設(shè)計(jì)核電站反應(yīng)堆涉及大量計(jì)算，從初步設(shè)計(jì)開始就需要啟動(dòng)計(jì)算程序。中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院（ 以下簡稱“核動(dòng)力院 ”）所使用的設(shè)計(jì)程序是從核潛艇陸上模式堆開始逐步開發(fā)積累起來的，直到秦山二期核電站施工開始后啟用法國的設(shè)計(jì)程序和設(shè)計(jì)結(jié)果。

引進(jìn)、消化、吸收、再創(chuàng)新，是很多領(lǐng)域需要走的路。中國自主化軟件之路也不例外。但這其中，藏著很多“暗礁”……

▲李慶在論壇上發(fā)言

藏在數(shù)據(jù)庫里的“秘密”

1997年的春天，25歲的李慶從清華大學(xué)碩士研究生畢業(yè)，進(jìn)入核動(dòng)力院設(shè)計(jì)所從事堆芯物理研究工作。這一年，正是核動(dòng)力院開始著手自主核電設(shè)計(jì)的時(shí)候，制定了“華龍一號(hào)”前身——CNP1000包括177堆芯在內(nèi)的重要技術(shù)參數(shù)。李慶的第一項(xiàng)工作就是參與177堆芯燃料管理系統(tǒng)研究。從此，他與中國自主核電研發(fā)和“華龍一號(hào)”深深牽絆在一起了。

“國內(nèi)第一個(gè)177堆芯的燃料管理系統(tǒng)，有我的貢獻(xiàn)?！蹦贻p的李慶沒有想太多，接到任務(wù)就埋頭做，“177堆芯設(shè)計(jì)具有堆芯功率更高、線功率密度更低等優(yōu)勢，是既能體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性，又能保證安全性的優(yōu)化選擇?！?/p>

“拿來用，可以。拿來改，太難了?！?/p>

自主三代核電技術(shù)起源于秦山二期，很多方面都參考了法國的設(shè)計(jì)。當(dāng)時(shí)的技術(shù)手段有限，對設(shè)計(jì)理念理解也不深刻。177堆芯的燃料管理系統(tǒng)參考法方設(shè)計(jì)，但設(shè)計(jì)出來的結(jié)果卻不能滿足基本的物理要求。為了找出問題，只能用笨辦法——用當(dāng)時(shí)的點(diǎn)陣打印機(jī)，把堆芯相關(guān)數(shù)據(jù)打印出來，鋪了整整一屋子，最后才發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵的反應(yīng)堆堆芯反射層數(shù)據(jù)以二進(jìn)制的形式被隱藏在了數(shù)據(jù)庫，根本看不見。而沒有這個(gè)資料，從157堆芯到177堆芯的路，多了很多坎坷。

李慶團(tuán)隊(duì)從源頭出發(fā)，按照反應(yīng)堆堆芯反射層的幾何特征重新設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)……

從know how 到 know why 的轉(zhuǎn)變

1999年，大亞灣核電站開始18個(gè)月?lián)Q料論證工作。包括李慶在內(nèi)，核動(dòng)力院現(xiàn)在的一批中堅(jiān)力量基本上都參加了這個(gè)項(xiàng)目。對于他們來說，這是一個(gè)完整轉(zhuǎn)變設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)理念的劃時(shí)代項(xiàng)目。在這以前，很多事情，他們知道怎么做，但不知道為什么這樣去做。

大亞灣換料論證工作，法方作為總包方，擔(dān)任了指導(dǎo)老師的角色，中方李慶團(tuán)隊(duì)承擔(dān)具體的工作。每一項(xiàng)工作，他們都要尋根究底，不僅要知道know how ，還要知道 know why。每一項(xiàng)工作，都有設(shè)計(jì)規(guī)程手冊。但對每一項(xiàng)工作，出的每一份報(bào)告，李慶團(tuán)隊(duì)都要同時(shí)出一份計(jì)算筆記。厚厚的計(jì)算筆記詳細(xì)地記錄了整個(gè)工作過程，從數(shù)據(jù)的輸入開始，包括在工作中的整理、反思。項(xiàng)目完成后，李慶積累了上千頁的筆記，更重要的是，搭建了較為完整的核電設(shè)計(jì)體系。

從know how 到 know why，這批中國核動(dòng)力事業(yè)的中流砥柱也從“必然王國”走向了“自由王國”。

▲李慶（中）與同事們討論研發(fā)工作

缺失的“入場券”

