核燃料數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)建設(shè)研究

劉欣 汪洋 鄧勇軍 劉虓瀚

摘要：為實(shí)現(xiàn)對(duì)核燃料綜合數(shù)據(jù)的管理，進(jìn)行核燃料數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)建設(shè)，該系統(tǒng)以JAVA為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，Eclipse為開(kāi)發(fā)工具，SQLServer為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，并采用客戶(hù)端/服務(wù)器（Client/Server）模式。系統(tǒng)包含材料性能、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工程分析、程序模型評(píng)估4大模塊，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)包含參數(shù)、二維及三維圖紙、程序輸入卡、上下游設(shè)計(jì)文件等，功能包括數(shù)據(jù)查詢(xún)、比較，圖形分析及數(shù)據(jù)導(dǎo)出等，同時(shí)采用口令驗(yàn)證機(jī)制保障數(shù)據(jù)安全。數(shù)據(jù)庫(kù)操作簡(jiǎn)單、安全實(shí)用，解決了核燃料數(shù)據(jù)存放雜亂、不易獲取、更新困難等問(wèn)題，方便了用戶(hù)對(duì)數(shù)據(jù)的獲取和分析，提高了數(shù)據(jù)利用價(jià)值。數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)擴(kuò)展后可包含燃料制造、乏燃料跟蹤與處理等模塊，將成為一個(gè)覆蓋燃料研發(fā)全過(guò)程的核燃料數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：核電站；核燃料；數(shù)據(jù)庫(kù)；管理系統(tǒng)

DOI：10.11907/rjdk.172980

中圖分類(lèi)號(hào)：TP392

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-7800（2018）007-0200-04

Abstract：Toachievethemanagementofnuclearfuelcomprehensivedata，wecarriedouttheconstructionoftheNuclearFuelDatabaseSystem.ThesystemisdevelopedbyJAVA，Eclipseasthedevelopmenttool，SQLServerasthebackstagedatabasemanagementsoftware.ThesustemadoptstheClient/Server（Client/Server）mode.Datastoredinsystemcanbeclassifiedintofourmodulesthatarematerialperformance，structuraldesign，engineeringanalysis，andprogrammodelevaluation.Differentkindsofdatatypeareincludedinsystem，suchasparameters，two/three-dimensionaldrawings，programinputcards，upstreamanddownstreamdesigndocumentsandsoon.Notonlydataquerycouldbeachieved，datacomparison，graphicalanalysisanddataexportcanalsobeachievedbythissystemwiththeapplicationofpasswordauthenticationmechanismwhichcanensurethedatasecurity.Databasesystemhassolvedproblemsofdatastoragedisorder，acquistionandupdatedifficulties.Thesystemimprovesthevalueofdatastorageinsystemandisconvenienttoobtainandanalyzedataforusers.Fuelmanufacturingmodule，spentfuelmoduleandotherdatamodulescouldbeincludedintheextendedsystemwhichcouldcoverthewholecycleofnuclearfuelresearchanddevelopment

KeyWords：nuclearpowerplant；nuclearfuel；database；managementsystem

0引言

20世紀(jì)80年代后期，我國(guó)的核電信息化將核電與信息技術(shù)等學(xué)科相結(jié)合，開(kāi)始重視網(wǎng)站和數(shù)據(jù)庫(kù)等方面的應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)。目前已建立的數(shù)據(jù)庫(kù)有核電工程材料數(shù)據(jù)庫(kù)、核電工程文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)等[1]。燃料作為核電站反應(yīng)堆的核心部分，對(duì)其中核燃料數(shù)據(jù)的分析利用也成為研究工作的重要一環(huán)[2]。核燃料數(shù)據(jù)除材料和工程數(shù)據(jù)外，還涉及生產(chǎn)、研究、實(shí)驗(yàn)以及輻照后檢驗(yàn)等各階段數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對(duì)今后開(kāi)展核燃料性能分析評(píng)價(jià)、核燃料設(shè)計(jì)優(yōu)化與改進(jìn)工作等具有重要價(jià)值。但由于這些數(shù)據(jù)現(xiàn)階段尚未進(jìn)行統(tǒng)一管理，且種類(lèi)繁多、存放散亂和更新升級(jí)等原因，可能造成數(shù)據(jù)獲取困難或獲取錯(cuò)誤，從而影響數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性與科研效率[3]。因此，建立一個(gè)包含核燃料綜合數(shù)據(jù)，并以結(jié)構(gòu)化形式實(shí)現(xiàn)管理和共享，且便于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和分析比較等綜合應(yīng)用的系統(tǒng)是十分必要的[4]。

