专利名称：计算机辅助聚变堆概念设计系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种计算机辅助的聚变堆概念设计系统。
背景技术：
利用核聚变能是人类最终解决能源问题的一种重要途径。太阳光即是太阳中的氢核聚变释放出来的能量。核聚变的主要原料是海水中所蕴藏的用之不竭的氘，其产物是惰性气体氦，因此，核聚变既无原料短缺问题亦无核废料或核泄漏等污染问题。氢弹即是人类迄今成功利用核聚变能的一个例子，氢弹爆炸显示了核聚变的巨大威力。受控核聚变就是要人为控制核聚变规模和速度，不是要瞬间爆炸，而是要持续大量地释放能量。人类一旦能够拥有受控核聚变堆这种洁净而又安全的能源，那将永远地解决了能源问题。核聚变能源的应用前景无比广阔，几十年后核聚变堆的建造、运行和维护将成为巨大的产业。
由于先进核能系统的工程方案没有定型，新型聚变堆研究目前正处在多方案比较的概念设计阶段，从概念设计到物理设计，再到模拟仿真和方案评估，由堆芯位形建立模型，再根据模型手工编写计算所需的输入文件，计算后观察计算结果调整模型，这是一个周而复始的、耗时、耗力的全过程，计算机技术的发展为我们加速上述过程提供了物质上的可能性。
发明内容
本发明的目的是提供一种计算机辅助的聚变堆概念设计系统及方法。
计算机辅助聚变堆概念设计系统，是由多个节点通过网络连接而组成的系统，所述节点是PC机或图形工作站，所述节点至少包括建模节点，作为和用户的交流界面，作为整个系统的起点，负责为计算节点和可视化节点生成相应几何模型和物理计算模型，如有需要，接受计算节点的计算结果，并做出相应的处理，该节点由一台PC机和建模软件组成；可视化节点，对建模、计算节点的结果进行各种方式的可视化，该节点由一台具有立体显示能力的图形工作站和一台具有分屏显示能力的图形工作站组成；
控制节点，用于控制各个节点之间的信息交流和文件传输，该节点由一台PC机和控制软件组成；计算节点，从控制节点接收文件和命令，进行各种物理计算；控制节点、计算节点可以按需加入或退出，系统的体系结构是柔性的。
所述的聚变堆概念设计系统，其特征在于所述的计算节点进一步包括堆芯计算子节点，BUS计算子节点，MCNP计算子节点和经济计算子节点，可以根据实际需要再加入新的计算子节点，各个子节点均由一台PC机和相应计算软件组成。
所述的聚变堆概念设计系统，其特征在于所述的可视化节点进一步由一台具备立体显示能力的图形工作站，一台立体显示器，一套立体投影设备，包括立体投影屏幕、立体投影仪和若干幅立体眼镜，一台具备分屏显示能力的图形工作站，若干个分屏显示器以及若干个投影仪组成。
所述的聚变堆概念设计系统，其特征在于系统中除控制节点外的各个节点只与控制节点进行通信，通信采用SOCKET技术，其方式分为消息传输和文件传输两种，控制节点与其他节点间的消息通信通过使用SOCKET传输一个固定结构的结构体完成，控制节点和其他各节点间的文件传输，每次传输1K的数据包，如果文件大小大于1K，则将文件分成若干份分别发送，由接收端将接收到的数据包重新组装成完整文件。
计算机辅助聚变堆概念设计方法，是利用计算机辅助设计和可视化技术的聚变堆概念设计方法，包括a)将聚变堆概念设计的各个阶段分布到特定的节点(PC机)上，通过网络将各个节点连接起来；b)采用可视化技术，将概念设计的模型提供给设计者进行观察、漫游、比较和分析。
所述的计算机辅助聚变堆概念设计方法，其特征在于特定节点包括控制节点，建模节点，计算节点和可视化节点，所述控制节点，建模节点，计算节点是PC机，可视化节点是图形工作站，通过控制节点对系统进行统一管理，并利用可视化手段来观察、对比设计方案，从而加速聚变堆概念设计的过程，使得一个人在控制节点就可以完成一次聚变堆的概念设计，控制节点、计算节点可以按需加入或退出，系统的体系结构是柔性的，计算节点包括堆芯计算子节点，BUS计算子节点，MCNP计算子节点和经济计算子节点，并可以根据设计过程的需要再加入新的计算子节点。
