驗資源

在涉核專業(yè)的授課過程中,與輻射物理、輻射防護(hù)、反應(yīng)堆工程和核電子學(xué)信號等相關(guān)的實驗內(nèi)容在教學(xué)中難以展示,物理實驗也很難開設(shè)。針對這種情況,核輻射與安全虛擬仿真實驗教學(xué)中心利用核輻射數(shù)值仿真軟件和蒙特卡洛模擬方法,建立對應(yīng)模型,將輻射與物質(zhì)相互作用的微觀過程以實驗數(shù)據(jù)、圖表、動畫等方式形象地展示給學(xué)生,能夠較好地提升學(xué)生對于核與輻射課程的學(xué)習(xí)效果。

目前,虛擬仿真實驗資源分為輻射物理與探測虛擬仿真實驗、核地球物理探測虛擬仿真實驗、反應(yīng)堆安全虛擬仿真實驗、輻射防護(hù)虛擬仿真實驗和核電子學(xué)虛擬仿真實驗5個模塊[9]。

1.2.1 輻射物理虛擬仿真實驗?zāi)K

輻射物理主要研究射線與物質(zhì)的相互作用,而核輻射看不見、摸不著,與物質(zhì)的相互作用更是難以觀測。虛擬仿真平臺采用蒙特卡洛數(shù)值模擬方法,真實地反映射線與物質(zhì)相互作用的過程[10]。在該模塊中,共有14個實驗:

(1) α粒子與物質(zhì)相互作用實驗；

(2) β-與物質(zhì)相互作用實驗；

(3) β+與物質(zhì)相互作用實驗；

(4) muon-與物質(zhì)相互作用實驗；

(5) 中子與物質(zhì)相互作用實驗；

(6) 伽瑪射線吸收實驗；

(7) 伽瑪射線散射實驗；

(8) HPGe能譜實驗；

(9) 氣體探測器實驗；

(10) 閃爍體探測器實驗；

(11) 伽瑪能譜測量實驗；

(12) α能譜測量實驗；

(13) β能譜測量實驗；

(14) 中子探測實驗。

1.2.2 反應(yīng)堆安全仿真實驗?zāi)K

反應(yīng)堆安全實驗?zāi)K是利用核電站虛擬仿真軟件,對反應(yīng)堆中核燃料濃度、反應(yīng)堆溫度、反應(yīng)堆水壓力等影響因素進(jìn)行分析,為反應(yīng)堆物理分析、核安全分析等課程服務(wù),加深學(xué)生對理論知識的理解,驗證數(shù)學(xué)上的近似計算結(jié)果。在該模塊中,還可對核材料的輻照特性進(jìn)行研究,為核材料課程提供服務(wù)。目前可開展6個實驗項目:

(1) 壓水堆堆芯幾何結(jié)構(gòu)建模；

(2) 堆芯材料對keff的影響；

(3) 堆芯控制棒毒物價值；

(4) 堆芯燃耗分析；

(5) 納米Mo金屬中孿晶變形的分子模擬；

(6) UO2中輻照損傷的分子模擬。

1.2.3 輻射探測虛擬仿真實驗?zāi)K

輻射探測虛擬仿真實驗?zāi)K是對資源勘查領(lǐng)域核輻射的應(yīng)用進(jìn)行模擬。主要對伽瑪測井、中子測井、X射線熒光測井、地面伽馬能譜測量、航空伽馬能譜測量等具體實驗項目開展虛擬仿真實驗。學(xué)生可以在該仿真平臺上設(shè)置物理參數(shù),進(jìn)行虛擬仿真實驗,并根據(jù)仿真結(jié)果對物理參數(shù)的影響展開研究。目前該平臺上共有7個實驗:

(1) 自然伽瑪測井實驗；

(2) 伽瑪密度測井；

(3) 中子測井；

(4) 地層元素測井；

(5) X射線熒光測井；

(6) 伽瑪能譜標(biāo)定實驗；

(7) 航空伽瑪能譜實驗。

1.2.4 輻射防護(hù)虛擬仿真實驗?zāi)K

目前國際上輻射防護(hù)領(lǐng)域的輻射體屏蔽實驗室、微劑量實驗、人體輻射劑量分布實驗,都采用數(shù)值仿真實驗。學(xué)生在虛擬仿真平臺上可以根據(jù)實際問題對輻射防護(hù)的工程問題、理論驗證問題進(jìn)行實驗。在輻射防護(hù)虛擬仿真實驗?zāi)K中,學(xué)生通過建模、設(shè)計與仿真,掌握輻射防護(hù)工作的流程,加深學(xué)生對理論知識的理解。目前該模塊中有7個實驗:

(1) 外照射劑量模擬實驗；

(2) 中子源屏蔽實驗；

(3) 伽瑪源屏蔽實驗；

(4) 體素體模模擬實驗；

(5) 內(nèi)照射估算實驗；

(6) 微劑量學(xué)實驗；

(7) 放射性污染物遷移實驗。

1.2.5 核電子學(xué)虛擬仿真實驗?zāi)K

核電子學(xué)虛擬仿真實驗采用數(shù)值模擬方法產(chǎn)生核輻射探測器的輸出信號,基于數(shù)字信號處理理論,對核電子信號進(jìn)行放大、濾波、成型和處理[11]，改善了傳統(tǒng)實驗中依靠放射源來獲得核信號所帶來的高危險性和高輻射性。本模塊包含8個實驗項目:

(1) 探測器輸出電流脈沖模擬；

(2) 脈沖信號放大電路的模擬與仿真；

(3) C-R微分電路的仿真；

(4) R-C積分電路的仿真；

(5) 數(shù)字極零相消成形；

(6) S-K濾波電路的仿真；

(7) 數(shù)字脈沖成形模擬；

(8) 譜數(shù)據(jù)處理——S-K濾波光滑。

2 教學(xué)特色

核輻射與安全虛擬仿真實驗與其他虛擬仿真實驗的最大區(qū)別,在于其涉及到射線與物質(zhì)相互作用的物理過程。該過程難以通過簡單的數(shù)學(xué)公式給出確定的結(jié)果。國際上通常采用蒙特卡洛方法來解決這一問題,而蒙特卡洛方法對平臺的后臺計算能力提出了一定的要求。因此,核輻射與安全虛擬仿真實驗中心的特色之一就是將面向科研的高性能計算與面向?qū)W生的虛擬仿真實驗教學(xué)相結(jié)合,為每一個接入終端提供后臺集群服務(wù)器計算資源。目前,本中心擁有高性能刀片服務(wù)器15臺和5個分布式計算節(jié)點,能為30個終端提供并行計算服務(wù)。

3 結(jié)語

核輻射與安全虛擬仿真實驗平臺豐富了核輻射與安全的實驗教學(xué)內(nèi)容,實驗教學(xué)不再受時空的限制,與基礎(chǔ)雄厚的實物實驗教學(xué)相互配合,形成了完整的實踐教學(xué)體系,提升了實踐教學(xué)的服務(wù)能力,為提高大學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力提供了保障。

核輻射與安全虛擬仿真實驗教學(xué)中心通過近幾年的努力,已經(jīng)建成虛擬仿真實驗項目34項,面向核工程與核技術(shù)、輻射防護(hù)與核安全、核化工與核燃料工程、測控技術(shù)與儀器、電子信息科學(xué)與技術(shù)、勘查技術(shù)

與工程6個專業(yè)(方向)以及中廣核聯(lián)培班學(xué)生開設(shè)了核輻射與安全虛擬仿真實驗課,在核工業(yè)人才的培養(yǎng)方面取得的了可喜成果。

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