实验课程

核能与核技术工程虚拟仿真实验教学中心下设核能工程、核技术应用两个虚拟仿真实验教学实验室，如图所示。学生可根据实验项目的要求，通过实验平台提供的仪器设备进行配置、连接、调节和使用虚拟实验仪器、软件开展实验。虚拟仿真实验类型包括验证性实验、综合性实验、设计性实验、创新性实验，对于不同专业有所差别。验证性实验项目占全部虚拟仿真教学实验项目的比例约为29%;综合性、设计性、创新性虚拟仿真实验项目占全部虚拟仿真教学实验项目的比例约为71%。

　图1 核能与核技术工程虚拟仿真实验教学中心构架

（1）反应堆物理仿真实验课程

反应堆的设计、建造价格昂贵，本体放射性强度高，属于国家核安全局和环保部严格监督审查的大型核设施；并且反应堆的启动、运行、物理参数测量具有高成本、高危险性的特点，在高校几乎不可能建造并运行。

反应堆物理仿真实验课程采用连续能量蒙卡程序MCNP等先进数值计算工具，配合《核反应堆物理分析》理论课程，为本科、研究生开设微观截面测量模拟实验、临界质量与体积模拟实验、外推临界模拟实验、脉冲源模拟实验等一批反应堆物理仿真实验（见表1）。通过以上仿真实验基本实现在临界、次临界、零功率等大型反应堆物理装置上方能开展的实验项目，使学生更好理解并掌握中子与物质相互作用、核反应、临界等反应堆物理理论知识。

表1 反应堆物理仿真实验课程

实验效果：使学生初步掌握蒙特卡罗程序MCNP的应用，在利用MCNP构建虚拟实验的过程中掌握反应堆物理实验的原理、方法，进一步加深对《反应堆物理分析》课程中有关概念、理论的理解。

图2 反应堆物理仿真实验

（2）核电厂系统与设备虚拟仿真实验课程

核电厂属于商用运行大型核设施，其系统与设备十分复杂、工艺控制要求非常严格，设计、建造价格昂贵，运行时各系统与设备具有高温、高压、高放射性的恶劣环境特点，属于国家核安全局和环保部严格监督审查的大型核设施，无法对在校学生开设实验。

核电厂系统与设备虚拟仿真实验课程，充分利用南华大学已有秦山300MW核电站一代核电模型及具有自主知识产权的2⁺代1000MW核电堆芯实物模拟体，结合南华大学与合作企业中核武汉核电运行技术股份有限公司共同研发的虚拟核电厂、虚拟反应堆堆本体、虚拟蒸汽发生器、虚拟反应堆冷却剂泵（主泵）、虚拟换料、虚拟设备定位等虚拟仿真系统，配合《核电厂系统与设备》理论课程，为本科、研究生开设压水堆核电厂系统与设备实验项目（见表2）。通过以上仿真实验基本实现只有在运行核电厂方能开展的实验项目，很好地弥补了学生难以实地开展实践教学的困难。

表2 核电厂系统与设备虚拟仿真实验课程

实验效果：（1）通过虚实结合模拟体介绍电站的厂房、设备等。实物模拟体是将电站的厂房、设备等以模型的方式进行展现；虚拟模型是通过三维交互软件/多媒体软件，真实模拟和介绍重要厂房、设备的特点和结构等。（2）核电站重要操作设备仿真操作。以核电站重要操作设备为对象，如换料机、行吊等，以三维仿真的方式，模拟设备实际工作的现场环境和设备；可通过仿真软盘台方式，建立设备操作控制盘，进行设备操作演练；可预设多种场景和故障等，增强培训效果；可仿真进行设备操作方案的设计与验证，如设备吊装路径规划等。（3）仿真模拟检修与装配。以核电站重要设备的模拟对象，通过三维建模，建立设备及检修工器具的详细三维模型；可直观了解设备组成和详细零部件结构，也可模拟设备工作状态下设备零部件动作；可按照设备检修规程，详细模拟设备拆装和检修的工作过程；可用于人员的操作演练及培训；可用于计算机仿真模拟方案验证。（4）核电站漫游培训及厂房设备定位导航。浏览核电站厂区环境与厂房布置；浏览核电站主要厂房（核岛厂房、汽轮机厂房、主控室等）的三维模型，厂房内部主 要结构和主要设备布置；通过三维导航与二维导航进行指引现场查找厂房内部任意设备所在位置。