所述的计算机辅助聚变堆概念设计方法，其特征在于首先堆芯计算节点根据物理领域专家给定的物理参数(线圈电流、线圈匝数等)计算出确定包层结构的四个几何参数；然后由建模节点根据四个几何参数以及初步的参数设置自动生成包层的几何模型，同时建模节点由BUS程序的计算选项自动生成BUS计算模型；BUS计算节点得到BUS计算模型后进行一维的中子物理输运计算，对模型有一个初步的确定与调整，同时将调整的参数结果反馈到建模节点，由建模节点重新建模得到较合理的模型；建模节点由MCNP程序的计算选项和BUS计算节点反馈得到的较合理模型自动生成MCNP计算模型，MCNP计算节点得到MCNP计算模型后进行三维的中子物理输运计算，对模型进行了精确的三维分析得到相关的物理参数结果；经济性评估节点根据已设计出的模型和相关缺省参数对整个托卡马克装置作了经济性方面的评价，得到了一个评价指标COE(Cost of energy)供领域专家参考；最后，模型的结果、BUS计算结果和MCNP计算结构都可以在可视化节点中得到显示，通过可视化节点对模型结果及物理计算结果的分屏显示，物理领域专家更直观地对模型进行评价从而提出修改意见最终完成托卡马克的概念设计；在整个设计过程中控制节点负责了系统中所有其它节点之间的网络通信以及控制流程。
所述的计算机辅助聚变堆概念设计方法，其特征在于，采用的可视化手段包括立体可视化和分屏可视化，采用立体可视化手段，设计人员可以对设计方案进行漫游，采用分屏可视化手段，设计人员可以对不同的设计方案进行分析和比较。
所述的计算机辅助聚变堆概念设计方法，其特征在于所述的建模节点的功能进一步包括c)保存默认参数功能和接受用户输入(修改)参数，参数包括堆芯输入参数，堆芯计算节点的返回文件，几何模型参数，材料参数(每个部件对应的材料份额)，计算选项(用于生成各个计算模型)和源项；d)使用自动参数化建模，根据几何模型参数生成几何模型；e)设置材料模型；f)生成BUS计算模型，即BUS计算节点的输入文件；g)根据BUS优化结果，调整模型；h)根据几何模型及材料信息自动生成MCNP计算模型，即MCNP计算节点的输入文件；i)生成经济计算模型，即经济计算节点的输入文件；j)生成可视化数据，VRML文件；所述的堆芯计算子节点的功能为接收建模节点生成的计算模型，利用堆芯计算优化程序COS，根据约束条件产生4个主要堆芯参数的预期值，并根据预期值，确定堆芯计算输入参数，经过搜索优化，最终得出堆芯计算程序EQ的输入参数，即线圈位置及线圈中电流，并根据输入参数确定4个堆芯参数的准确值，提供给建模节点；所述的BUS计算子节点的功能为接收建模节点生成的计算模型，利用基于多维粒子输运的多功能燃耗计算程序BUS对模型的材料进行优化，并返回BUS计算结果和优化结果，优化结果中包括对模型四个主要参数的优化和对模型材料的优化，同时，建模节点可以根据BUS计算节点返回的优化结果对模型进行重建；所述的MCNP计算子节点的功能为收建模节点生成的计算模型，并利用大型蒙特卡罗中子、光子和电子输运仿真程序MCNP进行计算，系统主要关心的计算结果为中子通量；所述的经济计算子节点的功能为收建模节点生成的计算模型，使用反应堆经济计算程序SYSCOAST计算出直接成本、间接成本及反应堆相关费用，结果提供给可视化节点。
所述的可视化节点的一般功能进一步分为k)对模型进行进行放大/缩小、任意角度旋转、平移等操作；l)手工/自动进行漫游；m)立体显示器显示立体图像；立体投影仪在投影屏幕上显示立体图象，供佩戴立体眼镜的设计人员观察；四个分屏显示器可以显示相同或不同的内容；四个投影仪将四个分屏显示器的图象投影倒墙上；n)预设保存四次结果，在立体显示器和四个分屏显示器上(或是是在立体屏幕和四个投影仪上)可以分别显示同次/不同次、同内容/不同内容的可视化信息；o)通过在立体显示器上的可视化操作，可以同步控制其四个分屏显示器的可视化；p)通过对立体屏幕上的可视化操作，可以同步控制四个投影仪的可视化。
所述的聚变堆概念设计方法，其特征在于所述的可视化节点的可视化内容包括建模可视化、堆芯计算可视化，BUS计算可视化与MCNP计算可视化四部分q)建模可视化建模可视化包括◆多次建模结果分别在立体显示器和四个分屏显示器上(或是是在立体屏幕和四个投影仪上)显示，进行对比分析，◆按不同零件对模型加以显示，◆对零件进行透明/不透明显示，
