聚变数据库系统FusionDB研发与应用

王 芳，胡丽琴，龙鹏程，邹 俊，李春京，汪 进，尚雷明，宋 婧，程梦云，俞盛朋，郝丽娟，何 桃，聂 淼，薛 峰，黄群英，吴宜灿，FDS团队

(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，安徽 合肥 230031)

聚变数据库系统FusionDB研发与应用

王 芳，胡丽琴，龙鹏程，邹 俊，李春京，汪 进，尚雷明，宋 婧，程梦云，俞盛朋，郝丽娟，何 桃，聂 淼，薛 峰，黄群英，吴宜灿，FDS团队

(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，安徽 合肥 230031)

聚变研究和设计是一项需国内外广泛合作的系统工程，积累和共享数据是当前重要任务。为了更好地整合聚变数据，FDS团队设计和研发了集聚变数据和数据处理与分析软件于一体的聚变数据库系统FusionDB，系统涵盖了聚变堆设计与安全分析关键数据，是国际上首个包括核数据、材料数据、部件数据、聚变物理实验数据以及核计算仿真和可靠性与概率安全分析等功能的综合型聚变数据库系统。FusionDB已应用于国际热核聚变实验堆ITER、中国科学院FDS系列聚变堆概念设计与研究中。

核聚变；核聚变数据；数据处理与分析软件

核聚变研究具有“涉及学科领域多、研究问题广、周期长”等特点，并且具有极强探索性，需国内外广泛合作。在聚变堆物理设计、工程设计与建造、堆物理试验过程中均产生或需要大量数据。聚变堆是集“超高温—超低温、高压—高真空、强电流—强磁场”于一体的复杂系统，聚变堆托卡马克装置主要由增殖包层、偏滤器、真空室、超导磁铁线圈、低温恒温器、冷屏、生物屏蔽层等组成，以及诊断系统、冷却系统、安装和维修系统等辅助系统，结构复杂，部件繁多[1-2]。堆内环境从超高温(高达几亿度)、超高真空(10-6Pa)的等离子体环境过渡至超低温、强磁场的超导磁体环境，同时还有高通量聚变中子辐照，堆内部件服役环境极为苛刻。聚变堆设计需基于聚变物理实验数据、核截面数据、材料数据等，确定堆芯基本设计参数，根据部件服役环境选择合适材料，评估聚变堆氚自持能力和能量增益，确保反应堆安全运行以及人员和部件辐射安全。同时，在设计过程中产生大量设计和分析数据，急需借助数据管理平台进行处理和分析。

欧洲、美国、日本和俄罗斯等国家非常重视发展聚变数据库，在核数据方面，以国际原子能机构核数据科IAEA/NDS发展了FENDL(Fusion Evaluated Nuclear Data Library)系列核数据库[3]为代表，支持聚变核设计与分析；在聚变材料库方面，欧洲正在建立聚变材料性能数据库[4]、日本原子能机构(JAEA)的HFIR/ORR辐照实验数据库[5]、英国聚变材料数据库(Fusion Materials Database)[6]、日本先进核材料数据库(Data-Free-Way)[7]等；在聚变部件可靠性数据方面，有欧洲原子能机构聚变部件失效率数据库(FCFR-DB)[8]、ITER聚变部件可靠性数据库[9]等；在聚变等离子体物理实验数据库方面，全世界各个托卡马克实验室都建立了相应聚变等离子体物理实验数据库。国内聚变数据库，主要有中国科学院核能安全技术研究所·FDS团队的HENDL[10-11]核数据库、FUMDS[12-14]聚变材料数据库以及EAST等离子体物理实验数据库等。

总体来看，国内外针对聚变研究各方面，都建立了相应专业数据库，但仍然存在三个问题：(1)各专业库孤立零散缺乏关联，在聚变堆设计中会导致效率低下；(2)目前的聚变数据库都缺乏专业的数据处理及分析功能，无法充分地发挥与挖掘数据价值；(3)缺乏基于聚变数据的高保真计算仿真手段。中国科学院核能安全技术研究所·FDS团队以当前聚变堆和托卡马克实验装置设计与实验产生的数据源以及海量聚变模拟数据为基础，结合聚变堆及聚变装置的全面分析，设计开发出充分耦合各专业数据、具备高效数据处理与分析的综合型聚变数据库系统FusionDB(Database Management System for Fusion)[15-18]。其设计目标是为聚变堆设计及安全分析计算分析提供数据基础，为热工及结构设计提供依据，为建造储备部件数据，为堆芯聚变物理设计积累聚变物理实验数据。

