核能是人类历史上的一项伟大发现，是人类最具希望的未来能源之一。虽然能源需求与环境保护之间存在紧张关系，但在许多国家已将核能发展成为经济上可行、安全和可靠的清洁能源。开发核能主要有核裂变和核聚变两条途径：一是重元素的裂变，如铀的裂变；二是轻元素的聚变，如氘、氚、锂等。重元素的裂变技术，己得到实际性应用；而轻元素聚变技术，仍在实验和研究阶段，目前不可能实现大规模和低成本发电。核聚变和核裂变过程都包括设计、分析、研发、优化、模型制造、装配和操作阶段。核裂变技术较为成熟，为了人类的利益进行了商业开发，但核裂变装置具有高温、高压和高放射性的特点，在实际应用中存在一些困难，一是所有回路系统都不可在操作阶段使用，复杂的电厂实体很难分解和显示，这导致学生、工程师和专家很难完全理解设备的真正结构；二是若通过搭建物理实验平台的方式进行研究，建设成本过高；三是最重要的一点，核裂变装置在设计、运行、维护、退役和其他阶段的审核和评估耗时且价格昂贵。

虚拟现实（VR）技术可以在核电站利用的所有阶段使用，以节省时间和降低成本。研究[1]介绍了虚拟现实技术在核裂变装置中的设计与开发，包括熔池和安全壳参数的显示界面、核电站虚拟漫游以及核电厂主回路的运行三维流程。VR技术可以创建与核电站相关的逼真和沉浸式的培训环境，培训操作员安全地执行各种任务，VR 培训允许操作员在虚拟核电站中练习各种情况，例如紧急疏散、设备操作、燃料处理、核泄漏和火灾，由于模拟环境非常逼真，它创造了高度身临其境的体验，可以教授操作员在困难情况下应该做出的正确反应。

一、虚拟现实技术概述

虚拟现实是实时三维计算机图形技术，广角（宽视野）立体显示技术，对观察者头、眼和手的跟踪技术，以及触觉／力觉反馈、立体声、网络传输、语音输入输出技术等多种技术的集合[2]，主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备等方面。模拟环境为在现实中用电脑显示动态生成的三维逼真图像，除了视觉感观，有听觉、触觉、力、运动，甚至嗅觉和味觉的多感知属性。自然技能指的是头部旋转、眼球运动、手势和其他人类的动作由计算机处理的数据，以产生对用户输入的实时响应，同时提供反馈的用户面部特征。传感设备指的是三层三维交互设备，包括立体头盔、数据手套、3D鼠标、数据服等用户穿戴的设备，如相机、地板压力传感器等安装在真实环境传感器上的设备。

Burdea G在“Virtual reality and application”中提出了虚拟现实技术的3个重要特征，即交互性(interaction)、沉浸性(immersion)和想象性(imagination)。交互性指人能够由身体所强调的动作（主要通过头盔、数据手套和数据服装）与物体在虚拟世界中以一种自然的方式进行交互或交流。沉浸感指由电脑生成的虚拟世界给人们一种身临其境的感觉。想象性指虚拟环境让用户沉浸其中，允许他们学习新知识，增强自己的感性和理性理解、强化概念，并发展新的想法。虚拟现实的关键技术包括动态环境建模技术，实时三维图形生成技术，立体显示和传感器技术，开发工具中的应用系统，以及系统集成技术。

二、虚拟现实技术在核聚变中的开发与设计

核聚变反应堆的设计和建造成本高、耗时且复杂，VR技术可以简化研发，降低项目成本，促进改善沟通，从理论上讲，利用虚拟现实技术，所有过程都可以集成到计算机模拟系统中，有利于概念设计、工程设计、接口、装配研究等，虚拟现实技术对于核聚变工程具有广阔的应用前景。

（一）在中国聚变工程试验堆项目应用

中国聚变工程试验堆（CFETR）项目于2017年12月5日在合肥正式启动工程设计，中国核聚变研究由此开启新征程。CFETR在概念设计时，研究了与虚拟现实技术的结合，尽管在工程设计过程中某些参数可能发生了变化，但概念设计阶段整个VR体系结构变化不大。