◆模型显示为本身的颜色，◆对模型进行三维空间任意切割，r)堆芯计算可视化堆芯计算可视化包括◆根据四个几何参数显示等离子体放电位形，◆根据线圈位置显示线圈，s)BUS计算可视化BUS计算可视化包括◆在四个分屏上显示原BUS系统的可视化内容，◆在立体显示屏实现能群(Energy Group)-能谱(Energy Spectrum)-网格号(MeshNumber)的三维可视化，◆BUS优化曲线可视化，◆分为计算同步可视化与计算结果可视化，计算同步可视化在BUS计算的同时进行可视化，计算结果可视化在BUS计算结束后对最终结果进行可视化，◆多次BUS计算结果分别在立体显示器和四个分屏显示器上(或是是在立体屏幕和四个投影仪上)显示，进行对比分析，◆在屏幕右上角显示可视化的内容，t)MCNP计算可视化MCNP计算可视化包括◆进行计算结果与原模型的叠加，计算结果包括栅元的通量、计算误差和多个能谱范围，◆设置10个颜色范围，根据数值到颜色的映射，显示各个栅元的颜色，◆在屏幕的右上角显示可视化内容，◆屏幕的右边显示零件名称，◆材料信息的可视化，根据不同的材料，对应零件的不同颜色，◆任意平面切割模型，精确显示模型内部结构，可以分别在四个屏幕显示不同的模型剖面，◆可以按零件显示模型，为了便于观察可以设置透明零件，◆多次MCNP计算结果分别在立体显示器和四个分屏显示器上(或是是在立体屏幕和四个投影仪上)个显示屏上显示，进行对比分析。
所述的聚变堆概念设计方法，其特征在于系统有自动和手工两种设计方式，在自动方式下，系统可以自动完成一个初步设计周期；在手工方式下，设计人员可以控制设计流程。
各个节点在位置上不需要邻近，由于internet的存在，只要一台计算机能够与控制节点建立连接，就可以作为系统的节点运行。
其中各个节点都通过网络与控制节点连接，系统由控制节点完成各个节点的消息传递和文件传输。
节点说明建模节点建模节点是用于生成几何模型和物理计算模型的节点。建模节点是整个系统的核心，充当了下列三个角色1.作为和用户的交流界面，保存系统的默认参数和接受用户的输入；2.作为整个系统的起点，负责为计算节点和可视化节点生成相应计算模型，如有需要，接受计算节点的计算结果，并做出相应的处理；3.作为整个系统的核心，负责组织和控制整个系统的执行序列；建模节点功能如下1.保存默认参数功能和接受用户输入(修改)参数的功能，参数包括a)堆芯输入参数i.聚变(中子)功率ii.中子壁负载iii.环径比iv.三角变形b)堆芯计算节点的返回文件i.几何参数文件parameterOfCore.datii.pfc线圈参数文件pfc.datc)几何模型参数i.大半径ii.小半径iii.三角变形iv.拉长比d)材料参数，每个部件对应的材料份额
e)计算选项，用于生成各个计算模型i.堆芯计算选项ii.BUS计算选项iii.MCNP计算选项iv.经济计算选项f)源项i.中子壁负载(用户输入)ii.源的能量分布(用户输入)iii.源的几何分布(从几何模型中提取)2.使用自动参数化建模，根据几何模型参数生成几何模型3.设置材料模型4.生成BUS计算模型，即BUS计算节点的输入文件5.根据BUS优化结果，调整模型，优化选项包括a)几何模型b)材料信息c)源项优化项i.源强ii.源的能量分布6.根据几何模型及材料信息自动生成MCNP计算模型，即MCNP计算节点的输入文件7.生成经济计算模型，即经济计算节点的输入文件8.生成可视化数据，VRML文件计算节点堆芯计算节点功能堆芯计算优化程序COS，是在堆芯计算程序EQ的基础上，利用遗传算法和可行解搜索法，增加了对堆芯输入参数的搜索优化。
本系统中，COS计算节点接收建模节点生成的堆芯计算模型，根据约束条件产生4个主要堆芯参数的预期值并根据预期值，确定堆芯计算输入参数；经过搜索优化，最终得出EQ的输入参数线圈位置及线圈中电流，并根据输入参数确定4个堆芯参数的准确值，提供给建模节点。BUS计算节点BUS是基于多维粒子输运的多功能燃耗计算程序，是在BISONC的基础上增加了输入数据库、标准输入输出模块、可视化模块和优化模块并做了很大的修改而得到的。BUS计算程序对反应堆的物理性能研究具有重要意义。
本系统中，BUS计算节点接收建模节点生成的BUS计算模型，对模型的材料进行优化，并返回BUS计算结果和优化结果，优化结果中包括对模型四个主要参数的优化和对模型材料的优化。建模节点可以根据BUS计算节点返回的优化结果对模型进行重建。