1 FusionDB研发进展

1.1 总体目标

FusionDB聚变数据库系统总体目标为了解决核聚变以及聚变堆研究的综合型数据支撑与数据分析需求，主要包括聚变物理实验数据、部件数据、材料数据、核数据等方面。

针对上述研究需求，FusionDB数据库系统设计了四个相互关联与耦合的子库，分别为聚变物理实验数据库、聚变部件数据库、聚变材料数据库和聚变核数据库，子库间通过“聚变装置→聚变部件→聚变材料→聚变核反应”的层次相互耦合与关联；FusionDB除了需提供聚变数据查询、下载等基本功能之外，还要提供多种数据分析、模型转换等特色数据处理功能，以便更好发挥数据价值。

1.2 总体架构与设计

为方便不同国家不同地域用户协同使用数据和软件，FusionDB基于开放标准J2EE的B/S结构进行架构设计，采用分层开发模式和统一数据标准规范体系，降低了程序模块间耦合程度，系统分为三层：(1)基础层以聚变核数据、材料数据、部件数据和聚变物理实验数据为核心，(2)中间层进行基础层数据和软件的通用管理和统一调度，(3)应用层面向用户提供数据及其计算分析功能，详细架构如图1所示。

图1 FusionDB系统架构Fig.1 Architecture of FusionDB

(1) 聚变核数据

聚变核数据[10-11]包括输运数据库、燃耗/活化数据库材料辐照损伤库以及衰变数据库。聚变输运核数据库为输运计算程序提供基础数据支持，实现聚变堆中子/光子通量、能谱、反应率等关键物理量计算；燃耗/活化库包括聚变堆材料的燃耗/活化截面数据，为聚变堆材料燃耗/活化分析提供集成数据支持；材料辐照损伤库为聚变堆结构材料寿命评估提供数据支持；衰变库为辐照后聚变堆材料安全处置及分析提供基础数据支持。

(2) 聚变材料数据

聚变材料数据主要包括聚变堆结构材料、面向等离子体材料、功能材料等上百种材料的物理特性、化学特性、机械特性等性能数据。目前该数据库已经收集了包括中国抗辐照低活化结构钢CLAM[12-14]在内的国际主要聚变堆候选结构材料的物理、机械等性能数据及实验数据，为聚变材料设计提供参考与依据，同时是聚变堆物理热工设计人员开展聚变堆设计的必要输入，是开展聚变堆设计分析研究必不可少的数据。

(3) 聚变部件数据

聚变部件数据库主要有部件模型库和部件可靠性数据库。部件模型库包含了聚变堆关键子系统与关键部件的CAD模型文件、物理分析计算输入模型、物理分析结果数据等。聚变部件可靠性数据主要包括部件的运行环境及其描述、运行失效率、需求失效概率、平均维修时间、维修或试验不可用度及其分布参数、分布上下限、误差因子等信息。目前该库被国际最大的聚变可靠性数据库FCFR_DB收录。聚变部件数据库可为未来中国及国际聚变实验堆、聚变示范堆及聚变发电堆的工程设计以及安全运行与管理提供数据支持[19-20]。

(4) 等离子体物理实验数据

等离子体物理实验数据是从事磁约束聚变研究中等离子体控制、约束、运行等现象和规律探索的重要依据，是开展聚变堆设计的重要数据资源。等离子体物理实验数据库主要包括等离子体基本参数和实验数据。等离子体物理实验数据库收集整理先进实验超导托克马克装置实验产生的实验数据，可以实现实验数据的实时可视化，为从事等离子体物理研究、聚变堆设计及托卡马克实验研究人员提供平台支持。

(5) 数据处理与分析

聚变能的发展，带来了多种全新的科学问题，如能谱跨度大、物理效应复杂；热工水力学存在多种冷却剂特性各异、堆芯与包层结构复杂多样、安全性要求高等特性；材料方面存在高能中子辐照而需采用新型燃料问题；聚变部件失效物理模型建立及其失效预测等问题。这些科学问题需要通过实验、模拟来进行研究。核能软件在基础物理问题模拟、反应堆设计与安全分析、核安全监管、反应堆运维等阶段具有重要作用。此外，随着数值模拟算法与计算机技术发展，综合开展全反应堆多物理耦合高保真模拟已成为可能。