中廣核集團(tuán)燃料中心為滿(mǎn)足燃料研發(fā)及分析工作的需要，開(kāi)展了核燃料數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)（NuclearFuelDatabaseSystem，NFDS）建設(shè)。系統(tǒng)建設(shè)中對(duì)核燃料研發(fā)、堆內(nèi)外實(shí)驗(yàn)、自主軟件研發(fā)等過(guò)程中形成的數(shù)據(jù)進(jìn)行搜集、整理與分類(lèi)，形成以材料性能、結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、工程設(shè)計(jì)、模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為主，能夠?qū)崿F(xiàn)快速查詢(xún)與比較的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。同時(shí)在開(kāi)發(fā)過(guò)程中設(shè)置了用戶(hù)身份驗(yàn)證機(jī)制，在解決核燃料數(shù)據(jù)過(guò)于分散的同時(shí)，確保了整體數(shù)據(jù)的安全性。核燃料數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)建設(shè)在提高數(shù)據(jù)利用率的同時(shí)，也將為核電站燃料設(shè)計(jì)、程序模型評(píng)估和性能分析評(píng)價(jià)等各項(xiàng)工作的順利開(kāi)展提供支撐。該系統(tǒng)具備擴(kuò)展功能，隨著燃料制造、乏燃料跟蹤與處置、技術(shù)資料與會(huì)議文檔等模塊的建設(shè)完成，最終將建設(shè)成為一個(gè)覆蓋燃料研發(fā)全周期的核燃料數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。

1數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)

1.1架構(gòu)設(shè)計(jì)

由于NFDS中存放著行業(yè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)，且使用中涉及大量交互，因此保障數(shù)據(jù)安全性是系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵前提。由于Client/Server對(duì)用戶(hù)的操作可控，更加安全可靠，且響應(yīng)速度較快，可滿(mǎn)足數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)大量交互的需求，最終系統(tǒng)確定采用Client/Server模式進(jìn)行開(kāi)發(fā)[5-6]。開(kāi)發(fā)語(yǔ)言使用JAVA，開(kāi)發(fā)工具為Eclipse，將SQLServer作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件。結(jié)合用戶(hù)需求，系統(tǒng)從客戶(hù)端到服務(wù)器端劃分為接入層、安全層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)管理層和基礎(chǔ)環(huán)境層5層架構(gòu)，如圖1所示。

（1）接入層。接入層即用戶(hù)訪問(wèn)端，由此接入數(shù)據(jù)庫(kù)。

（2）安全層。NFDS集中著大量數(shù)據(jù)，除通過(guò)采用Client/Server模式使數(shù)據(jù)庫(kù)更安全外，還需要針對(duì)數(shù)據(jù)安全問(wèn)題進(jìn)一步建立保護(hù)機(jī)制。因此，在接入層之上，系統(tǒng)采用用戶(hù)驗(yàn)證機(jī)制中的口令驗(yàn)證技術(shù)，對(duì)用戶(hù)設(shè)置權(quán)限管理[7]。安全層在界面進(jìn)行用戶(hù)驗(yàn)證，在后臺(tái)進(jìn)行用戶(hù)管理。只有已授權(quán)用戶(hù)輸入的賬號(hào)和密碼都合法，才可進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，否則無(wú)權(quán)進(jìn)入。