MCNP计算子节点MCNP是美国Los Alamos实验室应用理论物理部的蒙特卡罗小组研制的大型蒙特卡罗中子、光子和电子输运仿真程序，MCNP使用了蒙特卡罗方法来进行计算，蒙特卡罗方法又称随机模拟方法或统计试验方法，是物理学研究中计算机模拟实验的一种方法，它通过不断产生随机数序列来模拟过程。目前MCNP已经在辐射探测、反应堆物理、医学物理、地质物理等领域得到了广泛的应用，自然在反应堆数据模拟和仿真计算中充当重要的角色。本系统中，MCNP计算节点接收建模节点生成的MCNP计算模型并进行计算，系统主要关心的计算结果为中子通量。
经济计算子节点聚变能经济学主要进行聚变、混合堆等各种先进核能系统需求的经济性分析与评估，为制定其发展规划提供科学的定量依据。其主要任务是1.制订聚变能发展规划与需求的经济性论证。经济性是发展聚变能的一项重要指标。
从可持续性与经济性分析，与化石能源、可再生能源与裂变能源比较，制定聚变能发展规划与进行需求分析。
2.总成本系统分析(构件)直接成本、间接成本、应急费用和与时间相关的费用，以及这些子系统的构件；3.敏感性分析研究对总成本影响最大的物理参数与技术参数；4.单位电成本分析在一定额定输出功率条件下，比较各种反应堆发电站的电成本，以及与其他电站(化石发电站、可再生能源发电站)电成本的比较；5.优化分析a)约束条件满足一定的物理参数与技术参数约束；b)目标函数最小化电成本c)寻求使得电成本最小的最优可行的物理参数与技术参数。
经济计算节点接收建模节点生成的经济计算模型，使用反应堆经济计算程序SYSCOAST计算出直接成本、间接成本及反应堆相关费用，结果提供给可视化节点。
可视化节点可视化节点由一台具备立体显示能力的图形工作站，一台立体显示器，一套立体投影设备(立体投影屏幕、立体投影仪和10幅立体眼镜)，一台具备分屏显示能力的图形工作站，4个分屏显示器以及4个投影仪组成，该节点负责对建模、计算节点的结果进行可视化，为领域专家对聚变堆概念设计结果的研究提供方便。
一般功能◆可以进行放大/缩小、任意角度旋转、平移等操作。
◆可以手工/自动进行漫游。
◆立体显示器显示立体图像；立体投影仪在投影屏幕上显示立体图象，供佩戴立体眼镜的设计人员观察；四个分屏显示器可以显示相同或不同的内容；四个投影仪将四个分屏显示器的图象投影倒墙上。
◆预设保存四次结果，在立体显示器和四个分屏显示器上(或是是在立体屏幕和四个投影仪上)可以分别显示同次/不同次、同内容/不同内容的可视化信息。
◆通过在立体显示器上的可视化操作，可以同步控制其四个分屏显示器的可视化◆通过对立体屏幕上的可视化操作，可以同步控制四个投影仪的可视化可视化节点可以分为建模可视化、堆芯计算可视化，BUS计算可视化与MCNP计算可视化四部分建模可视化◆多次建模结果可以分别在立体显示器和四个分屏显示器上(或是是在立体屏幕和四个投影仪上)显示，进行对比分析◆按不同零件对模型加以显示◆对零件进行透明/不透明显示◆模型显示为本身的颜色◆对模型进行三维空间任意切割堆芯计算可视化◆根据四个几何参数显示等离子体放电位形◆根据线圈位置显示线圈BUS计算可视化
◆主要利用BUS系统的可视化功能，在四个分屏上显示原BUS系统的可视化内容。
◆在立体显示屏实现能群(Energy Group)-能谱(Energy Spectrum)-网格号(MeshNumber)的三维可视化◆BUS优化曲线可视化◆可以分为计算同步可视化与计算结果可视化，计算同步可视化在BUS计算的同时进行可视化，计算结果可视化在BUS计算结束后对最终结果进行可视化。
◆多次BUS计算结果可以分别在立体显示器和四个分屏显示器上(或是是在立体屏幕和四个投影仪上)显示，进行对比分析。
◆在屏幕右上角显示可视化的内容(如可视化的参数名称等)MCNP计算可视化◆可以进行计算结果与原模型的叠加，目前的计算结果包括栅元的通量、计算误差和多个能谱范围，以后可以增加。
◆设置10个颜色范围(红->蓝)，根据数值到颜色的映射，显示各个栅元的颜色。
◆在屏幕的右上角显示可视化内容(通量、计算误差和能谱)。
◆屏幕的右边显示零件名称。
◆材料信息的可视化，根据不同的材料，对应零件的不同颜色。
◆任意平面切割模型，精确显示模型内部结构，可以分别在四个屏幕显示不同的模型剖面。
