聚變數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)FusionDB研發(fā)與應(yīng)用

王 芳，胡麗琴，龍鵬程，鄒 俊，李春京，汪 進(jìn)，尚雷明，宋 婧，程夢(mèng)云，俞盛朋，郝麗娟，何 桃，聶 淼，薛 峰，黃群英，吳宜燦，F(xiàn)DS團(tuán)隊(duì)

(中國(guó)科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所，中子輸運(yùn)理論與輻射安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031)

聚變數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)FusionDB研發(fā)與應(yīng)用

王 芳，胡麗琴，龍鵬程，鄒 俊，李春京，汪 進(jìn)，尚雷明，宋 婧，程夢(mèng)云，俞盛朋，郝麗娟，何 桃，聶 淼，薛 峰，黃群英，吳宜燦，F(xiàn)DS團(tuán)隊(duì)

(中國(guó)科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所，中子輸運(yùn)理論與輻射安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031)

聚變研究和設(shè)計(jì)是一項(xiàng)需國(guó)內(nèi)外廣泛合作的系統(tǒng)工程，積累和共享數(shù)據(jù)是當(dāng)前重要任務(wù)。為了更好地整合聚變數(shù)據(jù)，F(xiàn)DS團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)和研發(fā)了集聚變數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理與分析軟件于一體的聚變數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)FusionDB，系統(tǒng)涵蓋了聚變堆設(shè)計(jì)與安全分析關(guān)鍵數(shù)據(jù)，是國(guó)際上首個(gè)包括核數(shù)據(jù)、材料數(shù)據(jù)、部件數(shù)據(jù)、聚變物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及核計(jì)算仿真和可靠性與概率安全分析等功能的綜合型聚變數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。FusionDB已應(yīng)用于國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆ITER、中國(guó)科學(xué)院FDS系列聚變堆概念設(shè)計(jì)與研究中。

核聚變；核聚變數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理與分析軟件

核聚變研究具有“涉及學(xué)科領(lǐng)域多、研究問(wèn)題廣、周期長(zhǎng)”等特點(diǎn)，并且具有極強(qiáng)探索性，需國(guó)內(nèi)外廣泛合作。在聚變堆物理設(shè)計(jì)、工程設(shè)計(jì)與建造、堆物理試驗(yàn)過(guò)程中均產(chǎn)生或需要大量數(shù)據(jù)。聚變堆是集“超高溫—超低溫、高壓—高真空、強(qiáng)電流—強(qiáng)磁場(chǎng)”于一體的復(fù)雜系統(tǒng)，聚變堆托卡馬克裝置主要由增殖包層、偏濾器、真空室、超導(dǎo)磁鐵線圈、低溫恒溫器、冷屏、生物屏蔽層等組成，以及診斷系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、安裝和維修系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，部件繁多[1-2]。堆內(nèi)環(huán)境從超高溫(高達(dá)幾億度)、超高真空(10-6Pa)的等離子體環(huán)境過(guò)渡至超低溫、強(qiáng)磁場(chǎng)的超導(dǎo)磁體環(huán)境，同時(shí)還有高通量聚變中子輻照，堆內(nèi)部件服役環(huán)境極為苛刻。聚變堆設(shè)計(jì)需基于聚變物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、核截面數(shù)據(jù)、材料數(shù)據(jù)等，確定堆芯基本設(shè)計(jì)參數(shù)，根據(jù)部件服役環(huán)境選擇合適材料，評(píng)估聚變堆氚自持能力和能量增益，確保反應(yīng)堆安全運(yùn)行以及人員和部件輻射安全。同時(shí)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中產(chǎn)生大量設(shè)計(jì)和分析數(shù)據(jù)，急需借助數(shù)據(jù)管理平臺(tái)進(jìn)行處理和分析。