（3）應(yīng)用層。應(yīng)用層用于在界面展示數(shù)據(jù)庫(kù)功能，界面設(shè)計(jì)方便實(shí)用，合法用戶(hù)利用導(dǎo)航或選擇條件進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢(xún)、比較和分析等操作。實(shí)用的界面結(jié)合后臺(tái)大量有價(jià)值的數(shù)據(jù)，使該系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，而且為核電人員學(xué)習(xí)相關(guān)業(yè)務(wù)提供了平臺(tái)[8]。

（4）數(shù)據(jù)管理層。該層實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的管理。管理員在后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)建立數(shù)據(jù)表實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的存放，搜集的數(shù)據(jù)經(jīng)規(guī)范化檢查后可進(jìn)行入庫(kù)、刪除、修改及備份等操作，以集中、高效地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和維護(hù)。

（5）基礎(chǔ)環(huán)境層。基礎(chǔ)環(huán)境層為數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)建立專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)其進(jìn)行軟硬件配置，不僅滿(mǎn)足了數(shù)據(jù)的組織和存儲(chǔ)要求，也有利于保障數(shù)據(jù)安全。

1.2模塊設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的核燃料數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)收集和整理后，可分為材料參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)、工程分析算例和程序模型評(píng)估4類(lèi)數(shù)據(jù)，并將對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)分為材料數(shù)據(jù)庫(kù)、結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)、工程分析庫(kù)和模型評(píng)估庫(kù)。其中材料數(shù)據(jù)庫(kù)、結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)及模型評(píng)估庫(kù)之間的關(guān)系互相獨(dú)立，但分別與工程分析庫(kù)呈單向相關(guān)關(guān)系，如圖2所示。

1.2.1材料數(shù)據(jù)庫(kù)

現(xiàn)階段材料數(shù)據(jù)庫(kù)以鋯合金數(shù)據(jù)為主，記錄鋯合金及其它合金的各種性能參數(shù)。除鋯合金數(shù)據(jù)外，數(shù)據(jù)庫(kù)還包含各種芯塊、不銹鋼及中子源等材料的性能數(shù)據(jù)。性能指標(biāo)參數(shù)包括力學(xué)、熱物性、腐蝕、輻照和高溫氧化等[9]。

材料庫(kù)功能分為單一材料性能查詢(xún)與多種材料性能分析兩部分，在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)以表格形式展示的同時(shí)，也具備圖形展示及函數(shù)擬合功能，以便直觀得出數(shù)據(jù)趨勢(shì)進(jìn)行分析，且具備導(dǎo)出功能。材料庫(kù)功能如圖3所示。

在單一材料性能查詢(xún)中，在材料名稱(chēng)搜索框輸入需要查詢(xún)的材料名稱(chēng)，即可得到該材料的理論密度、實(shí)測(cè)密度、熔點(diǎn)等基本信息。若需查詢(xún)更多性能指標(biāo)參數(shù)，可進(jìn)入其性能指標(biāo)查詢(xún)界面，進(jìn)一步查詢(xún)?nèi)绺g性能的腐蝕增重、高溫氧化的氧化膜厚度等相關(guān)信息。同時(shí)為各性能指標(biāo)提供了篩選查詢(xún)數(shù)據(jù)范圍選項(xiàng)，使查詢(xún)過(guò)程更快速和精確。

多種材料性能分析總體功能與單一材料性能查詢(xún)相似，不同的是在圖形中可同時(shí)展示多種材料的性能數(shù)據(jù)，能夠直觀比較材料性能間的差異。如圖4所示，可同時(shí)查看3種材料在400℃下腐蝕增重隨時(shí)間變化的關(guān)系。

1.2.2結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)

壓水堆堆芯中與燃料緊密相關(guān)的結(jié)構(gòu)包括核燃料組件、控制棒組件、固體可燃毒物組件、阻力塞組件以及中子源組件等[2]。在結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)中，對(duì)燃料棒、燃料組件及相關(guān)組件的各部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)梳理，形成的整體框架設(shè)計(jì)如圖5所示。

