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论述研发核燃料设计与性能分析平台的意义

2020-01-08 347 上传者：管理员

摘要：软件版本多、设计数据分散、设计平台没有统一、设计过程难以管理等问题，阻碍着核燃料适应多机组、多技术路线、快速迭代的核电项目设计发展的形势。核燃料设计与性能分析平台（FEPAC）基于集成核燃料分析软件，实现了对核燃料设计上游接口、创建算例、提取结果、验证设计准则、生成工程报告和记录安审反馈等全过程管理，达到了管控集中、流程规范、过程受控、效率提升、减少人因错误等目的。此平台不仅便于各款软件及时更新和共享，而且简单直观的标准化操作界面提高了业务人员设计的效率和质量，为燃料软件研发和工程分析提供了资源和信息保障。

关键词：
FEPAC
JAVA
平台
性能分析
核燃料
设计
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核燃料设计与性能分析评价是反应堆堆芯设计的重要组成部分，随着新堆型、新方法、新软件的不断推出，为了适应核电项目设计快速迭代的要求，有必要建立统一、规范、安全、高效的分析平台，将核燃料设计与性能分析软件进行统一管理，以提高性能分析的质量和效率。

基于以上状况，开展了核燃料设计与性能分析平台（FEPAC）的研发。平台完成现有分析软件的集成，实现统一操作。提供从软件调用开始，到生成输入卡进行计算，最终得到分析结果。各软件被承载和共用，一体化的集成将工业化和信息化相结合，不仅便于软件及时更新和共享，而且标准的操作流程使分析效率和质量得到很大提高，达到了管控集中和减少人因错误等目的^[1-2]。

1、核燃料性能分析概述及现状

1.1 核燃料性能分析概述

核燃料性能分析业务类型可分为单项分析和工程设计两类。单项分析是指开展单个计算软件的计算分析工作，对某些特定现象进行针对性分析。工程设计是指利用一个或多个计算软件来实现核电工程设计过程分析功能，从而满足工程设计项目的需要。

依据我国压水堆核电厂反应堆系统设计-堆芯第3部分（NB/T20057.3—2012）的相关规定，现有燃料设计需关注燃料棒堆内行为、燃料组件压紧力大小、流致振动、控制棒落棒等多种现象。几乎每种特定现象均有专有软件与之对应进行分析^[3]。

1.2 核燃料性能分析现状

在日常业务分析中，由于自主性能分析软件开发历经数年，开发团队不统一、用户使用习惯、技术限制等原因，目前的软件在实际的性能分析和工程设计过程中有以下问题：

（1）计算软件存放分散，版本较多，调用方式不统一；（2）各软件采用命令行式的调用方法，其调用命令和输入格式不统一，界面不够友好，使用不便；（3）软件输入卡采用文本输入，易发生人为错误；（4）设计过程数据分散，设计流程难以控制，设计过程缺乏有效管理；（5）设计校核工作量大，设计质量难以保证，容易发生设计报告结果和计算数据不一致的质量事件。

同时，随着核电堆型技术的发展，行业内也针对不同堆型正在开发核燃料自主软件包。FEPAC平台的开发有利于集成行业内不同堆型的软件包，为实现多种堆型的燃料工程设计奠定基础。

2、关键技术

FEPAC结合核燃料工程设计流程，形成有特色的面向核燃料工程设计全过程的综合性能分析平台。其中的关键技术主要有：

（1）根据实际工程分析流程设计的人机界面

现有单个计算软件没有统一的图形调用界面，通过分析核燃料工程分析设计流程，对各款软件内部的数据接口进行了解，实现其接口间数据的自动提取，结合实际分析流程设计合理的人机界面。

（2）简单高效的计算软件集成技术

由于各款计算软件的输入卡格式及其调用方式均不同，为方便平台集成，对输入卡进行整合研究，以形成统一的输入界面，并实现软件的统一调用。平台调用命令统一采用如下格式：“分析软件.exe-i输入文件-o输入文件-lang语言选项-outDir输出文件所在目录”。采用软件适配器的设计思路，实现对输入卡格式的双向转换及调用参数的传递，解决不同软件在平台下的统一调用问题。

（3）输入界面动态生成技术

平台统一计算软件输入卡为INI格式文件，根据解析，可将其参数名称、数据、单位等动态加载至界面。该方式规范了各软件的输入形式，便于平台界面维护和后续软件集成。

（4）自动化、智能化的计算分析结果后处理技术

实际工程分析中，计算后对结果的提取及分析需要耗费大量时间，且容易发生人因失误。为使结果分析更加可靠，平台对结果文件进行处理，自动提取所需结果参数，并和验证准则进行比较，以直接给出验证结果。分析结果后，平台采用基于XML格式的WORD文档生成技术，能够快速的将结果数据生成至工程报告，很大程度提高了业务人员的分析效率。

