模型驱动的小型模块化自然循环铅基快堆早期功能设计与验证

Model-driven Early Functional Design and Verification of Small and Modular Natural Circulation Lead-based Fast Reactors

摘要

传统基于文档的核电装备研制模式存在设计信息离散且关联性差、设计意图易产生歧义且难追溯、设计论证过程缺乏直观性与沉浸性等问题。以小型模块化自然循环铅基快堆（NCLFR）为研究对象，以其组装和拆解过程为例，将基于模型的系统工程（MBSE）方法与虚拟样机技术相结合，从需求分析、功能设计、功能验证三个方面进行了论述，基于中广核研究院自主研发的核工业领域化MBSE建模平台M-Reactor开展组装和拆解过程的需求分析和功能设计，在对NCLFR进行早期三维建模的基础上实现了系统逻辑模型与功能虚拟样机的一致映射与模型联动，验证了组装和拆解过程的完备性、正确性以及可追溯性，带给设计人员更为沉浸的设计体验以及可视化的设计论证方式，可为MBSE方法在核电装备系统设计中的应用提供参考。

Abstract

The traditional document-based nuclear power equipment development pattern had problems such as discrete and poorly correlated design information， ambiguous design intentions that were difficult to trace， and a lack of intuitiveness and immersion in the design argumentation processes. Taking the small and modular natural circulation lead-based fast reactor（NCLFR） as the research object and taking the assembly and disassembly processes as an example， the MBSE method was combined with the virtual prototype technology， and three aspects of requirement analysis， functional design， and functional verification were discussed. Based on the independently developed MBSE modeling platform M-Reactor in the China Nuclear Power Technology Research Institute Co.， Ltd.， the requirement analysis and functional design of the assembly and disassembly processes were carried out. On the basis of the early 3D modeling of the NCLFR， the consistent mapping and model linkage between the system logic model and the functional virtual prototype were achieved， verifying the completeness， correctness， and traceability of the assembly and disassembly processes， providing designers with a more immersive design experience and a visual design verification method. In this way， the results may provide a reference for the applications of the MBSE method in the systematic design of nuclear power equipment.

Graphical abstract

关键词

铅基快堆 / 基于模型的系统工程 / 功能设计与验证 / 虚拟样机

Key words

lead-based fast reactor / model-based systems engineering（MBSE） / functional design and verification / virtual prototype

0 引言

“十四五”规划明确了推动小型模块化堆等先进堆型示范和核能综合利用，意味着核能的多元化应用、多用途发展按下加速键。小型模块化堆的造价更低、建造周期更短、安全灵活性更高，能够满足直接面向用户的分布式能源系统的供电、城市供热、工业供汽和海水淡化、同位素生产等各种领域应用的需求，是实现碳达峰、碳中和目标的重要路径^［1］。近年来随着抗腐蚀材料以及氧控技术等关键技术取得突破，采用液态铅或铅铋合金冷却的铅基快堆获得了国际核能界的重视。它可以被设计成小型模块化自然循环反应堆，即采用一回路自然循环冷却技术，运行过程中不需要主循环泵等能动设备，具有结构简单、经济性好、固有安全性高等特点^［2-5］。

目前，核电多学科领域知识的复杂性、系统集成后涌现性的不可预测以及大量设计信息基于静态文档、设计变更和质量追溯困难、各专业交互不足等痛点深深阻碍着小型模块化自然循环铅基快堆的正向研制^［6-7］。国外以达索、雷神、洛克希德·马丁为代表的国防军工企业和以空客、波音、美国国家航空航天局为代表的航空航天企业通过探索并应用基于模型的系统工程（model-based systems engineering， MBSE）方法，从基于文档的研制模式转向基于模型的研制模式，逐步实现用标准化系统模型代替自然语言，建立单一数据源以破解“信息孤岛”^［8-9］。我国航空航天、能源电力、轨道交通等领域制造企业近年在新型号自主创新的驱动下积极应用MBSE方法开展产品系统设计与仿真验证，以需求驱动功能设计、逻辑架构设计、物理实体设计、全生命周期可追溯以及多专业集成仿真等典型业务场景^［10-12］。作为典型复杂装备的小型模块化自然循环铅基快堆的发展趋势变得十分明确，即规范化地应用MBSE方法从概念设计、初步设计、持续贯穿至详细设计、施工、调试、运维和退役的全生命周期各阶段，开发出符合核电装备工程需求、功能逻辑和物理特性的系统模型，支持设计早期的仿真验证，对项目未来的可施工性、可操作性、经济平衡性以及核安全进行验证和优化，最大化地规避风险、降低成本以及提升效率。系统模型可继承至下游用于物理设计、施工仿真、虚拟调试、预防性检修等，保障系统全生命周期的可追溯性，同时进化式地迭代复用^［13-15］。同时，为对铅基快堆系统设计细节、系统间的交互以及在不同场景下的功能实现情况进行可视化的展现，带给设计人员更为沉浸的设计体验以及可视化的设计论证方式，降低设计环节中论证的地理位置限制与研发成本，考虑建立与铅基快堆系统模型联动的功能虚拟样机具有重要意义^［16］。