歐洲、美國(guó)、日本和俄羅斯等國(guó)家非常重視發(fā)展聚變數(shù)據(jù)庫(kù)，在核數(shù)據(jù)方面，以國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)核數(shù)據(jù)科IAEA/NDS發(fā)展了FENDL(Fusion Evaluated Nuclear Data Library)系列核數(shù)據(jù)庫(kù)[3]為代表，支持聚變核設(shè)計(jì)與分析；在聚變材料庫(kù)方面，歐洲正在建立聚變材料性能數(shù)據(jù)庫(kù)[4]、日本原子能機(jī)構(gòu)(JAEA)的HFIR/ORR輻照實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)[5]、英國(guó)聚變材料數(shù)據(jù)庫(kù)(Fusion Materials Database)[6]、日本先進(jìn)核材料數(shù)據(jù)庫(kù)(Data-Free-Way)[7]等；在聚變部件可靠性數(shù)據(jù)方面，有歐洲原子能機(jī)構(gòu)聚變部件失效率數(shù)據(jù)庫(kù)(FCFR-DB)[8]、ITER聚變部件可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)[9]等；在聚變等離子體物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)方面，全世界各個(gè)托卡馬克實(shí)驗(yàn)室都建立了相應(yīng)聚變等離子體物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)。國(guó)內(nèi)聚變數(shù)據(jù)庫(kù)，主要有中國(guó)科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所·FDS團(tuán)隊(duì)的HENDL[10-11]核數(shù)據(jù)庫(kù)、FUMDS[12-14]聚變材料數(shù)據(jù)庫(kù)以及EAST等離子體物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)等。

總體來(lái)看，國(guó)內(nèi)外針對(duì)聚變研究各方面，都建立了相應(yīng)專業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)，但仍然存在三個(gè)問(wèn)題：(1)各專業(yè)庫(kù)孤立零散缺乏關(guān)聯(lián)，在聚變堆設(shè)計(jì)中會(huì)導(dǎo)致效率低下；(2)目前的聚變數(shù)據(jù)庫(kù)都缺乏專業(yè)的數(shù)據(jù)處理及分析功能，無(wú)法充分地發(fā)揮與挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值；(3)缺乏基于聚變數(shù)據(jù)的高保真計(jì)算仿真手段。中國(guó)科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所·FDS團(tuán)隊(duì)以當(dāng)前聚變堆和托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)源以及海量聚變模擬數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合聚變堆及聚變裝置的全面分析，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出充分耦合各專業(yè)數(shù)據(jù)、具備高效數(shù)據(jù)處理與分析的綜合型聚變數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)FusionDB(Database Management System for Fusion)[15-18]。其設(shè)計(jì)目標(biāo)是為聚變堆設(shè)計(jì)及安全分析計(jì)算分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，為熱工及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，為建造儲(chǔ)備部件數(shù)據(jù)，為堆芯聚變物理設(shè)計(jì)積累聚變物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 FusionDB研發(fā)進(jìn)展

1.1 總體目標(biāo)

FusionDB聚變數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)總體目標(biāo)為了解決核聚變以及聚變堆研究的綜合型數(shù)據(jù)支撐與數(shù)據(jù)分析需求，主要包括聚變物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、部件數(shù)據(jù)、材料數(shù)據(jù)、核數(shù)據(jù)等方面。

針對(duì)上述研究需求，F(xiàn)usionDB數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了四個(gè)相互關(guān)聯(lián)與耦合的子庫(kù)，分別為聚變物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)、聚變部件數(shù)據(jù)庫(kù)、聚變材料數(shù)據(jù)庫(kù)和聚變核數(shù)據(jù)庫(kù)，子庫(kù)間通過(guò)“聚變裝置→聚變部件→聚變材料→聚變核反應(yīng)”的層次相互耦合與關(guān)聯(lián)；FusionDB除了需提供聚變數(shù)據(jù)查詢、下載等基本功能之外，還要提供多種數(shù)據(jù)分析、模型轉(zhuǎn)換等特色數(shù)據(jù)處理功能，以便更好發(fā)揮數(shù)據(jù)價(jià)值。

1.2 總體架構(gòu)與設(shè)計(jì)

