核燃料数据库系统建设研究
摘要：为实现对核燃料综合数据的管理，进行核燃料数据库系统建设，该系统以JAVA为开发语言，Eclipse为开发工具，SQLServer为后台数据库，并采用客户端/服务器（Client/Server）模式。系统包含材料性能、结构设计、工程分析、程序模型评估4大模块，存储数据包含参数、二维及三维图纸、程序输入卡、上下游设计文件等，功能包括数据查询、比较，图形分析及数据导出等，同时采用口令验证机制保障数据安全。数据库操作简单、安全实用，解决了核燃料数据存放杂乱、不易获取、更新困难等问题，方便了用户对数据的获取和分析，提高了数据利用价值。数据库系统扩展后可包含燃料制造、乏燃料跟踪与处理等模块，将成为一个覆盖燃料研发全过程的核燃料数据库系统。
关键词：核电站；核燃料；数据库；管理系统
DOI：10.11907/rjdk.172980
中图分类号：TP392
文献标识码：A文章编号：1672-7800（2018）007-0200-04
Abstract：Toachievethemanagementofnuclearfuelcomprehensivedata，wecarriedouttheconstructionoftheNuclearFuelDatabaseSystem.ThesystemisdevelopedbyJAVA，Eclipseasthedevelopmenttool，SQLServerasthebackstagedatabasemanagementsoftware.ThesustemadoptstheClient/Server（Client/Server）mode.Datastoredinsystemcanbeclassifiedintofourmodulesthatarematerialperformance，structuraldesign，engineeringanalysis，andprogrammodelevaluation.Differentkindsofdatatypeareincludedinsystem，suchasparameters，two/three-dimensionaldrawings，programinputcards，upstreamanddownstreamdesigndocumentsandsoon.Notonlydataquerycouldbeachieved，datacomparison，graphicalanalysisanddataexportcanalsobeachievedbythissystemwiththeapplicationofpasswordauthenticationmechanismwhichcanensurethedatasecurity.Databasesystemhassolvedproblemsofdatastoragedisorder，acquistionandupdatedifficulties.Thesystemimprovesthevalueofdatastorageinsystemandisconvenienttoobtainandanalyzedataforusers.Fuelmanufacturingmodule，spentfuelmoduleandotherdatamodulescouldbeincludedintheextendedsystemwhichcouldcoverthewholecycleofnuclearfuelresearchanddevelopment
KeyWords：nuclearpowerplant；nuclearfuel；database；managementsystem
0引言
20世纪80年代后期，我国的核电信息化将核电与信息技术等学科相结合，开始重视网站和数据库等方面的应用系统建设。目前已建立的数据库有核电工程材料数据库、核电工程文献数据库等[1]。燃料作为核电站反应堆的核心部分，对其中核燃料数据的分析利用也成为研究工作的重要一环[2]。核燃料数据除材料和工程数据外，还涉及生产、研究、实验以及辐照后检验等各阶段数据，这些数据对今后开展核燃料性能分析评价、核燃料设计优化与改进工作等具有重要价值。但由于这些数据现阶段尚未进行统一管理，且种类繁多、存放散乱和更新升级等原因，可能造成数据获取困难或获取错误，从而影响数据准确性与科研效率[3]。因此，建立一个包含核燃料综合数据，并以结构化形式实现管理和共享，且便于对数据进行提取和分析比较等综合应用的系统是十分必要的[4]。