 图3 核电厂系统与设备虚拟仿真实验图

（3）核电厂运行仿真实验课程

核电厂属于商用运行大型核设施，其运行与控制过程十分复杂，对主控室操控人员及现场操控人员的专业知识与技能具有非常高考评要求，否则将会发生由于控制运行不当而导致的严重核事故，属于国家核安全局和环保部严格监督的范畴，因此核电厂无法对在校学生开设核电厂运行实验。

核电厂运行仿真实验课程主要采用中核武汉核电运行技术股份有限公司开发的核电站教学模拟机。该模拟机选用国内二代加改进型百万千瓦级核电机组为参考机组，模拟了参考核电厂主控制室和就地控制的主要内容，使得模拟机能够完成机组启停、升降功率、设备故障和机组瞬态等工况下的运行，结合自制压水堆功率调节控制系统演示模型，配合《核电厂运行》理论课程，为本科、研究生开设压水堆的自稳性及自调性仿真、氙中毒特性仿真、点堆动力学仿真、温度效应仿真、反应堆功率控制仿真、稳压器控制仿真、蒸汽发生器工作原理仿真等一批核电厂运行仿真实验（见表3）。通过以上仿真实验基本实现只有在大型商业运行核电站启动、功率调节、控制运行、等实验项目，使学生更好理解并掌握核电厂运行、控制及负荷跟踪等关键知识点。

表3 核电厂运行仿真实验课程

实验效果：让学生能在进入核电厂相关岗位前，就能接受到良好的实践能力培养，熟悉核反应堆安全运行的两个基本任务：一是在正常运行工况下对核反应堆的启动、功率调节、停堆等进行控制，对某些参数进行必要的调节以维持反应堆的稳定运行；另外一个是在任何情况下要保持反应堆的安全停堆，并从堆芯移出热量和限制预计运行事件及事故工况的后果，确保生身及设备安全。课程所使用的教学系统（PWR仿真软件及PCTRAN软件）与核电厂的运行环境基本相同，充分保证仿真实验的实用性和有效性。

图4 核电厂运行仿真实验

（4）反应堆安全分析仿真实验课程

反应堆的设计、建造价格昂贵，本体放射性强度高，属于国家核安全局和环保部严格监督审查的大型核设施，对其开展确定论设计基准事故分析，并且在1:1设备上开展实验验证投入巨大，且有放射性物质释放的风险，因此无法对在校生开展现场实验。

反应堆安全分析仿真实验课程采用美国MST公司PCTran/CPR1000及《核反应堆安全分析》互动式网络教学平台，配合《反应堆安全分析》理论课程，为本科、研究生开设压水堆甩负荷、压水堆蒸汽发生器管道破裂、压水堆主泵失效（转子锁死）、压水堆失水、压水堆落棒、压水堆失去外电源、压水堆弹棒、压水堆安全壳内蒸汽管道破裂等事故仿真模拟实验（见表4）。通过以上仿真实验基本实现CPR1000核电厂设计基准事故的仿真与分析，较充分地实现了核电厂事故仿真实验的实用性和有效性。

表4 反应堆安全分析仿真实验课程

实验效果：通过对反应堆几种常见事故工况的模拟，并对模拟结果进行分析，理解几种事故下反应堆的运行，为学生掌握和扩展核反应堆安全相关知识提供良好的机会。

图5 反应堆安全分析仿真实验

（5）先进核能技术仿真实验课程

未来核电的发展趋势是高经济性、低放射性废物产出、核燃料的有效利用及满足国际核反恐要求，各国纷纷开展各类先进反应堆物理设计、材料、运行模拟等方面的基础研究，并力争在2030-2050年实现商业运行，目前采用的研究手段基本上都是计算和模拟仿真技术。

