基于虚拟核电站Virtual4DS的核应急智慧指挥决策
吴宜灿 胡丽琴 龙鹏程 王芳 汪进 何桃 宋婧 蒋洁琼 汪建业 李亚洲 郝丽娟 尚雷明 郑晓磊 吴斌 俞盛朋 孙光耀 何鹏 陈春花
（中国科学院核能安全技术研究所，中子输运理论与辐射安全重点实验室）
摘要
核安全是我国核能与核技术利用事业发展的生命线，核应急是核安全的最后一道屏障。中国科学院核能安全技术研究所凤麟团队在数字社会环境下的虚拟核电站Virtual4DS“凤麟云”的基础上，开展了核设施事故演化模拟与诊断、环境影响评价与核素扩散预测、社会风险评价与舆情监控、智能应急决策与大数据、核应急预案推演与虚拟仿真演练等核应急关键技术研究，并结合我国实际环境特征与公众认知特点，进行“核电站-环境-社会”大时空综合仿真研究。研究成果在商用核电站、先进核能系统、乏燃料运输、国家级和省级核应急指挥决策与演练中进行了应用，为核设施安全运行与应急决策提供了有力支撑。
关键词
虚拟核电站；核应急；核安全；智慧指挥决策
Abstract
Nuclear safety is the lifeline of nuclear technology and its applications,and nuclear emergency is the last line of nuclear security defense.Based on Virtual Nuclear Power Plant in Digital Society Environment"Virtual4DS",the key technology of nuclear emergency has been studied by FDS team,including nuclear facility accident evolution simulation and diagnosis,environmental impact assessment and nuclide diffusion prediction,social risk assessment and public opinion monitoring,intelligent emergency decision-making and big data,and nuclear emergency plan deduction and virtual exercises.Combined with China's actual environment and public characteristics,FDS team has been developing comprehensive simulation of"nuclear power plant-environment-social"in large space-time.The research have been applied in commercial nuclear power plants,advanced nuclear energy systems,spent fuel transportation,and provincial and national nuclear emergency decision and drills,providing support for the safe operation and emergency decision-making of nuclear facilities.
Keywords
Virtual Nuclear Power Plant;Nuclear Emergency,Nuclear Safety;Intelligent Command and Decision-making
1 引言
核能已被广泛应用于国防与工业各个领域，在其发挥重要作用的同时，也存在发生核事故的可能，会给人类与环境带来危害。核事故不仅包括核电厂运行及退役期间可能发生的辐射泄露等事故，还包括乏燃料存放与运输、核设施库存与运输、铀矿开采及退役等过程中意外发生的放射性核素泄漏事故，以上事故都可能对人类与环境产生辐射危害。根据国际原子能机构1990年制定的国际核能事件分级表，目前国际上发生的4级以上的核事故有14起，其中4级事故6起，5级事故5起，6级事故1起，7级事故2起。