中广核集團燃料中心为满足燃料研发及分析工作的需要，开展了核燃料数据库系统（NuclearFuelDatabaseSystem，NFDS）建设。系统建设中对核燃料研发、堆内外实验、自主软件研发等过程中形成的数据进行搜集、整理与分类，形成以材料性能、结构数据、工程设计、模型实验数据为主，能够实现快速查询与比较的数据库系统。同时在开发过程中设置了用户身份验证机制，在解决核燃料数据过于分散的同时，确保了整体数据的安全性。核燃料数据库系统建设在提高数据利用率的同时，也将为核电站燃料设计、程序模型评估和性能分析评价等各项工作的顺利开展提供支撑。该系统具备扩展功能，随着燃料制造、乏燃料跟踪与处置、技术资料与会议文档等模块的建设完成，最终将建设成为一个覆盖燃料研发全周期的核燃料数据库系统。
1数据库建设
1.1架构设计
由于NFDS中存放着行业关键数据，且使用中涉及大量交互，因此保障数据安全性是系统建设的关键前提。由于Client/Server对用户的操作可控，更加安全可靠，且响应速度较快，可满足数据库系统大量交互的需求，最终系统确定采用Client/Server模式进行开发[5-6]。开发语言使用JAVA，开发工具为Eclipse，将SQLServer作为后台数据库管理软件。结合用户需求，系统从客户端到服务器端划分为接入层、安全层、应用层、数据管理层和基础环境层5层架构，如图1所示。
（1）接入层。接入层即用户访问端，由此接入数据库。
（2）安全层。NFDS集中着大量数据，除通过采用Client/Server模式使数据库更安全外，还需要针对数据安全问题进一步建立保护机制。因此，在接入层之上，系统采用用户验证机制中的口令验证技术，对用户设置权限管理[7]。安全层在界面进行用户验证，在后台进行用户管理。只有已授权用户输入的账号和密码都合法，才可进入数据库系统，否则无权进入。
（3）应用层。应用层用于在界面展示数据库功能，界面设计方便实用，合法用户利用导航或选择条件进行数据查询、比较和分析等操作。实用的界面结合后台大量有价值的数据，使该系统不仅实现了数据存储，而且为核电人员学习相关业务提供了平台[8]。
（4）数据管理层。该层实现对数据的管理。管理员在后台数据库建立数据表实现对数据的存放，搜集的数据经规范化检查后可进行入库、删除、修改及备份等操作，以集中、高效地对数据进行管理和维护。
（5）基础环境层。基础环境层为数据库系统建立专用网络，并对其进行软硬件配置，不仅满足了数据的组织和存储要求，也有利于保障数据安全。
1.2模块设计
现有的核燃料数据经过收集和整理后，可分为材料参数、结构参数、工程分析算例和程序模型评估4类数据，并将对应的数据库系统分为材料数据库、结构数据库、工程分析库和模型评估库。其中材料数据库、结构数据库及模型评估库之间的关系互相独立，但分别与工程分析库呈单向相关关系，如图2所示。
1.2.1材料数据库
现阶段材料数据库以锆合金数据为主，记录锆合金及其它合金的各种性能参数。除锆合金数据外，数据库还包含各种芯块、不锈钢及中子源等材料的性能数据。性能指标参数包括力学、热物性、腐蚀、辐照和高温氧化等[9]。
材料库功能分为单一材料性能查询与多种材料性能分析两部分，在实现数据以表格形式展示的同时，也具备图形展示及函数拟合功能，以便直观得出数据趋势进行分析，且具备导出功能。材料库功能如图3所示。
在单一材料性能查询中，在材料名称搜索框输入需要查询的材料名称，即可得到该材料的理论密度、实测密度、熔点等基本信息。若需查询更多性能指标参数，可进入其性能指标查询界面，进一步查询如腐蚀性能的腐蚀增重、高温氧化的氧化膜厚度等相关信息。同时为各性能指标提供了筛选查询数据范围选项，使查询过程更快速和精确。
多种材料性能分析总体功能与单一材料性能查询相似，不同的是在图形中可同时展示多种材料的性能数据，能够直观比较材料性能间的差异。如图4所示，可同时查看3种材料在400℃下腐蚀增重随时间变化的关系。
1.2.2结构数据库
压水堆堆芯中与燃料紧密相关的结构包括核燃料组件、控制棒组件、固体可燃毒物组件、阻力塞组件以及中子源组件等[2]。在结构数据库建设中，对燃料棒、燃料组件及相关组件的各部分结构进行详细梳理，形成的整体框架设计如图5所示。