CFETR的工程设计是一个庞大而复杂的多阶段工程项目，虚拟现实平台帮助其实现从概念设计到数字模型的各个方面[1]。在工程设计阶段，需进行大量分析以确保其安全性，如计算其等离子体几何结构、稳定性、刮除层、物理设计的放电过程，以及对其电磁特性、稳定性和稳定性进行工程分析，这需要使用许多软件应用程序，产生大量数据，需要一个能够管理大量数据的系统。VR能够使用立体图像直观地显示分析，在系统中显示分析结果，实现分析与设计有效集成，充分满足了CFETR在工程设计阶段需要直观地显示分析结果，并且能够有效进行持续改进的要求。

CFETR虚拟现实平台由硬件和软件组成，硬件包括人机界面设备、力反馈控制器和立体视觉投影系统；软件包括工程设计、装配仿真、数值分析软件以及沉浸式交互系统。CFETR设备的交互显示在所有硬件和软件组件建成后完成，设计者可以通过其体验和审查CFETR的设计，并直接分析其进度，包括装配干扰[3]。CFETR工程计算结果被集成到VR系统中，热力学、电磁力、地震、核辐射和其他物理负荷计算结果不是立体投影，而是通过二维屏幕显示。通过EnSight应用程序运行物理和Ansys结果并进行后处理，然后将EnSight连接到虚拟现实系统，使设备的任何物理负载变化都能在场景中感受到[1]。例如，通过VR系统，人们可以进入真空容器，在电磁力和热载荷的作用下，感受三维的振动、应力和应变。CFETR虚拟现实平台将在四个关键方面进一步开发完善，设计修改时将设计数据从设计软件传输到虚拟现实系统，通过虚拟现实系统进行交互漫游的设计修改，通过检查界面提出修改意见；装配模拟时按编程-制造过程之前所有部件的装配路径，使用触觉装置和力反馈系统验证碰撞；VR中的接口、设计、分析、组装技术等；对所有操作员进行培训和认证。

（二）在其它核实验反应堆等中应用

目前正在建造的国际热核实验反应堆（ITER）将成为最大的核聚变反应堆，正处于组装阶段，已经建立了一个虚拟现实实验室。法国原子能委员会（CEA）建立了一个虚拟现实实验室，得益于185立体3D屏幕和与CEA LIST开发的碰撞检测软件相连的力反馈臂[4]，实现了一种新的设计和装配研究方法，力反馈系统可以在模拟装配/拆卸过程中观察系统，可以了解组件的实际尺寸和未来组装的困难，从而改进对复杂系统的分析。LIST是一个关键软件系统和技术研究中心，它的目标是开发一个虚拟系统以可视化托卡马克装置的组装/拆卸过程，并在6D力反馈臂的帮助下，测试其可行性、人机工程学和相对复杂性。

三、虚拟现实技术在核裂变中的开发与设计

（一）核电站设计与运行

利用VR可以将难以描述的复杂物理现象或物理过程使用三维虚拟现实方法更生动地显示。英国核燃料工程集团将虚拟现实技术与核电站设计联系起来 [5]，构建了一个虚拟中央控制室（CCR），对其结构和布局进行优化，在设计过程中充分考虑了人为因素。法国电力公司EDF安装了一个虚拟现实系统，用于调查核电站运行程序的设计和测试，EDF已成功模拟了反应堆厂房内的虚拟环境，工人们可以进入虚拟反应堆大楼，工程师也可以根据维护程序建议的路径在虚拟建筑周围移动；虚拟现实实验室主任HadrienLeroyer介绍，核电站的基础工作就是停堆检修和延寿，停堆一天损失上百万欧元，他们希望通过虚拟现实技术的应用来缩短停堆时间，将核电机组每一个螺母都成了虚拟空间的标示，以图像、数据、空间分局、激光扫描等方式呈现反应堆内部的情景，从而在检修前通过虚拟现实来进行模拟，将检修工作变得更为精准和省时。

CPR1000是中国广核集团推出的中国改进型百万千瓦级（1000 MW）压水堆核电技术方案，利用虚拟现实技术构建了CPR1000核电站的三维虚拟现实系统，该系统需要在计算机上建造实际的核电站。通过虚拟漫游，工人可以从第一人称和第三人称的角度体验核电站的内部结构和流程。同时，核电厂主回路操作流程可以使用VR进行三维演示，核电厂事故过程变化可以动态演示[6,7]。