◆可以按零件显示模型，为了便于观察可以设置透明零件。
◆多次MCNP计算结果可以分别在立体显示器和四个分屏显示器上(或是是在立体屏幕和四个投影仪上)个显示屏上显示，进行对比分析。
系统通信方法除控制节点外的各个节点只与控制节点进行通信，通信采用SOCKET技术，其方式分为消息传输和文件传输两种。
控制节点与其他节点间的通信通过使用SOCKET传输一个固定结构的结构体完成，与可视化节点通信所用的结构体定义如下信息
控制节点与计算节点以及建模节点的通信同样使用SOCKET传输一个固定的结构体完成，与计算、建模节点通信所用的结构体定义如下
文件系统中控制节点和其他各节点间使用SOCKET传输文件，每次传输1K的数据包，如果文件大小大于1K，则将文件分成若干份分别发送，由接收端将接收到的数据包重新组装成完整文件。
系统运行流程本计算机辅助聚变堆概念设计系统的运行流程，就是一次聚变堆概念设计的过程。每一次概念设计都是一次十分复杂的过程，既需要重新写出物理计算模型，又要调用计算程序进行计算、根据计算结果对模型进行调整。本发明的设计思想是通过网络连接将聚变堆概念设计过程中的各个功能节点连接起来，通过控制节点对其统一管理，并利用立体、分屏的可视化手段来观察、对比设计方案，从而加速聚变堆概念设计的过程，使得一个人在控制节点就可以完成一次聚变堆的概念设计。
图1为本发明的系统结构框图。
图2为系统输入界面。
图3为模型的结果图。
图4为BUS计算结果可视化的参数设置界面。
图5为BUS计算结果可视化图。
图6为MCNP计算结果可视化设置界面。
图7为MCNP计算结果可视化(四屏设置)。
图8为经济计算结果可视化。
图9为建模节点运行流程图。
图10为堆芯计算节点的运行流程图。
图11为可视化节点运行流程图。
图12是本发明涉及的系统运行流程图。
实施方式图1是本发明的计算机辅助托卡马克概念设计方法及系统的结构框图。本实施例采用了全自动的方式对托卡马克概念设计中包层模块进行完整的设计，系统包括了7个部分，分别说明如下●总控节点作为整个系统的服务器，负责所有节点间的文件传输，同时作为可视化节点的参数控制台。
●堆芯计算节点作为整个系统的源头，通过堆芯计算，得到包层建模所需要的四个几何参数大半径、小半径、三角变形、拉长比及其它相关参数如线圈位置等。
●建模节点作为和用户的交流界面，保存系统的默认参数和接受用户的输入；根据堆芯计算节点的计算结果，负责为系统中其它节点(BUS计算节点、MCNP计算节点、经济分析节点、可视化节点)生成相应计算模型，如有需要，接受计算节点的计算结果，并做出相应的处理；●BUS计算节点负责控制BUS计算程序的运行，从总控节点获得BUS计算模型并发送BUS计算结果；●MCNP计算节点负责控制MCNP计算程序的运行，从总控节点获得MCNP计算模型并发送MCNP计算结果；●经济性评估节点负责控制经济分析程序的运行，从总控节点获得经济计算模型并发送经济计算结果；●可视化节点负责相关数据的可视化，这些数据包括BUS计算结果，MCNP计算结果，建模后的模型、材料的可视化及经济计算结果；系统的整个工作流程首先堆芯计算节点根据物理领域专家给定的物理参数(线圈电流、线圈匝数等)计算出确定包层结构的四个几何参数；然后由建模节点根据四个几何参数以及初步的参数设置自动生成包层的几何模型，同时建模节点由BUS程序的计算选项自动生成BUS计算模型；BUS计算节点得到BUS计算模型后进行一维的中子物理输运计算，对模型有一个初步的确定与调整，同时将调整的参数结果反馈到建模节点，由建模节点重新建模得到较合理的模型；建模节点由MCNP程序的计算选项和BUS计算节点反馈得到的较合理模型自动生成MCNP计算模型，MCNP计算节点得到MCNP计算模型后进行三维的中子物理输运计算，对模型进行了精确的三维分析得到相关的物理参数结果；经济性评估节点根据已设计出的模型和相关缺省参数对整个托卡马克装置作了经济性方面的评价，得到了一个评价指标COE(Cost of energy)供领域专家参考；最后，模型的结果、BUS计算结果和MCNP计算结构都可以在可视化节点中得到显示，通过可视化节点对模型结果及物理计算结果的分屏显示，物理领域专家更直观地对模型进行评价从而提出修改意见最终完成托卡马克的概念设计；在整个设计过程中控制节点负责了系统中所有其它节点之间的网络通信以及控制流程。