先进核能技术仿真实验课程利用南华大学自主开发的SIMULINK-ADS、FFDC、HARMONY等第四代核电堆芯物理仿真分析软件，结合美国MST公 司的PCTran/AP1000、PCTran/APR1400、PCTran/APWR、PCTran/MHR等仿真软件，配合《先进核能技术》理论课程，为本科、研究生开设ADS束流瞬变分析、AP1000先进核电厂非能动安全特性、压水堆APR1400丧失给水事故模拟、压水堆APWR丧失给水事故模拟、模块式氦气冷却反应堆(MHR)氦气泄露事故模拟等仿真实验（见表5）。通过以上仿真实验基本实现先进反应堆实验课程教学。

表5 先进核能技术仿真实验课程

实验效果：通过对反应堆几种常见事故工况的模拟，并对模拟结果进行分析，理解几种事故下反应堆的运行，为学生掌握和扩展核反应堆安全相关知识提供良好的机会。本仿真实验课程中所使用的PCTran/AP1000、PCTran/APR1400、PCTran /APWR、PCTran/MHR仿真软件采用的系统参数与相应堆型的实际系统参数是完全一样的，充分保证仿真实验的实用性和有效性。

图6 先进核能技术仿真实验

（6）等离子体物理仿真实验课程

可控核聚变是解决人类最终能源需求的根本途径，可控核聚变装置的设计、建造价格昂贵，启动、运行、物理参数测量具有高成本、高危险性的特点，在高校不可能建造并运行。我国现仅在中国西南物理研究院、合肥等离子体物理研究所建有这类装置开展基础研究，无法对在校学生开设实验课程。

等离子体物理仿真实验课程旨在通过等离子物理仿真实验的开设，进一步加深磁约束核聚变等离子体物理一些基本概念的理解，了解等离子体物理数值模拟计算的一般思路。目前，主要配合理论课程《等离子物理导论》，利用基于Matlab平台开发的等离子物理仿真代码，开设托卡马克等离子体环向截面位形、托卡 马克中空间磁力线 分布、带电粒子在电磁场中运动的轨迹模拟、一维静电场PIC粒子模拟等4个实验项目（见表6）。

表6 等离子体物理仿真实验课程

实验效果：加深学生对磁约束核聚变托卡马克装置的磁场位形等基本等离子体物理问题的形象理解。

图7 等离子体物理仿真物理实验

（7）核物理仿真实验课程

核物理是揭示射线与物质、粒子与粒子相互作用和能量变化的规律，需要同位素放射源、加速器、反应堆等源项装置，以及高纯锗（HPGe）、 NaI（Tl）、穆斯堡尔谱仪、正电子淹没系统等探测分析系统，这类源和设备具有价格昂贵、放射性等高危特点，无法对在校生大规模开放进行实验。

核物理仿真实验课程采用国际通用的开源蒙卡仿真计算程序包Geant4、Srim和数据分析软件包AIDA、ROOT等，配合《核辐射探测》、《核 物理实验数据处理方法》、《蒙特卡罗方法》等理论课程，为本科、研究生开设NaI(Tl)伽玛谱仪的能量分辨与响应、带电粒子的布拉格峰产生、“双臂”能谱仪、基于高能电子与靶相互作用的正电子产生、医用直线加速器系统仿真、离子在固体中的射程、剂量及辐照损伤等仿真实验（见表7），让学生通过全方位的虚拟仿真实验，更好地理解带电粒子、射线与物质相互作用的物理过程，掌握核物理实验的基本思想、基本原理和基本手段。

表7 核物理仿真实验课程

实验效果：开展核物理基础实验教学往往需借助一些大型的实验设备和系统，包括低、中、高能的粒子加速器、高功率的激光器以及先进的探测器系统。这些实验装置和测量设备的研制成本高、维护运行耗资（包括能源和试验原材料）大，而且涉及强电离辐射等，因而在大学尺度的教学实验室很难大规模展开。上述仿真实验具有物理图像准确直观可视化界面清晰、操作灵活等特点，几乎可以代替真实实验，十分有利用学生视野的开拓、知识结构的提升、综合设计和创新能力的培养。

图8 核物理仿真实验

（8）医用核技术仿真实验课程

核技术在现代医学的诊疗技术领域得到广泛应用，尤其是在肿瘤的治疗方面具有独特的作用和优势。但在肿瘤的放射治疗过程中需要使用加速器或强放射源，因其具有强放射性、设备成本高昂等特点，治疗剂量大小及分布不可能直接在患者身上直接进行实验测量，只能先通过仿真模拟计算给出。