聚变数据需付诸应用才可发挥其价值，FDS团队依托自主研发软件，发展了FusionDB的中子学自动建模、计算与可视化、可靠性分析等数据处理功能，集成超级蒙卡核模拟软件系统SuperMC[21-28]以及可靠性与概率安全分析软件系统RiskA[29-31]，形成了集“数据获取-数据处理-仿真计算应用”一体化体系，更好地发挥聚变数据作用，为聚变研究与设计提供计算支持。目前超级蒙卡核模拟软件系统SuperMC已被国际经济合作与发展组织核能署(OECD/NEA)软件数据库收录。

1.3 技术特点

针对聚变装置物理特点和聚变研究实际需求，形成了FusionDB独特的技术特色，包括集聚变数据综合管理与处理于一体的数据分析功能、数据处理方法可靠精细、计算仿真高效精确，更好地满足了聚变研究对数据的需求。

(1) 集聚变数据综合管理与处理于一体

由于核聚变研究具有“涉及学科领域多，研究问题广”等特点，现有聚变数据库系统大都为单项数据，FusionDB根据聚变研究过程将聚变核数据、材料数据、部件数据、聚变物理实验数据进行了物理和逻辑上的系统整合，提供统一数据接口，采用通用标准数据规范，为核聚变数据资源体系共享提供了基础。同时在FusionDB发展过程中，采用“先进信息技术促进核聚变研究，核聚变研究带动信息技术发展”的模式，将数据发展与特色软件处理工具并重，重点发展了基于核数据的在线多温度库处理、基于材料数据的性能挖掘以及基于可靠性数据修正的功能。

(2) 数据处理方法可靠精细

本系统在聚变核数据方面，发展了一种综合分析选取参考本底截面方法[11]，以实现聚变核数据的共振自屏效应精确修正；在聚变材料数据方面，采用改进型的极限学习机方法[32]，实现聚变堆结构材料的性能精确预测；在部件可靠性数据研究方面，采用基于改进型的K因子的修正方法，该方法基于聚变材料数据库实现高温高辐照物理环境下部件可靠性数据的精确修正[33]。

(3) 计算仿真高效精确

核模拟软件发展了基于非规则自由曲面的精准建模方法、基于过渡区的蒙特卡罗与确定论方法直接耦合方法、全空间权窗产生器(GWWG)等系列加速算法，将核模拟效率提高上千倍[21-27]。基于科学计算可视化与虚拟漫游技术，实现核模拟结果的多维多风格可视分析，并基于辐射虚拟人模型Rad-Human实现人体器官级精确剂量评估[28]。

可靠性与概率安全分析软件系统基于网络架构设计，不同用户可进行协同建模和共享资源。支持人机交互式彩色图形建模和不同格式模型的智能输入输出，计算引擎采用改进型零压缩二元决策图(Zero-suppressed Binary Decision Diagrams，ZBDD)算法，对于一般核装置规模故障树可在分钟内完成实时计算[29-31]。

2 FusionDB典型应用研究

FusionDB依托ITER、FDS聚变混合堆[34-36]和EAST等重大工程，积累了聚变领域大量实验数据，同时以FDS团队开发的核能设计与仿真软件为基础，发展了一套辅助用户分析的聚变数据计算与分析平台。FusionDB于2009年完成开发并上线连续稳定运行，其发展是科研信息化在聚变研究中的重要应用，已为80个国家科研人员提供数据支持，使用达265万人次。FusionDB用于支持聚变大科学装置以及聚变堆设计研究，因此本文研究了FusionDB在国际热核实验反应堆ITER核分析基准模型建立与评价、ITER包层结构材料性能预测和ITER可靠性分析中的应用。

2.1 ITER核分析标准模型建立与评价

在ITER核分析建模与分析中，FusionDB提供了核心工具和关键数据，同时也收录了ITER核分析过程中产生的大量有价值数据[19-20]。具体包括以下内容：

(1) ITER标准模型创建

ITER托卡马克装置结构极其复杂，如使用传统手工建模方式需耗费十余年人力。FusionDB中SuperMC实现了复杂模型自动建模与可视化验证。ITER组织基于SuperMC创建了一系列ITER三维中子学标准模型，模型范围覆盖托卡马克装置、托卡马克建筑大厅、热室大厅等众多区域，模型精度与详细工程设计一致，满足辐射安全分析需求，并已在ITER中子学设计与分析中广泛使用。ITER组织明确要求所有使用者发表相关出版物都必须书面致谢中国项目组(FDS团队)。另外，SuperMC支撑发现了原ITER核屏蔽设计中的重要错误，推动了ITER中子学设计方案的快速迭代更新与精确计算模拟[20]。