（5）多算例、多计算软件环境下的并行计算技术

由于核燃料工程设计过程中分析算例较多，平台采用多线程并行调用计算的方式实现多算例同时计算，用户可自行选择并行计算数量，进一步提升设计效率。

3、系统建设

3.1 语言及工具

平台采用面向对象编程思想的Java语言，结合Eclipse工具进行设计与开发。Java语言不仅跨平台，而且自身有标准库支持，这些优势能够满足功能要求。由于FEPAC需要大量界面布局、参数和事件处理等，而Eclipse基于Java提供的开发平台，便于进行统一和美观的图形界面设计，使开发更高效^[4-5]。

3.2 逻辑架构设计

平台架构设计位于开发过程的前期阶段，其功能在于指导后续各个方面的设计^[6]。考虑到平台大量交互的特点，因此采用交互性强且安全可靠的C/S架构^[7-8]。平台架构按层次分为界面展现层、业务逻辑层和数据访问层3层。逻辑架构设计如图1所示。

图1 逻辑架构设计图

（1）界面展现层

该层实现用户和平台的交互，构成元素包括下拉列表、文本框等，完成算例导航、输入输出界面等展示，后台的业务操作流程由该层提交操作后开始^[9]。

（2）业务逻辑层

该层用于实现平台的业务流程，通过分析用户提交的请求确定业务逻辑，实现工程管理、算例管理、输入输出管理、计算管理等处理^[9]。计算管理模块通过命令行调用性能分析软件包，并预留其他软件调用接口，使得平台和软件之间相对独立，具有低耦合、易扩展的特点；

（3）数据访问层

该层用于处理业务数据，实现业务数据的存储和提取。本设计预留与数据库访问的接口，方便后续实现对数据库的支持。

3.3 物理架构设计

平台部署在计算服务器上，通过集团内网访问打印服务器、数据库服务器、文件服务器，用户通过集体内网采用终端访问的方式访问计算服务器上的FEPAC平台实现计算功能。物理架构设计如图2所示。该架构采用分散部署的方式实现数据文件和程序的物理分离，使平台具有更好的扩展性，同时支持多用户并行访问，满足计算需要。本架构具有很好的灵活性，也可以根据实际硬件条件和项目需要，将打印服务、文件服务、数据库服务、计算服务等安装在一台硬件服务器上，降低FEPAC平台对硬件的需求。

图2 物理架构设计

3.4 业务流程

平台业务类型分单项分析和工程设计两类。基本流程为新建工程（或打开工程）→选择分析子项（可选）→新建算例（或导入、打开算例）→加载或输入计算参数→参数检查→计算（可批量）→查看计算结果→关闭工程，并根据实际情况为工程设计业务开发了“新建工程算例”和“查看工程计算结果”。平台业务流程如图3所示。

图3 业务流程图

3.5 系统结构设计

按照模块化设计的思想，FEPAC平台分为六个模块：主界面、工程及算例管理、输入管理、计算管理、输出管理和系统设置。模块间关系为：输入管理模块保存的输入卡供计算管理模块使用，为计算管理模块提供输入；输出管理模块使用计算管理模块的结果，生成文本输出和图形输出；工程及算例管理模块的新建算例中分析软件的类型来源于分析软件管理模块；系统设置模块和其它模块相对独立，供用户进行中英文语言切换和界面风格设置等。系统结构如图4所示。

图4 系统结构图

3.6 平台特点

相比原来的性能分析方式，在FEPAC平台上开展性能分析工作具有以下优点：

（1）更加友好的操作界面：FEPAC平台具有窗口化的操作界面，易学易用；实现了输入参数的合法性检查，由平台智能实现绝大部分输入错误的识别与准确定位，极大地减少人为输入错误；实现了计算结果的图形化展示，使计算结果更直观；

（2）更加便捷的接口处理功能：FEPAC平台具有自动提取计算软件间的数据接口；平台与计算软件的调用接口命令统一，输入可配置，可扩展性强，方便后续软件集成；

（3）更加智能、高效的后处理功能：通过自动化后处理功能，减少人为操作，从而减少人因失误，使得计算结果更加稳定可靠；自动提取计算结果，自动验证设计准则，自动生成报告；

（4）更加高效的工程设计管理功能：FEPAC平台实现了核燃料对核燃料设计从上游接口、创建计算算例、提取计算结果、验证设计准则、到生成报告的全过程管理；实现了对软件算例从新建、编辑、计算、结果查看到删除等操作的全生命期管理；实现了算例的并行计算功能，计算效率更高。

4、总结

FEPAC将多款核燃料设计软件集成后进行统一管理，包括燃料棒、燃料组件和相关组件的计算软件，统一了各款软件输入格式和调用方式，实现了计算参数的界面输入和校验，实现了计算结果的图形化展示，形成了核燃料一体化设计与性能分析平台。该平台和传统的性能分析软件相比，有更加友好的操作界面，有更加智能的后处理功能，有更加高效的工程设计管理功能，计算软件集成简单方便，有良好的扩展能力。经过验证，平台功能满足工程要求，能够准确分析燃料的堆内行为、预测燃料的性能，实现了燃料整体分析流程的革命性改进。

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