“很長一段時(shí)間，我們沒有需求，也沒有動(dòng)力去開發(fā)自主化核電軟件包?！崩顟c直言。

2010年，中核集團(tuán)擬向巴基斯坦出口兩臺(tái)百萬千瓦級(jí)核電機(jī)組，也就是后來的卡拉奇2號(hào)、3號(hào)機(jī)組。

設(shè)計(jì)反應(yīng)堆需要涉及大量計(jì)算，從初步設(shè)計(jì)開始就需要啟動(dòng)計(jì)算程序。但當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)軟件都是從法國引進(jìn)的，在技術(shù)轉(zhuǎn)讓協(xié)議中有一條非常明顯的條款：只能用于中國國內(nèi)核電設(shè)計(jì)。

核動(dòng)力院臨危受命，被要求解決這個(gè)問題。此時(shí)李慶也已成長為軟件自主化項(xiàng)目總師。

1991年，為了提高核電設(shè)計(jì)能力，中方向法國進(jìn)行了設(shè)計(jì)咨詢，全套引進(jìn)了法方的核電設(shè)計(jì)軟件。“當(dāng)時(shí)我們還花了非常大的資源和精力，將法國的設(shè)計(jì)軟件在我們自己的硬件上進(jìn)行適應(yīng)化匹配?！崩顟c從前輩那里得知了其中的艱辛。當(dāng)時(shí)的核動(dòng)力院，還沒有幾臺(tái)電腦，他們借用其他單位的電腦進(jìn)行計(jì)算，為了保證完整的計(jì)算時(shí)間，大家都是帶著被褥去的。“當(dāng)時(shí)的交通不是很方便，大家去一次最少要按48個(gè)小時(shí)計(jì)算?！敝钡浆F(xiàn)在，對此，李慶仍記憶猶新。

其實(shí)，早在參與秦山二期投標(biāo)之時(shí)，核動(dòng)力院用的是自己的設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，那是從設(shè)計(jì)核潛艇陸上模式堆開始逐步開發(fā)積累下來的。只是在秦山二期施工開始后才開始啟用法方的設(shè)計(jì)程序和設(shè)計(jì)結(jié)果，其作用主要是校驗(yàn)中方的設(shè)計(jì)程序和設(shè)計(jì)結(jié)果，差異不大。

“現(xiàn)在回頭看，當(dāng)時(shí)引進(jìn)的那套軟件，從理論上看并不先進(jìn)?！崩顟c說，“但是他們有兩個(gè)我們無法比擬的優(yōu)勢，一是計(jì)算結(jié)果精確。法國的核電站已經(jīng)運(yùn)行了上千個(gè)堆年，設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)豐富，可以對軟件進(jìn)行大量的調(diào)試，使得計(jì)算數(shù)據(jù)和實(shí)際數(shù)據(jù)基本一致；二是功能全面。我院從核潛艇陸上模式堆積累的設(shè)計(jì)軟件，其設(shè)計(jì)參數(shù)和核電站設(shè)計(jì)有所區(qū)別。法國的軟件是完全根據(jù)核電站設(shè)計(jì)需求定制開發(fā)，核電設(shè)計(jì)所需的數(shù)據(jù)全部都有?！?/p>

“拿來”的軟件，比我們自己的軟件好用，算得精確，功能又全面。理所應(yīng)當(dāng)?shù)?，我們拋棄了自己的軟件，轉(zhuǎn)而使用更先進(jìn)的法國軟件。

自秦山二期后，中國設(shè)計(jì)的所有核電站使用的都是法方的軟件包，一用就是近二十年。

“我們一直在用軟件，而沒有去開發(fā)軟件?！敝钡胶穗娦枰隹?，才發(fā)現(xiàn)核電設(shè)計(jì)所必需的軟件包——“走出去”的入場券，在國內(nèi)已缺失很久。

臨危受命的艱難征程

2010年，核電出口巴基斯坦已成定局，軟件自主化迫在眉睫。

2011年，“華龍一號(hào)”正式立項(xiàng)之時(shí)，李慶已經(jīng)成長為“華龍一號(hào)”副總師，負(fù)責(zé)堆芯核設(shè)計(jì)工作。同時(shí)，作為軟件自主化項(xiàng)目總師，李慶壓力很大。核動(dòng)力院作為核動(dòng)力技術(shù)設(shè)計(jì)單位，一直以來只是將設(shè)計(jì)軟件作為工具來應(yīng)用。在2010年之前，根本沒有成套的軟件開發(fā)體系。沒有體系、沒有隊(duì)伍，也不知道軟件開發(fā)的工作方式。

在李慶團(tuán)隊(duì)的努力下，用了不到5年的時(shí)間，完成了全套軟件的開發(fā)，形成了NESTOR1.0核電設(shè)計(jì)軟件包。至此，核動(dòng)力院建立了一套完整的軟件開發(fā)體系，培養(yǎng)了一支能打硬仗的軟件研發(fā)團(tuán)隊(duì)，保證了中核集團(tuán)核電出口合法化。