核应急是指为了控制或者缓解核事故、减轻核事故后果而采取的不同于正常秩序和正常工作程序的紧急行动[1]，是核安全纵深防御的最后一道屏障，也是保障核能事业可持续健康发展的重要环节。我国高度重视核安全与核应急工作，相继颁布了《中国的核应急》白皮书、《中华人民共和国核安全法》、《中国的核安全》白皮书等相关政策和法规，以加强我国核应急能力建设。
核应急指挥决策是整个核应急系统工程的“神经中枢”，直接关乎核应急响应行动的有效性。中国科学院核能安全技术研究所凤麟团队在虚拟核电站Virtual4DS[2-5]的基础上，开展了核应急指挥决策关键技术研究，主要包括核设施事故演化模拟与诊断、环境影响评价与核素扩散预测、社会风险评价与舆情监控、智能应急决策与大数据、核应急预案推演与虚拟仿真演练等。
2 核应急指挥决策现状及面临挑战
国际上非常重视核应急指挥决策研究，在事故工况诊断、后果评价、决策支持等方面开展了广泛研究。但依然面临一系列挑战，如快速准确的事故工况诊断、全环境范围核应急后果评价、结合数字环境社会的核应急智慧决策、有效的核应急演练手段等。
2.1 难以实现快速准确的事故工况诊断
事故工况诊断是核设施应急准备与响应的依据，为核应急智能决策提供源头支撑。目前，国际上已经研发的事故诊断软件主要包括美国的严重事故分析程序MELCOR与MAAP[6]、法国反应堆状态诊断和预测系统SESAME[7]，可实现反应堆严重事故进程模拟与源项分析。我国在事故工况诊断方面也开展了一些探索性研究[8，9]，如中广核工程有限公司设计的核电厂严重事故氢气监测系统，可在核电厂严重事故后特定的时间内评估和诊断安全壳的完整性[10]。然而，事故条件下的核设施状态评估仍面临诸多困难[11]。首先，严重事故演化过程涉及堆芯状态变化与核系统热工水力异常等多个相互交错影响的物理过程，难以确定核设施严重事故进程及精准事故源项。其次，事故条件下核设施系统状态急剧变化，监测仪器难以量化异常情况。最后，传统事故诊断方式难以及时、有效地分析应急监测数据，甚至可能误判[12]。事故工况诊断与分析典型软件列表如表1所示。
表1 事故工况诊断与分析典型软件列表
2.2 全环境范围核应急后果评价能力不足
核应急后果评价是指基于事故工况诊断及损伤信息，预测核事故发生后放射性核素的迁移扩散，评价核事故对环境与社会的危害，为核应急决策提供依据。目前国际上研发的核应急后果评价系统主要有美国的大气释放决策支持系统（NARAC）[13]、日本的环境剂量预测系统（WSPEEDI）[14]和欧洲的实时在线决策支持系统（JRODOS）[15]，旨在实现事故工况下放射性核素大气弥散模拟与应急干预决策。我国核事故后果评价系统目前主要从国外引进，也有部分单位面向我国实际需求进行了技术探索与研发，如清华大学研发的GNARD和QS_NUCAS[16]，中国辐射防护研究院研发的TW-NAOCAS及C-RODOS[17]。针对核事故演化速度快、影响范围广等特点，为提升应急能力，亟须开展多尺度一体化的全环境后果评价能力建设。同时需要考虑公众认知、社会效益、经济效益等社会影响[18-20]，开展全范围后果评价研究。核事故后果评价典型软件列表如表2所示。
表2 核事故后果评价典型软件列表
2.3 结合数字社会环境的核应急智慧决策方法研究不够深入
核事故应急决策技术是提高应对核事故能力的重要手段，为核事故应急响应提供重要信息、指挥技术支持及应急响应行动方案。目前，国际上应用较广的核应急决策支持系统是JRODOS，它的决策模块包括辐射态势分析、应急干预措施的后果分析与决策分析[21]，但结合社会数字环境的决策支持与评价能力仍有待提高。随着大数据和信息化技术的发展，核事故应急过程中能够获取大量多源异构数据，包括事故状态、辐射环境、救援装备、地理气象、人口分布、交通状况、公众心理等，随着核事故进程发展大部分数据在不断变化且变化过程复杂。如何挖掘和利用这些交错耦合的海量数据，实现核应急智慧决策且提升决策有效性，已获得国内外研究学者的广泛关注，然而研究深度还有待加强。
2.4 面向实战的核应急演练缺乏有效手段