為方便不同國(guó)家不同地域用戶協(xié)同使用數(shù)據(jù)和軟件，F(xiàn)usionDB基于開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)J2EE的B/S結(jié)構(gòu)進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)，采用分層開(kāi)發(fā)模式和統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，降低了程序模塊間耦合程度，系統(tǒng)分為三層：(1)基礎(chǔ)層以聚變核數(shù)據(jù)、材料數(shù)據(jù)、部件數(shù)據(jù)和聚變物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為核心，(2)中間層進(jìn)行基礎(chǔ)層數(shù)據(jù)和軟件的通用管理和統(tǒng)一調(diào)度，(3)應(yīng)用層面向用戶提供數(shù)據(jù)及其計(jì)算分析功能，詳細(xì)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 FusionDB系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Architecture of FusionDB

(1) 聚變核數(shù)據(jù)

聚變核數(shù)據(jù)[10-11]包括輸運(yùn)數(shù)據(jù)庫(kù)、燃耗/活化數(shù)據(jù)庫(kù)材料輻照損傷庫(kù)以及衰變數(shù)據(jù)庫(kù)。聚變輸運(yùn)核數(shù)據(jù)庫(kù)為輸運(yùn)計(jì)算程序提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持，實(shí)現(xiàn)聚變堆中子/光子通量、能譜、反應(yīng)率等關(guān)鍵物理量計(jì)算；燃耗/活化庫(kù)包括聚變堆材料的燃耗/活化截面數(shù)據(jù)，為聚變堆材料燃耗/活化分析提供集成數(shù)據(jù)支持；材料輻照損傷庫(kù)為聚變堆結(jié)構(gòu)材料壽命評(píng)估提供數(shù)據(jù)支持；衰變庫(kù)為輻照后聚變堆材料安全處置及分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

(2) 聚變材料數(shù)據(jù)

聚變材料數(shù)據(jù)主要包括聚變堆結(jié)構(gòu)材料、面向等離子體材料、功能材料等上百種材料的物理特性、化學(xué)特性、機(jī)械特性等性能數(shù)據(jù)。目前該數(shù)據(jù)庫(kù)已經(jīng)收集了包括中國(guó)抗輻照低活化結(jié)構(gòu)鋼CLAM[12-14]在內(nèi)的國(guó)際主要聚變堆候選結(jié)構(gòu)材料的物理、機(jī)械等性能數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為聚變材料設(shè)計(jì)提供參考與依據(jù)，同時(shí)是聚變堆物理熱工設(shè)計(jì)人員開(kāi)展聚變堆設(shè)計(jì)的必要輸入，是開(kāi)展聚變堆設(shè)計(jì)分析研究必不可少的數(shù)據(jù)。

(3) 聚變部件數(shù)據(jù)

聚變部件數(shù)據(jù)庫(kù)主要有部件模型庫(kù)和部件可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)。部件模型庫(kù)包含了聚變堆關(guān)鍵子系統(tǒng)與關(guān)鍵部件的CAD模型文件、物理分析計(jì)算輸入模型、物理分析結(jié)果數(shù)據(jù)等。聚變部件可靠性數(shù)據(jù)主要包括部件的運(yùn)行環(huán)境及其描述、運(yùn)行失效率、需求失效概率、平均維修時(shí)間、維修或試驗(yàn)不可用度及其分布參數(shù)、分布上下限、誤差因子等信息。目前該庫(kù)被國(guó)際最大的聚變可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)FCFR_DB收錄。聚變部件數(shù)據(jù)庫(kù)可為未來(lái)中國(guó)及國(guó)際聚變實(shí)驗(yàn)堆、聚變示范堆及聚變發(fā)電堆的工程設(shè)計(jì)以及安全運(yùn)行與管理提供數(shù)據(jù)支持[19-20]。