2015年，我國首套自主核電軟件包和一體化軟件集成平臺(tái)NESTOR在京正式發(fā)布。發(fā)布的數(shù)十個(gè)軟件，已成功應(yīng)用于核電站工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理。

2014年，李慶團(tuán)隊(duì)又馬不停蹄地開始了軟件自主化二期的研發(fā)工作。NESTOR2.0的技術(shù)水平已經(jīng)和國際主流核電設(shè)計(jì)軟件相當(dāng)，局部達(dá)到國際先進(jìn)水平。

追求完美的李慶認(rèn)為，NESTOR2.0仍有需要完善的地方。2017年，他們乘勝追擊，又開始了軟件自主化三期研發(fā)工作。李慶團(tuán)隊(duì)立志要研發(fā)出國際先進(jìn)、滿足工程應(yīng)用、成套成體系的核電設(shè)計(jì)軟件。

研發(fā)工具軟件一般要經(jīng)歷兩個(gè)階段。首先需要理論模型和試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，這是軟件研發(fā)成功的基本保障。其次是代碼的編寫工作。在軟件三期研發(fā)工作中，李慶團(tuán)隊(duì)針對模型，開始了新的攻關(guān)。

軟件研發(fā)需要極大的基礎(chǔ)投入，研發(fā)過程中每一個(gè)公式都需要做大量的試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，而核電相關(guān)試驗(yàn)動(dòng)輒上億，代價(jià)巨大。

“軟件自主化最大的困難就是工程化應(yīng)用?！被貞浧疬@十年軟件自主化走過的路，李慶感慨道。在“華龍一號(hào)”的設(shè)計(jì)過程中，李慶團(tuán)隊(duì)使用法國的設(shè)計(jì)軟件和自主研發(fā)的NESTOR核電軟件包并行做了兩份報(bào)告，進(jìn)行“背靠背設(shè)計(jì)”，在經(jīng)歷了很長一段時(shí)間“備胎”后，有效推動(dòng)了自主化軟件的工程化應(yīng)用。

2019年，完全由我國自主設(shè)計(jì)的核電軟件包已經(jīng)應(yīng)用于軟件工程項(xiàng)目中。經(jīng)過一年多的核電運(yùn)行證明，實(shí)際數(shù)據(jù)和軟件計(jì)算結(jié)果基本一致，近萬個(gè)參數(shù)完全符合工程要求。這次大考，NESTOR軟件包交出了一份完美的答卷。

數(shù)字化的未來

對于未來的核電設(shè)計(jì)，李慶團(tuán)隊(duì)拿出了“數(shù)字化反應(yīng)堆”的解決方案。傳統(tǒng)核電設(shè)計(jì)軟件的主要思路是為了保證核電站的安全，設(shè)計(jì)原則保守，參數(shù)的安全裕量較高，經(jīng)濟(jì)性有所欠缺。數(shù)字化反應(yīng)堆采用高保真計(jì)算，真實(shí)模擬出核電站的所有情況。

數(shù)字化反應(yīng)堆對于核電設(shè)計(jì)工作來說，是整個(gè)設(shè)計(jì)體系的變革。傳統(tǒng)的核電設(shè)計(jì)是串行模式，反應(yīng)堆物理、系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、熱工水力等專業(yè)計(jì)算結(jié)果是承接的過程，每個(gè)計(jì)算的誤差相加，對結(jié)果的影響比較大，不利于反應(yīng)堆的經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行的靈活性。數(shù)字化反應(yīng)堆是并行設(shè)計(jì)的，所有專業(yè)同時(shí)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果共同收斂，集成耦合，可以有效地消除誤差，效率更高，同時(shí)使核動(dòng)力性能有了跨越式的提升。

經(jīng)過自主化軟件研發(fā)的艱難歷程，核動(dòng)力院有了完整的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和完善的設(shè)計(jì)體系。同時(shí)，國內(nèi)對科技創(chuàng)新越發(fā)重視，軟硬件技術(shù)日新月異，各種條件萬事俱備，數(shù)字化反應(yīng)堆東風(fēng)已來。“我們希望以后核電設(shè)計(jì)軟件和數(shù)字化反應(yīng)堆可以合為一體，數(shù)字化反應(yīng)堆里包含軟件，軟件也要發(fā)展到高精度高保真的程度?！蓖ㄟ^先進(jìn)的工具，工程師可以實(shí)現(xiàn)“所見即所得”。這種智能化、數(shù)字化的設(shè)計(jì)，可以提高設(shè)計(jì)能力、提升設(shè)計(jì)效率、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、降低設(shè)計(jì)成本。對于未來，李慶充滿希望，并一直奔跑在逐夢的征途上。