医用核技术仿真实验课程采用从美国Philips公司引进的三维适形及调强放射治疗计划系统(教学系统)Pinnacle3、加拿大国家研究中心发 行的开源软件EGSnrc、BEAMnrc及开源软件Geant4。配合理论课程《肿瘤放射物理学》为本科、研究生开设肺癌（原发性肝癌）放疗中正向适形 与逆向调强计划的比较、鼻咽癌不同放疗计划的剂量学对比、前列腺癌的适形和调强适形放疗、不同能量的X射线在膀胱癌放疗中的剂量学比较、三维逆向调强适形放射治疗计划的设计和优化等基于医用加速器或Co-60治疗机等大型医用设备的仿真模拟实验（见表8）。本仿真实验课程中所使用的三维适形及调强放射治疗计划系统(教学系统)与医院实际使用的系统是完全一样的，保证了仿真实验的实用性和有效性。

表8 医用核技术仿真实验课程

实验效果：解决放射治疗真实实验需要医用加速器或Co-60治疗机等大型医用设备，同时避免真实实验中涉及的强电离辐射危害问题。降低了实验教学成本和实验风险。

图9 医用核技术仿真实验

（9）核仪器虚拟仿真实验课程

核仪器实验离不开对放射源的使用，因此对核仪器的原理、设计和使用开展虚拟仿真实验已逐渐成为国际上的通行做法。利用虚拟核仪器开展虚拟仿真实验不仅可以大大增多设计性、综合性和创新性实验的数量，而且可以大大减少了放射源的使用所带来的风险。

核仪器虚拟仿真实验课程采用美国NI公司的ELVIS实验平台及配套的DAQ卡PCI-6251和LabVIEW软件，配合《核电子学》、《核信号 获取与处理》等理论课程，为本科、研究生开设虚拟压力测量、虚拟仿真信号滤波、虚拟定标器、虚拟多道、虚拟液位测量、虚拟穆斯堡尔谱仪等仿真实验（见表9），让学生更好的理解这些典型核（探测）仪器的基本构成和原理，熟练掌握相应的放射性测量和数据处理方法，能使用LabVIEW开发新型核仪器仪表。

表9 核仪器虚拟仿真实验课程

实验效果：通过核仪器虚拟仿真实验的开设，在通用计算机、NIELVIS平台和LabVIEW软件支持下，自行设计构建一些典型核仪器虚拟系统方案，根据实验要求进行仿真调试，以各种形式输出检测结果，进行实时分 析，完成核数据模拟采集、分析处理、人机交互和显示等功能，可大大提高实验效率、降低实验成本、节约实验教学硬件资源，并减少了核仪器设计、测试中的放射性接触。

  图10 核仪器虚拟仿真实验

（10）核资源工程仿真实验课程

核资源的勘察、储量和铀矿山分布属于国家核心涉密内容，并且由于铀矿的成矿特点导致我国矿山大多分布在沙漠、戈壁和荒山等环境恶劣地区。基于以上特点，学生大规模进入现场进行勘探、采冶等实验工作。

采用从美国Itasca公司引进的适合于铀矿山地下采场稳定性数值仿真分析的大型三维快速拉格朗日分析软件(FLAC3D)和从长沙迪迈数码科技股份有限公司引进的适合于铀矿山可视化与数字化仿真的软件(DMINE)，配合《铀矿开采》理论课程，为本科、研究生开设铀矿山可视化与数字化仿真和铀矿山地下采场稳定性数值仿真（见表10），解决三维环境的开采设计与过程管理，达到使学生初步掌握铀矿山开采数字化设计与可视化仿真技术与方法的目的。

表10 核资源工程仿真实验课程

实验效果：铀矿山地质数据获取处理，资源估计、储量计算等开采环境评价、开采设计与过程管理是非常复杂的过程，通常需要投入大量人力、物力、财力进行处理、计算与设计，且造成工作重复开展，本系统平台高度集成核资源开发各过程的信息获取与设计，实现真三维环境的开采设计与过程管理，达到使学生初步掌握铀矿山开采数字化设计与可视化仿真技术与方法的目的。

图11 核资源工程仿真实验虚拟仿真实验