系统的整个流程具体可分为以下几个步骤1.参数输入用户输入此次FDS集成系统的初始参数(建模节点)在建模节点设置参数，参数包括以下几点，图2为输入界面图堆芯参数聚变(中子)功率、中子壁负载、环径比和三角变形；几何参数唯一确定包层几何模型的四个参数，大半径、小半径、拉长比和三角变形；材料模型确定包层各个部件的材料，指定材料名称；源项确定中子计算中“源”的相关信息；BUS计算选项确定BUS计算模型所需要的缺省设置文件；BUS优化选项确定BUS计算程序优化部分的设置文件；MCNP计算选项确定MCNP计算模型所需要的缺省设置文件；经济计算选项确定经济计算模型所需要的缺省设置文件；2.确定几何参数根据堆芯参数计算出几何参数(堆芯计算节点)由第1步中已输入的堆芯参数，堆芯计算结点会计算出建模节点所需要的正确的四个几何参数大半径、小半径、拉长比和三角变形。将计算结果存放在几何参数文件parameterOfCore.dat和pfc线圈参数文件pfc.dat中并传送给控制节点。
3.创建模型根据几何参数和材料模型创建模型(建模节点)在建模节点建立模型，模型包括几何和材料部分，即完整的包层设计模型，具有三维几何模型和相应的材料信息，图3显示了模型的结果图。同时将所有模型文件传输到总控节点，以便以后其它节点的使用，文件包括模型的所有VRML文件、栅元部件对应关系文件Cell_Part.dat和栅元材料对应关系文件MatOfCelllist.dat。
创建模型的主程序为MCAM，但在建立原始几何模型时使用了AutoCAD二次开发程序echoblanket.arx，在MCAM中将echoblanket.arx生成的模型文件转化为GeometryModel.mca文件，具体对模型的操作在MCAM中而不是AutoCAD。
4.观察模型，如果不满意则跳到“参数输入”步骤(建模节点)模型产生后在MCAM程序界面中观察模型，如果对模型不满意可以跳到第2步，修改它的几何参数和材料模型；当对模型基本满意后，同时可以在零件级局部修改包层模型中实体的材料(通过MCAM左侧的树型控件，选择需要修改的组，可以修改一个部件的材料)，对模型作小范围的改动。
5.模型的可视化(总控节点、可视化节点)在总控节点设置可视化的相关参数(选择可视化序号、需要透明/不透明显示的部件、如果需要对模型进行切割可以设置剪切平面的法向量，选择是否需要立体屏与四个分屏同步控制)，然后发送模型的所有VRML文件、栅元部件对应关系文件Cell_Part.dat和栅元材料对应关系文件MatOfCelllist.dat到可视化节点，最后由可视化节点展示模型结果。
6.材料的可视化(总控节点、可视化节点)在总控节点设置可视化的相关参数(选项同模型的可视化)，然后发送模型的所有VRML文件、栅元部件对应关系文件Cell_Part.dat和栅元材料对应关系文件MatOfCelllist.dat到可视化节点，最后由可视化节点展示根据不同的材料颜色区分的模型结果，同时在可视化节点用文字标志不同的材料。
7.建立BUS模型(建模节点)建模节点根据创建后的包层模型、BUS计算选项和源项建立BUS模型，即BUS计算节点所需要的BUS输入文件InputOfBus.dat。
BUS模型的建立采用射线法，通过指定的射线来确定BUS模型中所需要的不同分区宽度，系统提供了三种射线方式。
8.检验BUS模型(建模节点)在建模节点检验BUS模型，打开BUS模型文件InputOfBus.dat，用户可以进行检验并修改。
9.启动BUS计算(建模节点)在建模节点选择“BUS模型”控制按钮，将建立好的BUS模型文件InputOfBus.dat和BUS优化选项文件inpMoc.dat传送到总控节点。
10.BUS计算(BUS计算节点)从总控节点获得BUS模型文件InputOfBus.dat和BUS优化选项文件inpMoc.dat，在BUS计算节点进行计算，当BUS计算结束后将计算结果文件ResOfBus.dat传送到总控节点，同时总控节点将此文件直接发送给建模节点，以便建模节点根据BUS的优化结果刷新模型，如果在建模节点设置“根据BUS优化结果刷新模型”选项，此时建模节点接收到BUS优化文件ResOfBus.dat后会刷新模型，重复第3步骤“创建模型”。BUS的优化过程包含在BUS计算过程中，设置BUS优化文件后，BUS计算节点就已经负责了BUS的计算和BUS优化的全过程。BUS计算过程是一个动态步骤的过程，首先将初始化文件initial发送到总控节点，计算过程中每一步都会产生计算结果，BUS计算节点都会自动将计算结果文件nuclide，rate，flux发送至总控节点。