本文以第四代核能系统——小型模块化自然循环铅基快堆（NCLFR）为研究对象，以其组装和拆解过程为例，运用现阶段先进的MBSE设计理念并结合虚拟样机技术开展模型驱动的小型模块化自然循环铅基快堆的早期功能设计与验证。以SysML语言为系统建模语言，基于中广核研究院自主研发的核工业领域化MBSE建模平台M-Reactor开展组装和拆解过程的早期功能设计，使用SolidWorks和3ds Max对铅基快堆进行早期三维建模并将三维模型导入到UE4虚幻引擎，将SysML系统模型中的功能逻辑映射到UE4虚幻引擎中，以实现组装和拆解过程的早期功能可视化验证，确保其功能设计的完备性、正确性以及可追溯性。

1 NCLFR概况

NCLFR是中广核研究院针对大型油田清洁制汽应用场景设计的先进小型模块化自然循环铅基快堆^［17］，如图1所示。NCLFR的设计热功率为40 MW，产汽量为40 t/h，其主要技术参数如表1所示。NCLFR采用区域多模块布置方式，针对特定油田厂址整体规划一系列基于NCLFR的清洁制汽装置以及一个运维中心。NCLFR具有良好的可迁移性，当完成一个生产周期（10~15年）的供汽任务后，可以通过模块化拆解、运输和组装等方式，经公路或铁路转移到另一个厂址继续生产，如图2所示。

2 基于MBSE的NCLFR早期功能设计与验证

传统反应堆的总体设计过程主要是以性能指标为线索对系统各层级进行串联，着重于反应堆的物理实现方面。尽管能够保证用户在反应堆性能参数上的要求，但现行过程缺乏功能模型，导致设计早期的系统功能逻辑验证难以实现。作为面向全新应用场景研发的第四代反应堆，NCLFR遵循“需求分析（R）-功能分析（F）-逻辑架构（L）-物理实现（P）”的正向设计流程，利用MBSE方法进行设计研发。系统模型的构建能从不同视图展现系统内部的各种层级关系，这些视图分别对应设计过程的需求分析、功能分析、逻辑架构和物理实现等步骤，通过相互依赖、反复迭代和逐次递归的设计活动构建系统信息完整链条。同时，设计人员需要对反应堆系统的设计细节、系统间的交互以及在不同场景下的系统功能实现情况进行可视化的展现，采用虚拟样机技术可以带给设计人员更为沉浸的设计体验以及可视化的设计论证方式，可以在设计早期更为直观地洞察和解决设计问题，且不需要接触到具体装置，保障了设计人员的安全，显著降低了研发成本。智能化的早期设计验证环境也为领域专家提供了新的功能设计探讨实践平台，显著提高了反应堆系统设计的效率。下文将以NCLFR的组装与拆解过程为例，对其需求分析-功能设计-功能验证过程进行详细阐述，总体流程如图3所示。

