古强

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）-0001-07

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 scientific 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 scientific 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

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。

三維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。

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維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

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

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。

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。

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。

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。剂量場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，进行三维场景浏览。

辐射剂量场三维显示：根据剂量场分布计算的结果，结合周边环境和设施的三维模型，三维显示环境和设施内部剂量场分布。

现场测量点三维显示：建立现场测量设备的外观模型，实时显示各测量点的测量信息。同时根据剂量场计算结果，显示内部各超出设计阀值热点的位置，在三维场景中以红色高亮显示，提供超限点的数据表单，以便进行数据浏览。

人员工作路径显示：根据人员路径规划子模块计算结果，三维场景中的标准工作人员，按照规划路径进行三维现场模拟显示。

源项调查工作过程模拟：根据源项调查工作过程进行分解，将工作分为若干的工作步骤，模拟每一个步骤的工作过程。

设施信息查询：根据退役工程数据库管理系统的数据和一些现场输入的数据，工作人员可以在系统中任意的查询有关设备的详细信息和现场的工作状态。

2.3.3 退役方案推演与评估系统

（1）主要功能。

根据调研情况，主要功能包括现场的三维仿真，以及基于现场环境、工器具的仿真完成回取、去污、拆除、人流物流方案以及事故的模拟。

（2）系统结构。

分为剂量场现场三维仿真、残液回取过程仿真、清洗去污过程仿真、拆除拆毁过程仿真、人流物流方案仿真、碰撞检测、事故模拟和动画录制8个功能模块，每个功能模块又分为一些子模块，功能结构图如图6所示。

①现场三维仿真模块。

包括现场工作环境三维显示和现场工器具状态三维显示两个子模块，根据三维模型和相应的参数信息显示现场工作环境和工器具的状态。

②残液回取过程仿真模块。

包含残液回取过程计算、残液回取过程三维显示、残液回取过程控制三个子模块。残液回取过程计算子模块是根据罐内残液的相关参数和设备参数，计算出残液在设施之间的流动过程和设备相关的内部动作。残液回取过程三维显示是根据计算结果，三维显示出残液在设施之间的流动过程和设备相关的内部动作。残液回取过程控制是针对相应过程，记录各重要参数，复现实施过程。

③清洗去污过程仿真模块。

包括清洗去污过程计算、清洗去污过程三维显示和清洗去污过程控制三个子模块。清洗去污过程计算是根据高压水射流流量、射流作用范围、入射角度等结合作用时间进行相关的计算;采用泡沫去污过程的计算是根据前期科研结果的相关计算公式计算出扩散过程及泡沫所填充的体积;采用雾化去污过程的计算是通过雾化的相关公式及现场操作结果、经验模拟其雾化去污的过程，同时对采用不同去污手段现场实施方案和过程记录，重现清洗去污实施过程。

④拆除拆毁过程模拟仿真。

根据方案进行拆除过程的模拟（包括操作的精度、准度、方法、步骤等要求），并结合碰撞检查，对实施方案进行优化。拆除完成后，根据工程过程记录，重现工作过程。

⑤人流、物流组织方案验证仿真。

根据给定的原则和确定的限制条件，结合退役工程辐射防护监测数据，规划出合理的人流物流通道，或根据确定的人流物流组织方案进行验证和优化。

⑥碰撞检测。在退役工程方案验证过程中，建立精准的碰撞模型，实时计算各个物体间的相对位置关系，一旦物体间发生碰撞者提示用户碰撞及碰撞位置，同时可设置碰撞预警的精度。

⑦事故模拟。对退役的废液回取、去污、拆除和废物运输等过程中可能发生的事故进行模拟，动态展示事故发生过程，分析事故发生的原因，其生成的影像资料，可作为培训演示的材料。

⑧动画录制模块。动画录制模块主要是将三维运动的过程记录，并以视频动画的形式输出。根据工程过程记录，重现工作过程，也可作为培训使用，供培训人员在操作完成后的经验总结和相关过程的分析。

