設(shè)計核電站反應堆涉及大量計算，從初步設(shè)計開始就需要啟動計算程序。中國核動力研究設(shè)計院（ 以下簡稱“核動力院 ”）所使用的設(shè)計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)計程序和設(shè)計結(jié)果。

引進、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碩士研究生畢業(yè)，進入核動力院設(shè)計所從事堆芯物理研究工作。這一年，正是核動力院開始著手自主核電設(shè)計的時候，制定了“華龍一號”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”深深牽絆在一起了。

“國內(nèi)第一個177堆芯的燃料管理系統(tǒng)，有我的貢獻?！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。”

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。當時的技術(shù)手段有限，對設(shè)計理念理解也不深刻。177堆芯的燃料管理系統(tǒng)參考法方設(shè)計，但設(shè)計出來的結(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——用當時的點陣打印機，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)鍵的反應堆堆芯反射層數(shù)據(jù)以二進制的形式被隱藏在了數(shù)據(jù)庫，根本看不見。而沒有這個資料，從157堆芯到177堆芯的路，多了很多坎坷。

李慶團隊從源頭出發(fā)，按照反應堆堆芯反射層的幾何特征重新設(shè)計數(shù)據(jù)……

從know how 到 know why 的轉(zhuǎn)變

1999年，大亞灣核電站開始18個月?lián)Q料論證工作。包括李慶在內(nèi)，核動力院現(xiàn)在的一批中堅力量基本上都參加了這個項目。對于他們來說，這是一個完整轉(zhuǎn)變設(shè)計思想、設(shè)計理念的劃時代項目。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，擔任了指導老師的角色，中方李慶團隊承擔具體的工作。每一項工作，他們都要尋根究底，不僅要知道know how ，還要知道 know why。每一項工作，都有設(shè)計規(guī)程手冊。但對每一項工作，出的每一份報告，李慶團隊都要同時出一份計算筆記。厚厚的計算筆記詳細地記錄了整個工作過程，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)計體系。

從know how 到 know why，這批中國核動力事業(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”

“很長一段時間，我們沒有需求，也沒有動力去開發(fā)自主化核電軟件包。”李慶直言。

2010年，中核集團擬向巴基斯坦出口兩臺百萬千瓦級核電機組，也就是后來的卡拉奇2號、3號機組。

設(shè)計反應堆需要涉及大量計算，從初步設(shè)計開始就需要啟動計算程序。但當時的設(shè)計軟件都是從法國引進的，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。

核動力院臨危受命，被要求解決這個問題。此時李慶也已成長為軟件自主化項目總師。

1991年，為了提高核電設(shè)計能力，中方向法國進行了設(shè)計咨詢，全套引進了法方的核電設(shè)計軟件?！爱敃r我們還花了非常大的資源和精力，將法國的設(shè)計軟件在我們自己的硬件上進行適應化匹配?！崩顟c從前輩那里得知了其中的艱辛。當時的核動力院，還沒有幾臺電腦，他們借用其他單位的電腦進行計算，為了保證完整的計算時間，大家都是帶著被褥去的?！爱敃r的交通不是很方便，大家去一次最少要按48個小時計算。”直到現(xiàn)在，對此，李慶仍記憶猶新。

其實，早在參與秦山二期投標之時，核動力院用的是自己的設(shè)計軟件進行初步設(shè)計，那是從設(shè)計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)計程序和設(shè)計結(jié)果，其作用主要是校驗中方的設(shè)計程序和設(shè)計結(jié)果，差異不大。

“現(xiàn)在回頭看，當時引進的那套軟件，從理論上看并不先進?！崩顟c說，“但是他們有兩個我們無法比擬的優(yōu)勢，一是計算結(jié)果精確。法國的核電站已經(jīng)運行了上千個堆年，設(shè)計經(jīng)驗豐富，可以對軟件進行大量的調(diào)試，使得計算數(shù)據(jù)和實際數(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)計軟件，其設(shè)計參數(shù)和核電站設(shè)計有所區(qū)別。法國的軟件是完全根據(jù)核電站設(shè)計需求定制開發(fā)，核電設(shè)計所需的數(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。理所應當?shù)?，我們拋棄了自己的軟件，轉(zhuǎn)而使用更先進的法國軟件。

自秦山二期后，中國設(shè)計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”正式立項之時，李慶已經(jīng)成長為“華龍一號”副總師，負責堆芯核設(shè)計工作。同時，作為軟件自主化項目總師，李慶壓力很大。核動力院作為核動力技術(shù)設(shè)計單位，一直以來只是將設(shè)計軟件作為工具來應用。在2010年之前，根本沒有成套的軟件開發(fā)體系。沒有體系、沒有隊伍，也不知道軟件開發(fā)的工作方式。

在李慶團隊的努力下，用了不到5年的時間，完成了全套軟件的開發(fā)，形成了NESTOR1.0核電設(shè)計軟件包。至此，核動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)團隊，保證了中核集團核電出口合法化。

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

2014年，李慶團隊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)計軟件相當，局部達到國際先進水平。

追求完美的李慶認為，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。李慶團隊立志要研發(fā)出國際先進、滿足工程應用、成套成體系的核電設(shè)計軟件。

研發(fā)工具軟件一般要經(jīng)歷兩個階段。首先需要理論模型和試驗模型，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，李慶團隊針對模型，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)過程中每一個公式都需要做大量的試驗進行驗證，而核電相關(guān)試驗動輒上億，代價巨大。

“軟件自主化最大的困難就是工程化應用?！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”的設(shè)計過程中，李慶團隊使用法國的設(shè)計軟件和自主研發(fā)的NESTOR核電軟件包并行做了兩份報告，進行“背靠背設(shè)計”，在經(jīng)歷了很長一段時間“備胎”后，有效推動了自主化軟件的工程化應用。

2019年，完全由我國自主設(shè)計的核電軟件包已經(jīng)應用于軟件工程項目中。經(jīng)過一年多的核電運行證明，實際數(shù)據(jù)和軟件計算結(jié)果基本一致，近萬個參數(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，李慶團隊拿出了“數(shù)字化反應堆”的解決方案。傳統(tǒng)核電設(shè)計軟件的主要思路是為了保證核電站的安全，設(shè)計原則保守，參數(shù)的安全裕量較高，經(jīng)濟性有所欠缺。數(shù)字化反應堆采用高保真計算，真實模擬出核電站的所有情況。

數(shù)字化反應堆對于核電設(shè)計工作來說，是整個設(shè)計體系的變革。傳統(tǒng)的核電設(shè)計是串行模式，反應堆物理、系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、熱工水力等專業(yè)計算結(jié)果是承接的過程，每個計算的誤差相加，對結(jié)果的影響比較大，不利于反應堆的經(jīng)濟性和運行的靈活性。數(shù)字化反應堆是并行設(shè)計的，所有專業(yè)同時計算，計算結(jié)果共同收斂，集成耦合，可以有效地消除誤差，效率更高，同時使核動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，核動力院有了完整的設(shè)計團隊和完善的設(shè)計體系。同時，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)字化反應堆東風已來?！拔覀兿Ｍ院蠛穗娫O(shè)計軟件和數(shù)字化反應堆可以合為一體，數(shù)字化反應堆里包含軟件，軟件也要發(fā)展到高精度高保真的程度。”通過先進的工具，工程師可以實現(xiàn)“所見即所得”。這種智能化、數(shù)字化的設(shè)計，可以提高設(shè)計能力、提升設(shè)計效率、提高設(shè)計質(zhì)量、降低設(shè)計成本。對于未來，李慶充滿希望，并一直奔跑在逐夢的征途上。