2.1 需求分析

与传统基于文档的系统工程不同，MBSE方法通过SysML建模语言的需求图来对NCLFR的组装和拆解过程的需求层次、需求之间的相互关系以及需求与其他模型元素之间的关系进行图形化表征，以对其需求进行捕获和分解，如图4所示。需求不仅是组装和拆解方案的来源和约束，也是对设计方案进行验证的最终准则。NCLFR组装和拆解过程的顶层需求是“反应堆主设备与燃料组件的检查、拆卸、安装以及处理”，可进一步分解为主设备组装与拆解、铅基冷却剂充入与排出、反应堆接收与外运、拆卸堆顶盖、安装下部构件、装载燃料组件、堆芯装配、安装上部构件、安装堆顶盖、拆除上部构件、卸载燃料组件、拆除下部构件、冷却乏燃料、贮存乏燃料、保持反应堆临界状态、保证一回路完整性等细化需求，同时建立了需求图与活动图之间的关联追溯关系。在每一层需求分解中，衍生需求在进入下一层分解之前，必须通过利益攸关者期望或较高层需求的确认。需求未能被分配到更下层或没有在更下层实现将导致设计不能够满足目标而成为无效设计，而下层需求不能被上层需求追溯将成为无法证明的超标设计。从NCLFR组装和拆解过程的需求出发，其用例图也被同步建立，如图5所示。用例图完全是站在用户的角度来描述功能，将组装和拆解过程看作黑盒，并不关心其系统内部是如何完成它所提供的功能，旨在描述利益攸关者与系统交互关系并确定系统运行边界，进而指导之后组装和拆解过程的功能设计。

2.2 功能设计

功能设计是用例分析的一种延续，重点是基于SysML建模语言的活动图对NCLFR组装和拆解过程的每个顶层功能进行功能分析，得到下一层级的功能以及功能之间的逻辑关系。功能建模主要对行为的输入输出顺序以及条件做出表达，并对其中的动作流进行定义，对逻辑分系统进行划分并将动作流分配到指定的逻辑分系统内。图6为NCLFR组装和拆解过程总体活动图，描述了反应堆接收与外运、主设备组装与拆解、燃料组件装载与卸载、铅基冷却剂充入与排出等顶层功能逻辑以及时序流程。通过对总体活动图做进一步细化分解，得到下一层级的功能以及功能之间的逻辑关系，部分子活动图见图7。具体地，①对于反应堆接收功能，主要与闸门和厂房吊机相关，其功能逻辑可表达为：打开闸门→将运输车辆上的反应堆吊到厂房内部放置→关闭闸门→竖起反应堆→将反应堆调运到堆坑里面；②对于主设备组装功能，主要与一回路系统相关，其功能逻辑可表达为：与中间换热器相连接→蒸汽发生器与供汽管道相连→连接二回路铅基冷却剂充排管道→连接一回路铅基冷却剂充排管道；③对于铅基冷却剂充入功能，主要与辅助加热系统和铅基冷却剂充排系统相关，其功能逻辑可表达为：加热二回路系统→往二回路系统注入铅基冷却剂→加热一回路系统→往反应堆注入铅基冷却剂；④对于主设备拆除与反应堆外运功能，主要与铅基冷却剂充排系统、一回路系统、厂房吊机、闸门相关，其功能逻辑可表达为：充气排出一回路铅基冷却剂→关闭一、二回路阀门→断开一、二回路连接→断开管路和电缆→吊起反应堆→将反应堆横放→将反应堆吊运到运输车辆→打开闸门→关闭闸门；⑤对于装载燃料组件功能，主要与换料系统和一回路系统相关，其功能逻辑可表达为：反应堆顶盖螺栓松开→卸载反应堆顶盖→安装反应堆堆芯→安装反应堆堆内构件→安装反应堆顶盖→反应堆顶盖螺栓锁紧→连接电气、设备冷却水、仪控接口；⑥对于卸载燃料组件功能，主要与换料系统、乏燃料贮存容器、一回路系统相关，其功能逻辑可表达为：反应堆顶盖螺栓松开→卸载反应堆顶盖→卸载燃料组件上方堆内构件→卸载乏燃料组件→贮存乏燃料→冷却乏燃料→卸载燃料组件下方堆内构件→重新装载反应堆顶盖→反应堆顶盖螺栓锁紧。通过对NCLFR组装和拆解过程的功能分析，可以进一步指导其详细设计，同时也可以在功能逻辑层面上对用户需求进行验证。

在前述功能设计的基础上，对于燃料组件装载与卸载等关键功能，将功能分配给系统元素，并构建燃料组件装载与卸载的逻辑架构模型。该模型利用内部模块图展示燃料组件装载与卸载过程中各子系统的架构信息，以及与其他使能系统的关系和接口，准确描述了系统功能和状态所涉及的子系统内部以及子系统之间的关系，如图8所示。基于逻辑架构模型可以对多种候选方案进行权衡分析，综合考虑安全性、经济性、可靠性等因素确定能够满足需求且综合性能最优的最终系统设计方案。