以燃料棒参数为例说明框架设计过程。为存放燃料棒芯块、包壳等参数，按照燃料组件类型→组件名称→部件名称的顺序进行归类。查询界面如图6所示，用户可依据需求依次选取组件类型→燃料棒→包壳管，最终得到相关参数信息。
同样，燃料组件和相关组件数据也可按照相同分析方法进行结构化分类，若部件内包括零件，可将具体参数存入零件类中，如燃料组件下管座部件的防异物板，其厚度、外形尺寸等参数可存放在零件信息中。通过以上对燃料结构数据的逐一归类，使数据完整且结构统一。
结构数据库的功能包括查询参数、参看图纸和比较参数3部分。库中存有二维及三维图纸，使用户能够从二维图纸中获取结构参数，从三维图纸中查看各结构的立体模型，以便多方面了解组件结构。结构库的比较功能可比较不同燃料组件各零部件参数的异同。由于燃料组件在燃料芯块性能、组件结构以及结构材料等方面都在不断改进[10]，因此该功能可将改进前后的设计情况进行对比，结果一目了然。
1.2.3工程分析库
工程分析库结合电厂应用需要，针对工程项目的分析算例，可查看多个电站不同项目的相关设计文件。其中主要包含燃料棒、燃料组件及相关组件设计，同时录入了对应项目的基本信息及安审反馈信息。数据逻辑结构如图7所示。
燃料棒分析包括3大类：燃料棒综合性能分析、燃料棒四类工况分析与PCI分析。每类均可通过项目名称和验证分类等条件查询上、下游文件及输入卡、输出文件等。上、下游文件类型涉及PDF、WORD、EXCEL等，输入卡、输出文件的類型根据分析软件不同而有所区别。例如，燃料棒性能分析软件包括COPERNIC软件与中广核自主研发的JASMINE软件，其输入卡类型分别为普通文本类型和.ini文件类型。因此，数据库设计以文本或便签页打开输入卡的方式查看输入卡。
对于燃料组件与相关组件分析，可选择项目及模型名称后得到所需的数据文件。项目基本信息存放了项目参考电站与最终的安全分析情况等，安审反馈信息可查询项目的问题单属性、内容、发函单位、审评单位等，供用户快速了解项目整体情况。
1.2.4模型评估库
自主核燃料程序为实现实际工程应用，需按照国际惯例及安审要求，利用电厂或实验数据对已开发出的核燃料设计程序进行验证，以评估程序适用范围，确保程序的可靠性。实验数据包括在国际合作项目中取得的核燃料堆内辐照性能及热室检测实验数据，为自主化核燃料程序的确认与评估提供了支撑。
程序模型评估可分为燃料棒性能分析软件综合模型评估，用于评估燃料棒性能分析软件的综合模型；燃料棒性能分析软件单项模型评估，用于评估燃料棒性能分析软件的单项模型，如热导率、泊松比等单项特性；燃料组件性能分析软件模型评估，用于评估燃料组件性能分析软件各模块功能。因此，数据库将获得的实验数据分为燃料棒性能分析软件综合模型数据、燃料棒性能分析软件单项模型数据及燃料组件性能分析软件模型数据。模型评估库结构如图8所示。
对于综合模型数据按照模型名称、燃料类型进行分类，并对实验可靠性进行判断。参数类型包括燃料棒总体参数、包壳参数、弹簧参数等，可查询所需参数值、单位及公差，以及数据来源和实验相关信息。单项模型数据按照包壳、芯块等部件进行分类，通过选择不同模型查询对应的实验信息，包括实验名称、时间、实验数据、结果和评价等。燃料组件性能分析软件模型文件提供不同软件模块中不同组件的算例输入和算例输出信息。
模型评估库除能够查看数据外，还设计了比较同一实验不同模型输入卡的功能，可将两张卡中的不同参数标红显示，以帮助用户快速进行对比分析，如图9所示。
2结语
NFDS数据库系统的建立，极大提高了核燃料数据的获取、利用效率，在确保数据整体安全性的基础上充分发挥了数据使用价值，具体表现在：①系统对大量杂乱存放的燃料数据进行系统性归类与规范性整理，对分散数据实现了集中管理；②通过口令验证登录机制，设置合法用户对数据的访问权限，提高了燃料数据的安全性；③系统除实现一般的查询功能外，针对各库数据特点，开发了多样化的数据利用方式，提高了数据使用价值。例如，材料数据库中可以图形方式展示数据，并拟合函数进行分析；结构数据库中可查看二维或三维图纸，为结构参数提供来源；模型评估库中可比较不同实验输入卡，便于用户对比实验数据等。
NFDS的最终目的是成为一个全生命周期数据库系统，可利用其扩展功能继续进行燃料制造等模块建设，并且随着今后核电研发的深入以及新型材料、结构的出现，对已有数据可继续进行完善。同时需考虑系统与外部分析工具或分析软件的接口，使其能够更加高效地发挥作用。
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（责任编辑：黄健）