以燃料棒參數(shù)為例說(shuō)明框架設(shè)計(jì)過(guò)程。為存放燃料棒芯塊、包殼等參數(shù)，按照燃料組件類(lèi)型→組件名稱(chēng)→部件名稱(chēng)的順序進(jìn)行歸類(lèi)。查詢(xún)界面如圖6所示，用戶(hù)可依據(jù)需求依次選取組件類(lèi)型→燃料棒→包殼管，最終得到相關(guān)參數(shù)信息。

同樣，燃料組件和相關(guān)組件數(shù)據(jù)也可按照相同分析方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)化分類(lèi)，若部件內(nèi)包括零件，可將具體參數(shù)存入零件類(lèi)中，如燃料組件下管座部件的防異物板，其厚度、外形尺寸等參數(shù)可存放在零件信息中。通過(guò)以上對(duì)燃料結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的逐一歸類(lèi)，使數(shù)據(jù)完整且結(jié)構(gòu)統(tǒng)一。

結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)的功能包括查詢(xún)參數(shù)、參看圖紙和比較參數(shù)3部分。庫(kù)中存有二維及三維圖紙，使用戶(hù)能夠從二維圖紙中獲取結(jié)構(gòu)參數(shù)，從三維圖紙中查看各結(jié)構(gòu)的立體模型，以便多方面了解組件結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)庫(kù)的比較功能可比較不同燃料組件各零部件參數(shù)的異同。由于燃料組件在燃料芯塊性能、組件結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)材料等方面都在不斷改進(jìn)[10]，因此該功能可將改進(jìn)前后的設(shè)計(jì)情況進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果一目了然。

1.2.3工程分析庫(kù)

工程分析庫(kù)結(jié)合電廠應(yīng)用需要，針對(duì)工程項(xiàng)目的分析算例，可查看多個(gè)電站不同項(xiàng)目的相關(guān)設(shè)計(jì)文件。其中主要包含燃料棒、燃料組件及相關(guān)組件設(shè)計(jì)，同時(shí)錄入了對(duì)應(yīng)項(xiàng)目的基本信息及安審反饋信息。數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)如圖7所示。

燃料棒分析包括3大類(lèi)：燃料棒綜合性能分析、燃料棒四類(lèi)工況分析與PCI分析。每類(lèi)均可通過(guò)項(xiàng)目名稱(chēng)和驗(yàn)證分類(lèi)等條件查詢(xún)上、下游文件及輸入卡、輸出文件等。上、下游文件類(lèi)型涉及PDF、WORD、EXCEL等，輸入卡、輸出文件的類(lèi)型根據(jù)分析軟件不同而有所區(qū)別。例如，燃料棒性能分析軟件包括COPERNIC軟件與中廣核自主研發(fā)的JASMINE軟件，其輸入卡類(lèi)型分別為普通文本類(lèi)型和.ini文件類(lèi)型。因此，數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)以文本或便簽頁(yè)打開(kāi)輸入卡的方式查看輸入卡。

對(duì)于燃料組件與相關(guān)組件分析，可選擇項(xiàng)目及模型名稱(chēng)后得到所需的數(shù)據(jù)文件。項(xiàng)目基本信息存放了項(xiàng)目參考電站與最終的安全分析情況等，安審反饋信息可查詢(xún)項(xiàng)目的問(wèn)題單屬性、內(nèi)容、發(fā)函單位、審評(píng)單位等，供用戶(hù)快速了解項(xiàng)目整體情況。

1.2.4模型評(píng)估庫(kù)

自主核燃料程序?yàn)閷?shí)現(xiàn)實(shí)際工程應(yīng)用，需按照國(guó)際慣例及安審要求，利用電廠或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)對(duì)已開(kāi)發(fā)出的核燃料設(shè)計(jì)程序進(jìn)行驗(yàn)證，以評(píng)估程序適用范圍，確保程序的可靠性。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)包括在國(guó)際合作項(xiàng)目中取得的核燃料堆內(nèi)輻照性能及熱室檢測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為自主化核燃料程序的確認(rèn)與評(píng)估提供了支撐。