11.BUS计算结果的可视化(总控节点、可视化节点)在总控节点设置BUS可视化的相关参数，图4为BUS节点的输入设置。BUS计算的可视化可以是BUS计算过程的一种动态可视化，也可以是BUS计算结果的静态可视化。在BUS计算过程中每一个中间结果发送给总控节点，总控节点就会立即将此结果转发给可视化节点，由可视化节点展示BUS的计算结果。这些文件包括初始化文件initial，中间结果文件nuclide，rate，flux。图5展示了BUS计算结果的可视化图形。
12.建立MCNP模型(建模节点)建模节点根据创建后的包层模型、MCNP计算选项和源项建立MCNP模型，即MCNP计算节点所需要的MCNP输入文件MCNP.dat。
13.检验MCNP模型(建模节点)在建模节点“检验MCNP模型，打开MCNP模型文件MCNP.dat，用户可以进行检验并修改。
14.启动MCNP计算(建模节点)在建模节点选择“MCNP模型”按钮，将建立好的MCNP模型文件MCNP.dat传送到总控节点。
15.MCNP计算(MCNP计算节点)从总控节点获得MCNP模型文件MCNP.dat，在MCNP计算节点进行计算，当MCNP计算结束后将计算结果文件ResOfMCNP.dat传送到总控节点。
16.MCNP计算结果的可视化(总控节点、可视化节点)在总控节点设置可视化的相关参数(选择可视化序号、可视化内容包括总的通量、计算误差、各个能谱等、需要透明/不透明显示的部件、如果需要对模型进行切割可以设置剪切平面的法向量，选择是否需要立体屏与四个分屏同步控制，图6为MCNP计算结果的可视化设置界面)，然后发送模型的所有VRML文件、栅元部件对应关系文件Cell_Part.dat、栅元材料对应关系文件MatOfCelllist.dat(这三部分文件可在总控节点控制是否重复发送)和MCNP计算结果文件ResOfMCNP.dat到可视化节点，最后由可视化节点展示MCNP计算结果。图7展示了MCNP计算结果的可视化图形。
17.建立经济模型(建模节点)建模节点根据创建后的包层模型、经济计算选项建立经济计算模型，即经济计算节点所需要的输入文件cost.dat。
18.启动经济计算(建模节点)在建模节点选择“经济模型”按钮，将建立好的经济计算模型文件cost.dat传送到总控节点。
19.经济计算(经济计算节点)从总控节点获得经济模型文件cost.dat，在经济计算节点进行计算，计算出直接成本、间接成本及反应堆相关费用，当经济计算结束后将计算结果文件ResOfCOST.dat传送到总控节点。
20.经济计算结果的可视化(总控节点、可视化节点)在总控节点设置可视化的相关参数，然后发送经济计算结果文件ResOfCOST.dat，最后由可视化节点展示经济计算结果。图8展示了经济计算结果的可视化图形。
权利要求
1.计算机辅助聚变堆概念设计系统，是由多个节点通过网络连接而组成的系统，所述节点是PC机或图形工作站，所述节点至少包括建模节点，作为和用户的交流界面，作为整个系统的起点，负责为计算节点和可视化节点生成相应几何模型和物理计算模型，如有需要，接受计算节点的计算结果，并做出相应的处理，该节点由一台PC机和建模软件组成；可视化节点，对建模、计算节点的结果进行各种方式的可视化，该节点由一台具有立体显示能力的图形工作站和一台具有分屏显示能力的图形工作站组成；控制节点，用于控制各个节点之间的信息交流和文件传输，该节点由一台PC机和控制软件组成；计算节点，从控制节点接收文件和命令，进行各种物理计算；控制节点、计算节点可以按需加入或退出，系统的体系结构是柔性的。
2.如权利要求1所述的聚变堆概念设计系统，其特征在于所述的计算节点进一步包括堆芯计算子节点，BUS计算子节点，MCNP计算子节点和经济计算子节点，可以根据实际需要再加入新的计算子节点，各个子节点均由一台PC机和相应计算软件组成。