2.3.4 退役三维培训系统

（1）主要功能。

包括退役去污、拆除等动作过程的模拟，并且根据每次模拟的情况录制动画，用作复盘。

（2）系统结构。

退役三维培训系统分为运动仿真计算、三维仿真、动画录制3个功能模块，每个功能模块又分为一些子模块，功能结构如图7所示。

①运动仿真计算模块。

包含了机构运动计算、操作指令计算及反馈计算，系统根据接收到的操作指令分析，机构按照操作指令分析结果判断机构运动，同时计算出机构运动后的相关参数并实时反馈给系统。

②三维仿真模块。

包含了废物回取工具运动三维模拟、切割工具运动三维模拟、金属剪切工具运动三维模拟、离线去污工具运动三维模拟、混凝土拆除工具运动三维模拟、洗刨工具运动三维模拟、工具更换运动三维模拟，三维仿真模块主要接收系统指令分析结构，将机构的运动在三维场景中进行三维的动态运行过程的展示，同时对运动的结构进行相关信息的反馈。

③动画录制模块。

将三维运动的过程记录，并以视频动画的形式输出，供培训人员在操作完成后进行经验总结和相关过程的分析。

2.3.5退役三维模型库

（1）建模范围包括：三维场景模型（核设施结构本体及布局、辅助系统管线、周边环境等）、退役对象模型（设备室及设备本体、配套管线及配套设施）、退役工器具模型（废液回取工具、拆除机器人、工具头等拆除工具、去污工具以及退役过程中使用到的其他的工器具）、退役作业人员模型（人员多段人体模型，模拟作业人员的组织、器官等以及一些基本的运动，如行走、手臂运动、转弯等）。

（2）建模技术。

三维场景建模，采用Multigen_Creator或3Dmax进行建模，在不具备核设施周边地理数据的情况下，采用Google地图纹理贴图的方式，将地表数据以贴图的方式覆盖到三维模型上，使得三维场景更加真实。对一些地表建筑物和标识物等进行建模，既能保证物体的存在，又能够保证位置的准确性。

设备装置（工器具等）建模，核设备和专业工具采用专业机械设计软件PRO/E进行三维建模，根据设备总装图和设备零件图进行零部件的建模和装配，建立详细、精准的设备内部结构模型。

2.3.6 退役数学模型库

根据物理、化学以及工程验证的经典公式，或者通过实验测算，建立以下数学模型：

（1）机械运动模型，分析机械工作运动原理，设计该机械的运动轨迹的数学模型，在三维场景中来驱动对应的模型进行运动。

（2）碰撞检测模型，在三维虚拟场景中，检测两个物体在空间沿给定轨迹移动时是否发生碰撞。

（3）流体传输模型，通过引进国际通用的三维粒子输运程序（例如基于三维蒙特卡洛方法的粒子输运程序MCNP等），并对其进行改造（增加相关接口耦合程序）使其满足项目需求。

（4）重力影响模型，模拟物理学牛顿万有引力定律，在三维场景中对各运动模型的影响。

（5）应力影响模型，模拟应力在三维场景中对各运动模型的影响。

（6）辐射剂量估算模型，辐射场分布计算，基于源项调查结果，采用改造后的三维粒子输运程序，计算三维辐射场的分布。

（7）人体各部位受照射模型，模拟人体不同组织、器官受照射的辐射剂量。

（8）工器具功能模型，包括了运动计算，操作指令计算及反馈计算，平台根据接受到的操作指令进行分析，按照分析结果判断运动形式，将运动形式在三维场景中进行动态展示，同时计算出运动后的相关参数并实时反馈给平台。

（9）废物产生量模型，获取原设施的体积，根据工程经验获取的比例值得到拆除后废物产生量。

3  结语

三维仿真技术在核设施退役中的应用，是国内一次较为全面、系统地在核退役领域的应用，具有很强的落地性和实用性。目前已实现了系统的开发，其中三维模型建立、虚拟辐射场仿真、三维培训系统、退役数据库管理系统等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频次，保护人员健康方面取得了明显的成效。

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