在MBSE实践中，实现需求图与活动图之间的追溯是确保“设计符合需求”和“需求被设计覆盖”的核心环节。传统的基于文档的系统工程实践中，追溯性是通过在Word、Excel等文档中手动建立超链接或ID引用实现的，容易过时、断裂且难以分析。在MBSE中，追溯性是模型内部元素之间定义的语义关系，人们是在链接需求图中的需求元素和活动图中的动作、输入/输出等行为元素。这种连接关系本身也作为模型数据的一部分被保存、查询和分析。从具体设计过程进行如下阐述：

1）顶层需求“SysReq1：反应堆主设备与燃料组件的检查、拆卸、安装以及处理”会通过deriveReqt（追踪关系）将子系统需求（如“SubReq1：主设备组装与拆解”“SubReq 2：卸载燃料组件”“SubReq 3：装载燃料组件”等）进行链接以建立初步追溯关系（图4），这表示子系统需求是由顶层需求推导而来的。

2）针对“SubReq 2：卸载燃料组件”创建了相应的活动图（图7f），其中定义了“卸载反应堆顶盖”“卸载燃料组件上方堆内构件”“卸载乏燃料组件”“冷却乏燃料”等一系列动作节点，同时定义这些动作的控制流和数据流，进而将整个“卸载燃料组件”活动通过Satisfy（满足关系）链接到SubReq2需求上（图4），因此形成了卸载燃料组件—Satisfy→SubReq2—deriveReqt→SysReq1的追溯链，可以清晰地看到哪个设计行为是为了满足哪条需求。

3）系统功能通常不会由一个黑盒实现，而是被分配到具体的子系统或组件，如 “换料系统”“乏燃料储存容器”“一回路系统”等模块被创建，可将“冷却乏燃料”等动作通过Allocate（分配关系）链接到“乏燃料储存容器”模块（图7f），因此形成了冷却乏燃料—Allocate→乏燃料储存容器←Satisfy—卸载燃料组件—…→SubReq2→SysReq1的追溯链扩展，此时追溯性不仅表征了为什么有这个功能，还体现了由谁来实现。

4）在验证与确认阶段，追溯性的价值得到最大体现：①覆盖率分析。设计师可以从顶层需求（如SysReq1）出发，顺着deriveReqt和Satisfy关系，正向追溯查看是否有具体的设计活动来满足它。如果找不到，则说明设计不完整，存在需求遗漏。设计师也可以从任何一个设计活动（如卸载乏燃料组件）出发，逆向查找它最终是为了满足哪个需求。如果找不到或链接的需求不合理，则说明进行了冗余设计。②变更影响分析。当需求SysReq1发生变更时，设计师可通过追溯链迅速定位到SubReq2（子系统需求可能需要调整）、卸载燃料组件上方堆内构件活动（可能需要优化活动流程，合并或并行化某些动作）、乏燃料储存容器模块（优化选型设计等）等受影响的元素。这种分析在传统基于文档的系统工程模式下极其困难，但在MBSE模型中可以通过工具的追溯视图或矩阵视图一键生成。提交后的模型变更结果以在线通知的方式推送至下游相关设计人员。这种推送机制依托于M-Reactor协同建模平台，可跟踪模型的变更历史、识别变更所影响的下游设计元素并自动确定通知对象，通过账号即时消息、协作平台更新日志等形式，推送含变更摘要、变更原因及影响范围的通知。通过这种方式，下游的设计人员可迅速了解到对他们工作可能产生影响的变更，从而及时地评估影响、调整自己的设计工作，并提供反馈。③生成验证依据。设计师可基于活动图生成测试用例，测试用例的输入/输出可直接关联到活动的参数，然后使用Verify（验证关系） 将测试用例链接回它所要验证的原始需求。