核应急演练是核应急能力保持的主要手段，确保战时能够有效开展应急行动。核电厂运营单位、核电厂所在的省、市需按规定[22]定期开展单项演习、综合演习和联合演习。截至2019年，田湾核电站已经开展了20余次核事故、突发事故应急预案演习。我国2009年、2015年分别开展了“神盾”系列国家级核应急联合演习。2017年，国际原子能机构与82个国家、11个国际组织举行了一次跨国核应急联合演习，我国有9家单位参加。
但目前的核应急演练缺乏面向实战的有效演练手段。正如《“十三五”国家核应急工作规划》中指出的“演习演练实战性亟待提高，演习过于注重形式，过多依赖脚本，实战性不够”，以及《中国的核应急》白皮书中指出的我国的“核应急演练缺乏合理手段”，存在“缺失场景设计手段”“缺少评估评判手段”“预案构想不充分”等问题。主要表现在以下几个方面：首先，目前核应急演习过程“脚本化”，应对核应急瞬息万变形势的能力不足；其次，难以构建高保真事故场景，包括复杂的几何场景、实时变化的辐射场和事故现象；最后，现有的演练评估主要是专家通过一些表征要素，如响应时间、累积剂量、完成效果等指标来定性判断，缺乏一套科学、有效的评价指标体系。
3 虚拟核电站Virtual4DS简介
凤麟团队从20世纪90年代开始探索虚拟核电站的内涵，启动了数字社会环境下的虚拟核电站Virtual4DS“凤麟云”研发计划，旨在融合数字社会环境与核电站行为，发展体系化的核能系统设计与安全评价平台[2-5]。该计划按“三步走”发展战略开展，早期以理论创新为基础发展了以中子输运计算、热工水力计算、可靠性与概率安全分析为代表的系列物理与工程计算软件系统；随后，基于自主化核能软件的研发与整合，开展多物理耦合计算、风险监控与故障诊断、智能核设计与安全评价等数字反应堆平台研发工作；此后，将数字反应堆与数字环境和数字社会充分融合，开展核电站运行与事故综合仿真、环境影响评价与核素扩散预测、社会风险评价与舆情监控、核应急智慧决策与大数据等“核电站-环境-社会”的大时空综合仿真研究，并基于该平台开展核科学、生态学、社会科学等多学科交叉研究（见图3）。
图1 虚拟核电站Virtual4DS“三步走”发展战略
Virtual4DS[2，5]以数字反应堆为核心，充分利用云计算、大数据、人工智能等先进信息技术，针对智能核设计、多尺度核素扩散、实时风险监控、核应急智慧决策等系列核心关键技术进行深入研究，并在此基础上开展“核电站-环境-社会”大时空综合仿真，为核反应堆安全、辐射安全与环境影响、核应急与公共安全等研究提供新的研究手段和工具平台。虚拟核电站Virtual4DS系统架构如图2所示。
图2 虚拟核电站Virtual4DS系统架构[2，5]
4 Virtual4DS在核应急指挥决策中的应用
虚拟核电站Virtual4DS作为“核电站-环境-社会”的大时空综合仿真平台，核应急与公共安全是其重要应用方向。该平台旨在为核应急提供事故前预测、事故中快速诊断及事故后智能决策的全时间维度分析，为核应急演练提供高保真虚拟环境，同时充分考虑我国地理、气象、公众心理、管理体制等特征。
4.1 关键技术
4.1.1 核设施事故演化模拟与诊断技术
核设施事故原因错综复杂，难以通过事故现象准确定位系统故障、评估损伤状态及快速给出风险控制有效措施。本团队针对上述问题开展了事故演化模拟与诊断方法研究，并对基于云计算的核设施多物理耦合高保真事故分析、基于卷积神经网络的智能故障诊断与事故预测等核心技术进行深入研究。
发展了以辐射输运为核心的核设施多物理耦合分析方法，支持包含燃耗、辐射源项/剂量/生物危害、材料活化与嬗变等的中子学全过程计算[23-25]。为满足高保真模拟需求，开展了基于云计算的多物理耦合计算模式研究，支持欧拉模型和结构传热传质流体动力学模型的反应堆瞬态模拟[26]，实现基于一体化非规则自动精准建模的核设施热工水力学、结构力学等多物理耦合高保真模拟。
核设施中传感器众多，难以从海量数据中快速分析发现实际运行中不易察觉的或潜在的故障。针对此问题，本团队提出并发展了基于小批次卷积神经网络的核设施故障诊断方法，为操作人员和管理人员提供故障预警和辅助决策[27]。基于对核电站的设备故障诊断、设备配置状态变化与外部环境变化监测，耦合核电站风险模型进行分析，对核电站事故类型及风险大小的预警进行了研究[28，29]。
4.1.2 环境影响评价与核素扩散预测