(4) 等離子體物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

等離子體物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是從事磁約束聚變研究中等離子體控制、約束、運(yùn)行等現(xiàn)象和規(guī)律探索的重要依據(jù)，是開(kāi)展聚變堆設(shè)計(jì)的重要數(shù)據(jù)資源。等離子體物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括等離子體基本參數(shù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。等離子體物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)收集整理先進(jìn)實(shí)驗(yàn)超導(dǎo)托克馬克裝置實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)可視化，為從事等離子體物理研究、聚變堆設(shè)計(jì)及托卡馬克實(shí)驗(yàn)研究人員提供平臺(tái)支持。

(5) 數(shù)據(jù)處理與分析

聚變能的發(fā)展，帶來(lái)了多種全新的科學(xué)問(wèn)題，如能譜跨度大、物理效應(yīng)復(fù)雜；熱工水力學(xué)存在多種冷卻劑特性各異、堆芯與包層結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣、安全性要求高等特性；材料方面存在高能中子輻照而需采用新型燃料問(wèn)題；聚變部件失效物理模型建立及其失效預(yù)測(cè)等問(wèn)題。這些科學(xué)問(wèn)題需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)、模擬來(lái)進(jìn)行研究。核能軟件在基礎(chǔ)物理問(wèn)題模擬、反應(yīng)堆設(shè)計(jì)與安全分析、核安全監(jiān)管、反應(yīng)堆運(yùn)維等階段具有重要作用。此外，隨著數(shù)值模擬算法與計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，綜合開(kāi)展全反應(yīng)堆多物理耦合高保真模擬已成為可能。

聚變數(shù)據(jù)需付諸應(yīng)用才可發(fā)揮其價(jià)值，F(xiàn)DS團(tuán)隊(duì)依托自主研發(fā)軟件，發(fā)展了FusionDB的中子學(xué)自動(dòng)建模、計(jì)算與可視化、可靠性分析等數(shù)據(jù)處理功能，集成超級(jí)蒙卡核模擬軟件系統(tǒng)SuperMC[21-28]以及可靠性與概率安全分析軟件系統(tǒng)RiskA[29-31]，形成了集“數(shù)據(jù)獲取-數(shù)據(jù)處理-仿真計(jì)算應(yīng)用”一體化體系，更好地發(fā)揮聚變數(shù)據(jù)作用，為聚變研究與設(shè)計(jì)提供計(jì)算支持。目前超級(jí)蒙卡核模擬軟件系統(tǒng)SuperMC已被國(guó)際經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織核能署(OECD/NEA)軟件數(shù)據(jù)庫(kù)收錄。

1.3 技術(shù)特點(diǎn)

針對(duì)聚變裝置物理特點(diǎn)和聚變研究實(shí)際需求，形成了FusionDB獨(dú)特的技術(shù)特色，包括集聚變數(shù)據(jù)綜合管理與處理于一體的數(shù)據(jù)分析功能、數(shù)據(jù)處理方法可靠精細(xì)、計(jì)算仿真高效精確，更好地滿足了聚變研究對(duì)數(shù)據(jù)的需求。

(1) 集聚變數(shù)據(jù)綜合管理與處理于一體

由于核聚變研究具有“涉及學(xué)科領(lǐng)域多，研究問(wèn)題廣”等特點(diǎn)，現(xiàn)有聚變數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)大都為單項(xiàng)數(shù)據(jù)，F(xiàn)usionDB根據(jù)聚變研究過(guò)程將聚變核數(shù)據(jù)、材料數(shù)據(jù)、部件數(shù)據(jù)、聚變物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了物理和邏輯上的系統(tǒng)整合，提供統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口，采用通用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)規(guī)范，為核聚變數(shù)據(jù)資源體系共享提供了基礎(chǔ)。同時(shí)在FusionDB發(fā)展過(guò)程中，采用“先進(jìn)信息技術(shù)促進(jìn)核聚變研究，核聚變研究帶動(dòng)信息技術(shù)發(fā)展”的模式，將數(shù)據(jù)發(fā)展與特色軟件處理工具并重，重點(diǎn)發(fā)展了基于核數(shù)據(jù)的在線多溫度庫(kù)處理、基于材料數(shù)據(jù)的性能挖掘以及基于可靠性數(shù)據(jù)修正的功能。