（二）核电站反应堆设计

中国核电集团公司（CNPC）数字反应堆平台的虚拟系统也已正式启动，该系统由仿真软件和硬件组成，软件资源包括起重机、工装、常用工具和人体模型。中国核电工程有限公司设立了“虚拟现实工程应用实验室”，应用艺术动作捕捉设备和触觉力反馈设备等虚拟现实解决方案，已应用于华龙一号土建工程，在VR技术辅助建筑设计、客户体验和与核电智能电站结合等方面取得多项突破。

（三）核电站工作训练

桑迪亚国家实验室和新墨西哥大学的学者共同开发了一种分布式和多参与的核电站工作训练虚拟系统。温涵泳为了解决核辐射侦检训练的难题，设计并实现了一种利用虚拟现实技术进行核辐射侦检训练的方法，根据训练任务的实际需求，基于HTCVIVE虚拟现实硬件设备与Unity 3D引擎初步开发了训练系统，对 VR 环境下的核辐射侦察与检测任务需求进行了分析与设计，详细探讨了动作交互、个人累计吸收剂量报警、辐射源位置随机性等问题，系统能对核辐射侦检训练起到一定帮助作用[8]。郭栋等针对当前军队卫勤在核与辐射突发事件应急救援训练存在的训练模式单一、训练内容落后等突出问题，分析将VR-AR 技术应用于核与辐射突发事件应急救援训练的可行性，并对基于 VR-AR 技术的核与辐射突发事件应急救援训练平台的构建进行了探讨[9].

（四）严重事故及核设施退役模拟

在基于3Keymaster模拟平台研究核裂变发电厂严重事故的模拟研究中，核心分析程序为MELCOR 2.1[10]。在3Keymaster模拟平台中，通过多个接口使用MELCOR代码作为核心分析程序，严重事故模拟结果和MELCOR代码参数可通过3Keymaster模拟平台显示，允许工人直观地感受事故情况和参数。通过该平台，可以模拟各种类型的重大事故序列，实现重大事故场景的设计与验证。赵奔等针对核化工设施在退役过程中的特点，探究在使用虚拟现实进行模拟时，通过分析核设施模型的构建特点，考虑关键因素，选择合适的检测算法，提出一整套碰撞检测的策略，克服复杂的三维场景，人机交互的需求，以及实时性和精确性的问题，在保证真实性的前提下，提高检测效率[11]。

参考文献：

[1] Shijun Qin, Qingfeng Wang, Xianfeng Chen, Application of virtual reality technology in nuclear device design and research[J], Fusion Eng. Des. (161) (2020).

[2] 王观玉，周力军，杨福建主编.大学计算机[M].2019.

[3] L.I. Jiangang, Yuntao Song, L.I.U. Yong, W.an. Yuanxi, Fusion Engineering Test Reactor Main Machine Design [D], Beijing, Science Press, 2015.

[4] Arnaud Pilia, Cyril Brun, Louis Doceul, et al., Application of virtual reality tools

for assembly of WEST components: comparison between simulations and physical mockups [J], Fusion Eng. Des. (98) (2015) 1589–1592.

[5] J. Reed, C. Tunley, The application of advanced techniques in control room design and operator training [nuclear power plants], Human Factors and Power Plants,1997.Global Perspectives of Human Factors in Power Generation, Proceedings of  the 1997 IEEE Sixth Conference on (1997) age (s):3/13-3/18.

[6] Szabo Tobias, Obtaining a more realistic hydrogen distribution in the containment

by coupling MELCOR with GASFLOW [J], Nucl. Eng. Des. (2014) 269: 330-339.

[7] Pan Wu, Jianqiang Shan, Bo Zhang, Application of virtual simulation experiment in teaching of major of nuclear engineering and technology [J], Research and

Exploration in Laboratory 37 (4) (2018) 102–106.

[8]温涵泳.基于虚拟现实技术的核辐射侦检训练系统研制[J]．中华灾害救援医学，2019，7(5):279-281.

[9]郭栋，杨晓明，鱼敏.虚拟现实-增强现实技术在核与辐射突发事件应急医学救援模拟训练中的应用探讨[J]．2018，6(2):101-104.

[10] R.M. Summers, MELCOR Computer Code Manuals [R], (1995).

[11]赵奔，刘迎林，张卓．基于虚拟现实的核化工设施退役工程模拟中碰撞检测的优化浅析[J]．广东化工，2021，48(11)：78-79.