针对事故环境多种多样的客观事实，发展了多尺度、多介质核素扩散计算方法，并在此基础上研发了结合我国实际环境特征的核应急环境影响评价系统，为应急响应及事故后环境治理提供科学依据。
结合中国实际地形特征，建立了耦合不同下垫面的核素扩散模型，并基于风场诊断、干湿沉降技术，在核素扩散计算中考虑气象变化影响，实现不同地形条件及各种天气变化情况下的放射性核素扩散精细模拟。基于场区范围核素扩散精细模拟，构建了小、中、大多尺度耦合的放射性核素扩散计算模式，可满足多种尺度放射性核素扩散模拟需求。对放射性核素在不同介质、不同场景中扩散过程进行研究，建立了适用于多介质的放射性核素扩散计算模式[30-33]，并耦合数字地理信息系统实现放射性核素扩散过程的动态三维可视化。在此基础上，结合自主构建的高精度中国辐射虚拟人模型Rad-HUMAN，发展了一种基于数字人体模型的外照射剂量精确评估方法，实现了器官级的辐射剂量精确评估[34，35]。
4.1.3 社会风险评价与舆情监控
现阶段公众对核能风险的认知往往是定性的，不同群体对核能风险不同组成要素的量化评价不足。针对不同群体公众对核能的风险认知存在差异的问题，开展了社会风险评价体系研究[36，37]，将核能风险粗放的定性判断逐渐转入更为细致的定量的评价，并开展了核应急舆情监控系统研发，借助信息时代的新媒体手段，为核应急决策提供社会风险信息。
基于中国文化情境背景以及中国特色民情和社情，将心理测量范式和文化理论范式相结合，通过对风险认知过程、“公信力”度量及影响因素的研究，提出了公众风险认知水平的量化评价方法体系，获取中国社会不同文化群体的风险认知特征[38]。基于风险认知特征对人员进行分类，给出核应急响应各阶段公众沟通方案、不同类型人员撤离优先级等应急干预措施。
随着自媒体等新兴媒体的迅猛发展，涉及核电安全及核事故的网络舆情可能在很短的时间内快速扩散、演变。为了把握涉核舆情动向，基于网络舆情采集、智能分析与预警等大数据挖掘技术，开展了核应急舆情监控系统研发，对涉核海量信息进行检索和分析，及时掌握群众恐慌心理及思想动态，为做好正面的舆论引导及应急干预措施提供支撑[39]。
4.1.4 基于核应急大数据融合分析的智慧应急决策
当前核应急决策中存在考虑数据范围不够全面、现场数据实时变化难以准确描述或获取、对海量数据的融合分析不够充分、指标评价体系不够完备等问题。针对上述问题，本团队开展了基于应急过程概率风险分析模型的核应急行动有效性指标体系研究，结合现场监测数据进行应急行动有效性实时评价与失效预警，开展了面向多用户协同分析的核应急“一张图”系统研发。
针对核应急救援方案，本团队梳理了影响核应急行动有效性的关键因素，构建了核应急过程概率风险分析模型，并对影响核应急行动的因素进行分级。将总体目标分解至各影响因素，并构建了核应急行动有效性指标体系。结合现场监测数据实时更新风险分析模型，进行应急行动有效性实时评价与失效预警。结合反应堆运行状态参数、系统与设备可靠性参数、应急救援涉及的事故信息、地理气象信息、应急救援信息等核应急大数据，面向决策人员、救援人员、专家、公众等不同对象进行多源数据智能筛选展示以及分布式信息收集，开展基于人工智能的方案推演与数据融合分析，并对核应急行动有效性进行评价，基于地理信息系统构建核应急“一张图”[33]，为核应急智慧指挥决策及行动效果评价提供科学支撑。
4.1.5 核应急预案推演与虚拟仿真演练
当前核应急演练大多是“脚本式”，事故场景难以真实构建，救援效果评价缺乏科学性。针对上述问题，本团队发展了动态随机数字化演练方案生成技术、基于高保真事故场景的虚拟演练方法及演练效果科学量化评价体系，正在开展核应急虚拟仿真演练系统研发，可为国家核应急能力建设的常态化训练与战时救援提供技术与平台支撑。
为突破脚本式演练模式，提高应急实战能力，预先建立核设施事故大数据库，包括演练人员组成数据库、装备数据库、救援任务数据库、事故环境数据库和应急处置行动流程数据库、任务分工模型库及预案库等，并基于大数据深度学习进行事故现象和诱因分析，筛选可能发生的次生事故序列，研究数字化演练剧本生成系统关键技术，实现动态随机演练方案的在线生成。