(2) 數(shù)據(jù)處理方法可靠精細(xì)

本系統(tǒng)在聚變核數(shù)據(jù)方面，發(fā)展了一種綜合分析選取參考本底截面方法[11]，以實(shí)現(xiàn)聚變核數(shù)據(jù)的共振自屏效應(yīng)精確修正；在聚變材料數(shù)據(jù)方面，采用改進(jìn)型的極限學(xué)習(xí)機(jī)方法[32]，實(shí)現(xiàn)聚變堆結(jié)構(gòu)材料的性能精確預(yù)測(cè)；在部件可靠性數(shù)據(jù)研究方面，采用基于改進(jìn)型的K因子的修正方法，該方法基于聚變材料數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)高溫高輻照物理環(huán)境下部件可靠性數(shù)據(jù)的精確修正[33]。

(3) 計(jì)算仿真高效精確

核模擬軟件發(fā)展了基于非規(guī)則自由曲面的精準(zhǔn)建模方法、基于過(guò)渡區(qū)的蒙特卡羅與確定論方法直接耦合方法、全空間權(quán)窗產(chǎn)生器(GWWG)等系列加速算法，將核模擬效率提高上千倍[21-27]?；诳茖W(xué)計(jì)算可視化與虛擬漫游技術(shù)，實(shí)現(xiàn)核模擬結(jié)果的多維多風(fēng)格可視分析，并基于輻射虛擬人模型Rad-Human實(shí)現(xiàn)人體器官級(jí)精確劑量評(píng)估[28]。

可靠性與概率安全分析軟件系統(tǒng)基于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)，不同用戶可進(jìn)行協(xié)同建模和共享資源。支持人機(jī)交互式彩色圖形建模和不同格式模型的智能輸入輸出，計(jì)算引擎采用改進(jìn)型零壓縮二元決策圖(Zero-suppressed Binary Decision Diagrams，ZBDD)算法，對(duì)于一般核裝置規(guī)模故障樹(shù)可在分鐘內(nèi)完成實(shí)時(shí)計(jì)算[29-31]。

2 FusionDB典型應(yīng)用研究

FusionDB依托ITER、FDS聚變混合堆[34-36]和EAST等重大工程，積累了聚變領(lǐng)域大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)以FDS團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的核能設(shè)計(jì)與仿真軟件為基礎(chǔ)，發(fā)展了一套輔助用戶分析的聚變數(shù)據(jù)計(jì)算與分析平臺(tái)。FusionDB于2009年完成開(kāi)發(fā)并上線連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，其發(fā)展是科研信息化在聚變研究中的重要應(yīng)用，已為80個(gè)國(guó)家科研人員提供數(shù)據(jù)支持，使用達(dá)265萬(wàn)人次。FusionDB用于支持聚變大科學(xué)裝置以及聚變堆設(shè)計(jì)研究，因此本文研究了FusionDB在國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆ITER核分析基準(zhǔn)模型建立與評(píng)價(jià)、ITER包層結(jié)構(gòu)材料性能預(yù)測(cè)和ITER可靠性分析中的應(yīng)用。

2.1 ITER核分析標(biāo)準(zhǔn)模型建立與評(píng)價(jià)

在ITER核分析建模與分析中，F(xiàn)usionDB提供了核心工具和關(guān)鍵數(shù)據(jù)，同時(shí)也收錄了ITER核分析過(guò)程中產(chǎn)生的大量有價(jià)值數(shù)據(jù)[19-20]。具體包括以下內(nèi)容：

