“华龙一号”软件总师李庆：从自主软件设计到数字化反应堆

长风破浪会有时，直挂云帆济沧海。“华龙一号”采用我国和国际上使用经验最丰富、安全纪录最好的压水堆堆型，其研发是在继承我国30年核电技术发展成功经验的基础上，通过引进、消化、吸收和再创新，形成“华龙一号”这一值得中国人自豪和骄傲的重大成果。

协会微信公众号推出专题报道，展现“华龙一号”的研发和建设者们数年执着坚守，把责任扛在肩上，攻坚克难，呕心沥血，潜心钻研，终于打造出闪耀着中国人智慧的“大国重器”和“国家名片”的精彩故事。

从自主软件设计到数字化反应堆

——记“华龙一号”软件总师李庆

设计核电站反应堆涉及大量计算，从初步设计开始就需要启动计算程序。中国核动力研究设计院( 以下简称“核动力院 ”)所使用的设计程序是从核潜艇陆上模式堆开始逐步开发积累起来的，直到秦山二期核电站施工开始后启用法国的设计程序和设计结果。

引进、消化、吸收、再创新，是很多领域需要走的路。中国自主化软件之路也不例外。但这其中，藏着很多“暗礁”……

▲李庆在论坛上发言

藏在数据库里的“秘密”

1997年的春天，25岁的李庆从清华大学硕士研究生毕业，进入核动力院设计所从事堆芯物理研究工作。这一年，正是核动力院开始着手自主核电设计的时候，制定了“华龙一号”前身——CNP1000包括177堆芯在内的重要技术参数。李庆的第一项工作就是参与177堆芯燃料管理系统研究。从此，他与中国自主核电研发和“华龙一号”深深牵绊在一起了。

“国内第一个177堆芯的燃料管理系统，有我的贡献。”年轻的李庆没有想太多，接到任务就埋头做，“177堆芯设计具有堆芯功率更高、线功率密度更低等优势，是既能体现经济性，又能保证安全性的优化选择。”

“拿来用，可以。拿来改，太难了。”

自主三代核电技术起源于秦山二期，很多方面都参考了法国的设计。当时的技术手段有限，对设计理念理解也不深刻。177堆芯的燃料管理系统参考法方设计，但设计出来的结果却不能满足基本的物理要求。为了找出问题，只能用笨办法——用当时的点阵打印机，把堆芯相关数据打印出来，铺了整整一屋子，最后才发现关键的反应堆堆芯反射层数据以二进制的形式被隐藏在了数据库，根本看不见。而没有这个资料，从157堆芯到177堆芯的路，多了很多坎坷。

李庆团队从源头出发，按照反应堆堆芯反射层的几何特征重新设计数据……

从know how 到 know why 的转变

1999年，大亚湾核电站开始18个月换料论证工作。包括李庆在内，核动力院现在的一批中坚力量基本上都参加了这个项目。对于他们来说，这是一个完整转变设计思想、设计理念的划时代项目。在这以前，很多事情，他们知道怎么做，但不知道为什么这样去做。

大亚湾换料论证工作，法方作为总包方，担任了指导老师的角色，中方李庆团队承担具体的工作。每一项工作，他们都要寻根究底，不仅要知道know how ，还要知道 know why。每一项工作，都有设计规程手册。但对每一项工作，出的每一份报告，李庆团队都要同时出一份计算笔记。厚厚的计算笔记详细地记录了整个工作过程，从数据的输入开始，包括在工作中的整理、反思。项目完成后，李庆积累了上千页的笔记，更重要的是，搭建了较为完整的核电设计体系。

从know how 到 know why，这批中国核动力事业的中流砥柱也从“必然王国”走向了“自由王国”。

▲李庆(中)与同事们讨论研发工作

缺失的“入场券”

“很长一段时间，我们没有需求，也没有动力去开发自主化核电软件包。”李庆直言。

2010年，中核集团拟向巴基斯坦出口两台百万千瓦级核电机组，也就是后来的卡拉奇2号、3号机组。

设计反应堆需要涉及大量计算，从初步设计开始就需要启动计算程序。但当时的设计软件都是从法国引进的，在技术转让协议中有一条非常明显的条款：只能用于中国国内核电设计。

核动力院临危受命，被要求解决这个问题。此时李庆也已成长为软件自主化项目总师。

1991年，为了提高核电设计能力，中方向法国进行了设计咨询，全套引进了法方的核电设计软件。“当时我们还花了非常大的资源和精力，将法国的设计软件在我们自己的硬件上进行适应化匹配。”李庆从前辈那里得知了其中的艰辛。当时的核动力院，还没有几台电脑，他们借用其他单位的电脑进行计算，为了保证完整的计算时间，大家都是带着被褥去的。“当时的交通不是很方便，大家去一次最少要按48个小时计算。”直到现在，对此，李庆仍记忆犹新。