程序模型評(píng)估可分為燃料棒性能分析軟件綜合模型評(píng)估，用于評(píng)估燃料棒性能分析軟件的綜合模型；燃料棒性能分析軟件單項(xiàng)模型評(píng)估，用于評(píng)估燃料棒性能分析軟件的單項(xiàng)模型，如熱導(dǎo)率、泊松比等單項(xiàng)特性；燃料組件性能分析軟件模型評(píng)估，用于評(píng)估燃料組件性能分析軟件各模塊功能。因此，數(shù)據(jù)庫(kù)將獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分為燃料棒性能分析軟件綜合模型數(shù)據(jù)、燃料棒性能分析軟件單項(xiàng)模型數(shù)據(jù)及燃料組件性能分析軟件模型數(shù)據(jù)。模型評(píng)估庫(kù)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

對(duì)于綜合模型數(shù)據(jù)按照模型名稱(chēng)、燃料類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)可靠性進(jìn)行判斷。參數(shù)類(lèi)型包括燃料棒總體參數(shù)、包殼參數(shù)、彈簧參數(shù)等，可查詢(xún)所需參數(shù)值、單位及公差，以及數(shù)據(jù)來(lái)源和實(shí)驗(yàn)相關(guān)信息。單項(xiàng)模型數(shù)據(jù)按照包殼、芯塊等部件進(jìn)行分類(lèi)，通過(guò)選擇不同模型查詢(xún)對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)信息，包括實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)、時(shí)間、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、結(jié)果和評(píng)價(jià)等。燃料組件性能分析軟件模型文件提供不同軟件模塊中不同組件的算例輸入和算例輸出信息。

模型評(píng)估庫(kù)除能夠查看數(shù)據(jù)外，還設(shè)計(jì)了比較同一實(shí)驗(yàn)不同模型輸入卡的功能，可將兩張卡中的不同參數(shù)標(biāo)紅顯示，以幫助用戶(hù)快速進(jìn)行對(duì)比分析，如圖9所示。

2結(jié)語(yǔ)

NFDS數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的建立，極大提高了核燃料數(shù)據(jù)的獲取、利用效率，在確保數(shù)據(jù)整體安全性的基礎(chǔ)上充分發(fā)揮了數(shù)據(jù)使用價(jià)值，具體表現(xiàn)在：①系統(tǒng)對(duì)大量雜亂存放的燃料數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)性歸類(lèi)與規(guī)范性整理，對(duì)分散數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了集中管理；②通過(guò)口令驗(yàn)證登錄機(jī)制，設(shè)置合法用戶(hù)對(duì)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)權(quán)限，提高了燃料數(shù)據(jù)的安全性；③系統(tǒng)除實(shí)現(xiàn)一般的查詢(xún)功能外，針對(duì)各庫(kù)數(shù)據(jù)特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了多樣化的數(shù)據(jù)利用方式，提高了數(shù)據(jù)使用價(jià)值。例如，材料數(shù)據(jù)庫(kù)中可以圖形方式展示數(shù)據(jù)，并擬合函數(shù)進(jìn)行分析；結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)中可查看二維或三維圖紙，為結(jié)構(gòu)參數(shù)提供來(lái)源；模型評(píng)估庫(kù)中可比較不同實(shí)驗(yàn)輸入卡，便于用戶(hù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等。

NFDS的最終目的是成為一個(gè)全生命周期數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，可利用其擴(kuò)展功能繼續(xù)進(jìn)行燃料制造等模塊建設(shè)，并且隨著今后核電研發(fā)的深入以及新型材料、結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，對(duì)已有數(shù)據(jù)可繼續(xù)進(jìn)行完善。同時(shí)需考慮系統(tǒng)與外部分析工具或分析軟件的接口，使其能夠更加高效地發(fā)揮作用。

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（責(zé)任編輯：黃健）