为了满足高保真演练的需要，基于实际事故诱因和现象构建真实事故场景，包括三维地理空间模型、核设施三维模型、事故现象、事故后果预测与监测结果。在虚拟环境中救援人员结合粒子特效及触感特效能实时感知辐射场的动态变化，进行高保真事故场景中沉浸式虚拟仿真演练的关键技术研究。为了实现科学、智能的演练效果评价，基于不同的救援职责和救援措施对救援动作进行分解，并根据其对救援效果的重要程度，搭建定量化的评价指标体系；将演练过程中采集到的救援时间、救援位置、救援动作效果、累计剂量等各类数据用于救援效果综合评价，生成综合评价结果、智能分析薄弱环节并制订针对性训练改进计划。
4.2 典型案例
本团队研究成果已在商用核电站、先进核能系统、乏燃料运输、国家级和省级核应急指挥决策与演练中取得了良好应用，为核设施安全运行与应急决策提供了有力支撑。
4.2.1 铅基堆事故演化仿真
基于Virtual4DS开展了铅基堆的瞬态工况与严重事故的模拟及安全分析，模拟了冷却剂（水）与冷却剂（液态铅铋）相互作用过程中的蒸汽爆炸以及汽化和凝结等多相流传热传质问题；严重事故下熔融燃料与冷却剂相互作用以及燃料颗粒在冷却剂中的迁移行为等中子学与热工水力学耦合反馈等复杂问题[25]。铅基堆蒸汽发生器传热管破裂事故下水蒸气在铅铋冷却剂中的迁移过程如图3所示。
图3 铅基堆蒸汽发生器传热管破裂事故下水蒸气在铅铋冷却剂中的迁移过程[25]
4.2.2 支持安徽省核应急指挥决策能力建设
基于虚拟核电站Virtual4DS，面向安徽省核应急体系与能力建设，成立了安徽省核应急专业技术支持中心，先后开展了核应急辅助决策、放射性核素大气扩散快速仿真、新型反应堆场外应急关键技术研究，并研发了省级核应急指挥决策平台（见图4），包括辐射监测、辅助决策、辐射后果评价、核应急救援数据库等分系统，为安徽省核应急工作中的辐射监测、辐射防护、源项估算与后果评价等方面提供技术支持与服务。
图4 面向安徽省的核应急指挥决策平台
4.2.3 支持国家核应急救援能力建设
在国家核应急救援能力建设方面，以核事故仿真为基础，结合推演仿真、行为决策仿真、演练效果评估等关键技术以及应急行动、指挥控制、装备效能、事故场景、危害程度等数据模型，开展救援指挥、态势融合分析、综合演练、方案预案推演与评估等功能开发，实现了动态随机演练剧本的在线生成、高保真事故场景下的沉浸式训练及演练效果的科学智能评估，为常态化开展核应急实战化训练方法研究、行动方案预案推演提供了支撑。核应急指挥导调与虚拟训练如图5所示。
图5 核应急指挥导调与虚拟训练
5 总结
针对核应急指挥决策过程中快速准确诊断事故工况、全环境范围后果评价、结合数字环境社会的核应急智慧决策、有效的核应急演练手段等挑战，凤麟团队基于自主研发的数字社会环境下的虚拟核电站Virtual4DS“凤麟云”，开展了核设施事故演化模拟与诊断、环境影响评价与核素扩散预测、社会风险评价与舆情监控、智能应急决策与大数据、核应急预案推演与虚拟仿真演练等核应急关键技术研究，研发了核应急智慧指挥决策系统，旨在实现“核电站-环境-社会”大时空综合仿真。研究成果在商用核电站、先进核能系统、乏燃料运输、国家级和省级核应急指挥决策与演练等方面取得了良好应用，为核设施安全运行与应急决策提供了有力支撑。未来将进一步结合人工智能、虚拟现实、移动通信等先进信息技术，深入开展多类型严重事故下高保真核应急仿真演练技术研发及应用，为开展核事故应急常态化训练提供平台，推动我国核应急能力建设。
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作者简介
吴宜灿，中国科学院院士、国际核能院院士。现任中国科学院核能安全技术研究所所长，兼任国际小型铅基堆联盟主席、国际能源署聚变核技术执委会主席。长期从事核科学与技术及相关交叉领域研究，主持国际和国内重大科研项目30余项，出版中英文专著4部，发表论文400余篇。科研成果已在国内外获得广泛应用，获国家自然科学二等奖、国家科技进步一等奖、安徽省重大科技成就奖，以及美国核学会杰出成就奖、欧洲聚变核能创新奖等重要科技奖励10余项。
[1] 项目资助：中国科学院信息化专项项目（XXH13506-104）、国家科技部国家科技基础条件平台项目“国家基础科学数据共享服务平台”（DKA2017-12-02-17）、中国科学院合肥物质科学研究院项目（KP-2017-19、KP-2019-13）等。