2.3 功能验证

前文利用M-Reactor系统建模软件和SysML建模语言实现了NCLFR组装和拆解过程的需求分析与功能设计，其动态行为与静态结构得到详细表征，相应系统模型可以支持组装和拆解过程功能逻辑仿真，确保功能设计的完备性、正确性以及可追溯性。然而，系统模型对组装和拆解过程的设计细节、子系统间的交互情况以及不同场景下功能实现情况的可视化展现程度仍然不足，导致在设计早期难以提前识别功能设计和接口设计中的不相容问题。为给设计人员带来更为沉浸的设计体验以及可视化的设计论证方式，降低新概念反应堆研发成本和缩短其研发周期，解决新概念反应堆设计论证环节的地理位置限制，本文提出采用联合仿真技术实现系统模型和轻量化功能虚拟样机之间的逻辑映射，可以更为直观地发现组装和拆解过程中可能存在设计缺陷或功能缺失项，从而提高早期功能设计的合理性和完备性。UE4是一款开源虚拟现实引擎，具有较为突出的虚拟装备、虚拟环境的渲染交互能力，设计人员可以通过独特的蓝图开发方式来进行研发，无需使用编程语言来撰写仿真脚本，且对虚拟场景中的事件较易触发，因此，本文选择UE4作为NCLFR组装和拆解过程连续行为场景可视化分析工具，通过获取M-Reactor系统建模软件中功能模型的逻辑原理、时序流程以及状态参数来驱动UE4中的功能虚拟样机运行。由于整个设计论证过程是需要在模型交互驱动机制下进行的，因此实现M-Reactor与UE4之间的互联互通是设计论证过程中的重点。

首先，在SolidWorks软件中构建NCLFR设计早期轻量化三维模型。由于本文聚焦于铅基快堆换料过程功能逻辑层面的验证，而不涉及性能层面的分析，因此只需要构建相对粗糙的三维模型即可，其主要尺寸参数参考先验设计并经核电专家商讨确定，三维模型的作用更多是为了对铅基快堆系统设计细节、系统间的交互以及在不同场景下的功能实现情况进行可视化的展现，带给设计人员更为沉浸的设计体验以及可视化的设计论证方式，降低设计环节中论证的地理位置限制与研发成本。根据相关规格要求确定三维模型尺寸，依次建立或选取基准面、基准轴和基准坐标系等基准特征作为模型空间定位的基准，建立拉伸、旋转、扫描、混合等基础实体特征，建立孔、倒角、肋板、拔模等工程特征，采用特征阵列和特征复制等编辑操作完善模型，如图9a所示。在此之后，将三维模型另存为STEP AP214格式文件，并将其导入3ds Max软件中进行预处理，如图9b所示，具体操作包括：①规划并调整各模型的坐标位置和轴心位置，便于后续在UE4中对模型进行控制；③优化多边形模型的建模面，减小软件的渲染负担，提高系统运行流畅程度；③为提高模型的拟真程度，根据实际设备的材料构建相应的材质，并将材质赋予相应的三维模型，通过设置不同的颜色来区分邻近的三维模型，处理完成后分别导出FBX格式文件，然后将FBX格式文件导入UE4中，如图9c所示，依次将各部件三维模型添加到虚拟场景中，在“细节”菜单中调整模型 “位置”“旋转”和“缩放”设置，使其处于合理的位置上，根据NCLFR各分系统实际功能设置相应模型的“移动性”，通过调整“物理”和“碰撞”中的设置来模拟真实世界的碰撞和重力效果。

M-Reactor系统建模软件将NCLFR组装和拆解过程的逻辑信息数据存储在本地的JSON文件中，通过在UE4中添加VictoryBPLibrary插件和VaRest插件编写逻辑信息数据读取蓝图，以实现系统模型信息的解析。将经常调用的功能（如吊机移动_x）编写为宏，方便调用和后续参数修改。最后，通过编写组装和拆解过程的功能主体蓝图，依据JSON中读取的命令依次执行各个子功能。本文以模拟吊离反应堆堆顶盖、拆除燃料组件上方堆内构件、卸载单组燃料组件等过程为例开展相关工作，可以更为直观地发现NCLFR组装和拆解过程可能存在设计缺陷或功能缺失项，保障了设计人员的安全，显著降低了研发成本。逻辑信息数据读取蓝图和功能主体蓝图分别见图10和图11，系统逻辑模型-功能虚拟样机联合仿真展示如图12所示。

3 结论

本文以小型模块化自然循环铅基快堆（NCLFR）为研究对象，以其组装和拆解过程为例，将基于模型的系统工程（MBSE）方法与虚拟样机技术相结合，从需求分析、功能设计、功能验证三个方面进行了论述，实现了系统逻辑模型与功能虚拟样机的一致映射与模型联动，确保NCLFR组装与拆解过程功能设计的完备性、正确性以及可追溯性，能带给设计人员更为沉浸的设计体验以及可视化的设计论证方式，可为MBSE方法在核电装备系统设计中的应用提供参考。

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基金资助

贵州省基础研究计划(黔科合基础MS［2026］195)

贵州大学自然科学类专项（特岗）科研基金(贵大特岗合字（2025）13号)