其实，早在参与秦山二期投标之时，核动力院用的是自己的设计软件进行初步设计，那是从设计核潜艇陆上模式堆开始逐步开发积累下来的。只是在秦山二期施工开始后才开始启用法方的设计程序和设计结果，其作用主要是校验中方的设计程序和设计结果，差异不大。

“现在回头看，当时引进的那套软件，从理论上看并不先进。”李庆说，“但是他们有两个我们无法比拟的优势，一是计算结果精确。法国的核电站已经运行了上千个堆年，设计经验丰富，可以对软件进行大量的调试，使得计算数据和实际数据基本一致;二是功能全面。我院从核潜艇陆上模式堆积累的设计软件，其设计参数和核电站设计有所区别。法国的软件是完全根据核电站设计需求定制开发，核电设计所需的数据全部都有。”

“拿来”的软件，比我们自己的软件好用，算得精确，功能又全面。理所应当地，我们抛弃了自己的软件，转而使用更先进的法国软件。

自秦山二期后，中国设计的所有核电站使用的都是法方的软件包，一用就是近二十年。

“我们一直在用软件，而没有去开发软件。”直到核电需要出口，才发现核电设计所必需的软件包——“走出去”的入场券，在国内已缺失很久。

临危受命的艰难征程

2010年，核电出口巴基斯坦已成定局，软件自主化迫在眉睫。

2011年，“华龙一号”正式立项之时，李庆已经成长为“华龙一号”副总师，负责堆芯核设计工作。同时，作为软件自主化项目总师，李庆压力很大。核动力院作为核动力技术设计单位，一直以来只是将设计软件作为工具来应用。在2010年之前，根本没有成套的软件开发体系。没有体系、没有队伍，也不知道软件开发的工作方式。

在李庆团队的努力下，用了不到5年的时间，完成了全套软件的开发，形成了NESTOR1.0核电设计软件包。至此，核动力院建立了一套完整的软件开发体系，培养了一支能打硬仗的软件研发团队，保证了中核集团核电出口合法化。

2015年，我国首套自主核电软件包和一体化软件集成平台NESTOR在京正式发布。发布的数十个软件，已成功应用于核电站工程设计和运行管理。

2014年，李庆团队又马不停蹄地开始了软件自主化二期的研发工作。NESTOR2.0的技术水平已经和国际主流核电设计软件相当，局部达到国际先进水平。

追求完美的李庆认为，NESTOR2.0仍有需要完善的地方。2017年，他们乘胜追击，又开始了软件自主化三期研发工作。李庆团队立志要研发出国际先进、满足工程应用、成套成体系的核电设计软件。

研发工具软件一般要经历两个阶段。首先需要理论模型和试验模型，这是软件研发成功的基本保障。其次是代码的编写工作。在软件三期研发工作中，李庆团队针对模型，开始了新的攻关。

软件研发需要极大的基础投入，研发过程中每一个公式都需要做大量的试验进行验证，而核电相关试验动辄上亿，代价巨大。

“软件自主化最大的困难就是工程化应用。”回忆起这十年软件自主化走过的路，李庆感慨道。在“华龙一号”的设计过程中，李庆团队使用法国的设计软件和自主研发的NESTOR核电软件包并行做了两份报告，进行“背靠背设计”，在经历了很长一段时间“备胎”后，有效推动了自主化软件的工程化应用。

2019年，完全由我国自主设计的核电软件包已经应用于软件工程项目中。经过一年多的核电运行证明，实际数据和软件计算结果基本一致，近万个参数完全符合工程要求。这次大考，NESTOR软件包交出了一份完美的答卷。

数字化的未来

对于未来的核电设计，李庆团队拿出了“数字化反应堆”的解决方案。传统核电设计软件的主要思路是为了保证核电站的安全，设计原则保守，参数的安全裕量较高，经济性有所欠缺。数字化反应堆采用高保真计算，真实模拟出核电站的所有情况。

数字化反应堆对于核电设计工作来说，是整个设计体系的变革。传统的核电设计是串行模式，反应堆物理、系统、结构、热工水力等专业计算结果是承接的过程，每个计算的误差相加，对结果的影响比较大，不利于反应堆的经济性和运行的灵活性。数字化反应堆是并行设计的，所有专业同时计算，计算结果共同收敛，集成耦合，可以有效地消除误差，效率更高，同时使核动力性能有了跨越式的提升。

经过自主化软件研发的艰难历程，核动力院有了完整的设计团队和完善的设计体系。同时，国内对科技创新越发重视，软硬件技术日新月异，各种条件万事俱备，数字化反应堆东风已来。“我们希望以后核电设计软件和数字化反应堆可以合为一体，数字化反应堆里包含软件，软件也要发展到高精度高保真的程度。”通过先进的工具，工程师可以实现“所见即所得”。这种智能化、数字化的设计，可以提高设计能力、提升设计效率、提高设计质量、降低设计成本。对于未来，李庆充满希望，并一直奔跑在逐梦的征途上。