(1) ITER標(biāo)準(zhǔn)模型創(chuàng)建

ITER托卡馬克裝置結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，如使用傳統(tǒng)手工建模方式需耗費(fèi)十余年人力。FusionDB中SuperMC實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜模型自動(dòng)建模與可視化驗(yàn)證。ITER組織基于SuperMC創(chuàng)建了一系列ITER三維中子學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型，模型范圍覆蓋托卡馬克裝置、托卡馬克建筑大廳、熱室大廳等眾多區(qū)域，模型精度與詳細(xì)工程設(shè)計(jì)一致，滿足輻射安全分析需求，并已在ITER中子學(xué)設(shè)計(jì)與分析中廣泛使用。ITER組織明確要求所有使用者發(fā)表相關(guān)出版物都必須書(shū)面致謝中國(guó)項(xiàng)目組(FDS團(tuán)隊(duì))。另外，SuperMC支撐發(fā)現(xiàn)了原ITER核屏蔽設(shè)計(jì)中的重要錯(cuò)誤，推動(dòng)了ITER中子學(xué)設(shè)計(jì)方案的快速迭代更新與精確計(jì)算模擬[20]。

圖2 ITER核分析基準(zhǔn)模型Fig.2 Benchmark of ITER nuclear analysis

(2) ITER核計(jì)算與分析

中子學(xué)計(jì)算是ITER設(shè)計(jì)與核安全研究的重要內(nèi)容。FusionDB中SuperMC軟件提供了ITER中子學(xué)計(jì)算分析功能，同時(shí)混合評(píng)價(jià)核數(shù)據(jù)庫(kù)HENDL也為ITER核分析提供材料成分、核素的核反應(yīng)類型及其截面數(shù)據(jù)等重要參數(shù)。基于 SuperMC與HENDL，中國(guó)科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所·FDS團(tuán)隊(duì)完成了十余項(xiàng)ITER中子學(xué)分析的工作，包括大廳輻射劑量場(chǎng)評(píng)估、生物屏蔽插件分析、冷卻水活化、熱室屏蔽、 赤道窗口屏蔽等；國(guó)際上采用 SuperMC完成內(nèi)側(cè) TF線圈核熱沉積精細(xì)評(píng)估、室內(nèi)觀測(cè)系統(tǒng)核分析及屏蔽優(yōu)化、放射性廢物評(píng)估等大量核分析工作。這些工作為ITER安全許可提供重要數(shù)據(jù)支持[19，20]。

2.2 ITER包層材料性能預(yù)測(cè)

ITER包層材料服役在極端溫度和強(qiáng)輻照條件下，其性能研究不僅需要花費(fèi)大量資金，且實(shí)驗(yàn)條件難以模擬，實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)?；贔usionDB 中聚變材料數(shù)據(jù)，采用機(jī)器學(xué)習(xí)方法對(duì)ITER包層材料諸如中國(guó)抗輻照低活化結(jié)構(gòu)鋼CLAM的拉伸性能進(jìn)行了預(yù)測(cè)研究[32]，預(yù)測(cè)了CLAM鋼不同Ta含量及溫度下的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷面收縮率、斷后伸長(zhǎng)率等性能，并預(yù)測(cè)Ta含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為0.18%～0.20%的CLAM鋼的綜合拉伸性能更好，預(yù)測(cè)結(jié)果如圖3所示。該成果為ITER包層材料性能研究提供重要參考。

圖3 ITER包層材料性能預(yù)測(cè)分析Fig.3 Blanket material of ITERproperty prediction and analysis

2.3 ITER可靠性分析

RAMI(Reliability，Availability，Maintainability，Inspectability)是ITER實(shí)現(xiàn)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)控制的主要手段，其目的在于剔除聚變堆的潛在風(fēng)險(xiǎn)，提高聚變堆可靠性和可用性[37]。FusionDB支撐了ITER氦冷固態(tài)包層的RAMI分析全過(guò)程。氦冷固態(tài)包層是將要在ITER進(jìn)行試驗(yàn)的六個(gè)包層方案之一，ITER氦冷固態(tài)包層的RAMI分析對(duì)包括包層模塊，氚提取系統(tǒng)，氦氣冷卻系統(tǒng)，冷卻劑純化系統(tǒng)等子系統(tǒng)進(jìn)行了分析。根據(jù)ITER運(yùn)行計(jì)劃，計(jì)算其在兩年實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)，整體氦冷固態(tài)包層系統(tǒng)平均可用性達(dá)到94.69%，其可用性隨時(shí)間變化關(guān)系如圖4所示。RAMI分析為ITER固態(tài)包層工程設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了理論支持，提出了設(shè)計(jì)優(yōu)化建議，使其可用性達(dá)到ITER工程需求[33]。