图2 ITER核分析基准模型Fig.2 Benchmark of ITER nuclear analysis

(2) ITER核计算与分析

中子学计算是ITER设计与核安全研究的重要内容。FusionDB中SuperMC软件提供了ITER中子学计算分析功能，同时混合评价核数据库HENDL也为ITER核分析提供材料成分、核素的核反应类型及其截面数据等重要参数。基于 SuperMC与HENDL，中国科学院核能安全技术研究所·FDS团队完成了十余项ITER中子学分析的工作，包括大厅辐射剂量场评估、生物屏蔽插件分析、冷却水活化、热室屏蔽、 赤道窗口屏蔽等；国际上采用 SuperMC完成内侧 TF线圈核热沉积精细评估、室内观测系统核分析及屏蔽优化、放射性废物评估等大量核分析工作。这些工作为ITER安全许可提供重要数据支持[19，20]。

2.2 ITER包层材料性能预测

ITER包层材料服役在极端温度和强辐照条件下，其性能研究不仅需要花费大量资金，且实验条件难以模拟，实验周期长。基于FusionDB 中聚变材料数据，采用机器学习方法对ITER包层材料诸如中国抗辐照低活化结构钢CLAM的拉伸性能进行了预测研究[32]，预测了CLAM钢不同Ta含量及温度下的抗拉强度、屈服强度、断面收缩率、断后伸长率等性能，并预测Ta含量(质量分数)为0.18%～0.20%的CLAM钢的综合拉伸性能更好，预测结果如图3所示。该成果为ITER包层材料性能研究提供重要参考。

图3 ITER包层材料性能预测分析Fig.3 Blanket material of ITERproperty prediction and analysis

2.3 ITER可靠性分析

RAMI(Reliability，Availability，Maintainability，Inspectability)是ITER实现技术风险控制的主要手段，其目的在于剔除聚变堆的潜在风险，提高聚变堆可靠性和可用性[37]。FusionDB支撑了ITER氦冷固态包层的RAMI分析全过程。氦冷固态包层是将要在ITER进行试验的六个包层方案之一，ITER氦冷固态包层的RAMI分析对包括包层模块，氚提取系统，氦气冷却系统，冷却剂纯化系统等子系统进行了分析。根据ITER运行计划，计算其在两年实验周期内，整体氦冷固态包层系统平均可用性达到94.69%，其可用性随时间变化关系如图4所示。RAMI分析为ITER固态包层工程设计优化提供了理论支持，提出了设计优化建议，使其可用性达到ITER工程需求[33]。

图4 固态包层可用性随时间变化曲线Fig.4 Availability and ReliabilityVS Time of DFLL TBS

3 总结与展望

以中国科学院核能安全技术研究所·FDS团队在开展先进核能系统研究和设计过程中开发的核数据库、材料数据库、可靠性数据库等为基础，在中科院信息化专项等支持下，依托ITER、EAST等聚变实验装置，研发了国际上首个包括核数据、材料数据、部件数据、聚变物理实验数据以及核计算仿真和可靠性与概率安全分析等功能的综合型聚变数据库系统FusionDB，支持聚变堆设计研究关键数据体系化管理与处理与核计算建模与仿真分析、可靠性数据分析等数据处理功能，为聚变设计研究提供有力支撑。FusionDB已成功应用于国际热核实验堆ITER、中国大科学工程全超导托克马克EAST实验装置、FDS系列聚变堆概念设计研究工作中。

图5 中国氦冷固态包层风险优化Fig.5 Risk mitigation actions for HCCB TBS

后续将采用块数据技术，通过对聚变堆各类型数据进行数据挖掘、耦合与关联分析，发现其内在规律，为ITER国际热核聚变实验堆、聚变示范反应堆DEMO等设计建造提供理论和实验数据支持。

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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，FDS 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

中国科学院信息化专项(XXH12504-1-09)，国家ITER 973配套项目2014GB1120001，核聚变装置可靠性与概率安全目标研究(2015GB116000)，产业化基金

王 芳(1986—)，女，山东人，副研究员，博士，主要从事核应急与系统工程、核能信息化研究

吴宜灿：yican.wu@fds.org.cn

TL61

A

0258-0918(2017)01-0058-07