圖4 固態(tài)包層可用性隨時(shí)間變化曲線Fig.4 Availability and ReliabilityVS Time of DFLL TBS

3 總結(jié)與展望

以中國(guó)科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所·FDS團(tuán)隊(duì)在開(kāi)展先進(jìn)核能系統(tǒng)研究和設(shè)計(jì)過(guò)程中開(kāi)發(fā)的核數(shù)據(jù)庫(kù)、材料數(shù)據(jù)庫(kù)、可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)等為基礎(chǔ)，在中科院信息化專項(xiàng)等支持下，依托ITER、EAST等聚變實(shí)驗(yàn)裝置，研發(fā)了國(guó)際上首個(gè)包括核數(shù)據(jù)、材料數(shù)據(jù)、部件數(shù)據(jù)、聚變物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及核計(jì)算仿真和可靠性與概率安全分析等功能的綜合型聚變數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)FusionDB，支持聚變堆設(shè)計(jì)研究關(guān)鍵數(shù)據(jù)體系化管理與處理與核計(jì)算建模與仿真分析、可靠性數(shù)據(jù)分析等數(shù)據(jù)處理功能，為聚變?cè)O(shè)計(jì)研究提供有力支撐。FusionDB已成功應(yīng)用于國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)堆ITER、中國(guó)大科學(xué)工程全超導(dǎo)托克馬克EAST實(shí)驗(yàn)裝置、FDS系列聚變堆概念設(shè)計(jì)研究工作中。

圖5 中國(guó)氦冷固態(tài)包層風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)化Fig.5 Risk mitigation actions for HCCB TBS

后續(xù)將采用塊數(shù)據(jù)技術(shù)，通過(guò)對(duì)聚變堆各類型數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘、耦合與關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)在規(guī)律，為ITER國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆、聚變示范反應(yīng)堆DEMO等設(shè)計(jì)建造提供理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。

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Development and Application of Fusion Database FusionDB

WANG Fang，HU Li-qin，LONG Peng-cheng，ZOU Jun，LI Chun-jing，WANG Jin，SHANG Lei-ming，SONG Jing，CHENG Meng-yun，YU Sheng-peng，HAO Li-juan，HE Tao，NIE Miao，XUE Feng，HUANG Qun-ying，WU Yi-can，F(xiàn)DS Team

(Key Laboratory of Neutronics and Radiation Safety，Institute of Nuclear Energy Safety Technology，
Chinese Academy of Sciences，Hefei，Anhui，230031，China)

Study and design on fusion is a great project，which need long cycle and wide cooperation.One of the most important tasks for fusion is to collect and share date.To integrate and utilize fusion data，an integrated database named Database Management System for Fusion (FusionDB) was developed by FDS Team.FusionDB which included nuclear data，material data，component data and plasma physical data，was the first synthetical fusion data library system in the world.Now FusionDB have been applied in the design and analysis of ITER and FDS serial reactors.

Fusion；Fusion data；Software for fusion-data analysis

2016-12-07

中國(guó)科學(xué)院信息化專項(xiàng)(XXH12504-1-09)，國(guó)家ITER 973配套項(xiàng)目2014GB1120001，核聚變裝置可靠性與概率安全目標(biāo)研究(2015GB116000)，產(chǎn)業(yè)化基金

王 芳(1986—)，女，山東人，副研究員，博士，主要從事核應(yīng)急與系統(tǒng)工程、核能信息化研究

吳宜燦：yican.wu@fds.org.cn

TL61

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0258-0918(2017)01-0058-07