3.如权利要求1所述的聚变堆概念设计系统，其特征在于所述的可视化节点进一步由一台具备立体显示能力的图形工作站，一台立体显示器，一套立体投影设备，包括立体投影屏幕、立体投影仪和若干幅立体眼镜，一台具备分屏显示能力的图形工作站，若干个分屏显示器以及若干个投影仪组成。
4.如权利要求1所述的聚变堆概念设计系统，其特征在于系统中除控制节点外的各个节点只与控制节点进行通信，通信采用SOCKET技术，其方式分为消息传输和文件传输两种，控制节点与其他节点间的消息通信通过使用SOCKET传输一个固定结构的结构体完成，控制节点和其他各节点间的文件传输，每次传输1K的数据包，如果文件大小大于1K，则将文件分成若干份分别发送，由接收端将接收到的数据包重新组装成完整文件。
5.计算机辅助聚变堆概念设计方法，是利用计算机辅助设计和可视化技术的聚变堆概念设计方法，包括a)将聚变堆概念设计的各个阶段分布到特定的节点(PC机)上，通过网络将各个节点连接起来；b)采用可视化技术，将概念设计的模型提供给设计者进行观察、漫游、比较和分析。
6.如权利要求5所述的计算机辅助聚变堆概念设计方法，其特征在于特定节点包括控制节点，建模节点，计算节点和可视化节点，所述控制节点，建模节点，计算节点是PC机，可视化节点是图形工作站，通过控制节点对系统进行统一管理，并利用可视化手段来观察、对比设计方案，从而加速聚变堆概念设计的过程，使得一个人在控制节点就可以完成一次聚变堆的概念设计，控制节点、计算节点可以按需加入或退出，系统的体系结构是柔性的，计算节点包括堆芯计算子节点，BUS计算子节点，MCNP计算子节点和经济计算子节点，并可以根据设计过程的需要再加入新的计算子节点。
7.如权利要求6所述的计算机辅助聚变堆概念设计方法，其特征在于首先堆芯计算节点根据物理领域专家给定的物理参数(线圈电流、线圈匝数等)计算出确定包层结构的四个几何参数；然后由建模节点根据四个几何参数以及初步的参数设置自动生成包层的几何模型，同时建模节点由BUS程序的计算选项自动生成BUS计算模型；BUS计算节点得到BUS计算模型后进行一维的中子物理输运计算，对模型有一个初步的确定与调整，同时将调整的参数结果反馈到建模节点，由建模节点重新建模得到较合理的模型；建模节点由MCNP程序的计算选项和BUS计算节点反馈得到的较合理模型自动生成MCNP计算模型，MCNP计算节点得到MCNP计算模型后进行三维的中子物理输运计算，对模型进行了精确的三维分析得到相关的物理参数结果；经济性评估节点根据已设计出的模型和相关缺省参数对整个托卡马克装置作了经济性方面的评价，得到了一个评价指标COE(Cost of energy)供领域专家参考；最后，模型的结果、BUS计算结果和MCNP计算结构都可以在可视化节点中得到显示，通过可视化节点对模型结果及物理计算结果的分屏显示，物理领域专家更直观地对模型进行评价从而提出修改意见最终完成托卡马克的概念设计；在整个设计过程中控制节点负责了系统中所有其它节点之间的网络通信以及控制流程。
8.如权利要求5所述的计算机辅助聚变堆概念设计方法，其特征在于，采用的可视化手段包括立体可视化和分屏可视化，采用立体可视化手段，设计人员可以对设计方案进行漫游，采用分屏可视化手段，设计人员可以对不同的设计方案进行分析和比较。
9.如权利要求6所述的计算机辅助聚变堆概念设计方法，其特征在于所述的建模节点的功能进一步包括a)保存默认参数功能和接受用户输入(修改)参数，参数包括堆芯输入参数，堆芯计算节点的返回文件，几何模型参数，材料参数(每个部件对应的材料份额)，计算选项(用于生成各个计算模型)和源项；b)使用自动参数化建模，根据几何模型参数生成几何模型；c)设置材料模型；d)生成BUS计算模型，即BUS计算节点的输入文件；e)根据BUS优化结果，调整模型；f)根据几何模型及材料信息自动生成MCNP计算模型，即MCNP计算节点的输入文件；g)生成经济计算模型，即经济计算节点的输入文件；h)生成可视化数据，VRML文件；所述的堆芯计算子节点的功能为接收建模节点生成的计算模型，利用堆芯计算优化程序COS，根据约束条件产生4个主要堆芯参数的预期值，并根据预期值，确定堆芯计算输入参数，经过搜索优化，最终得出堆芯计算程序EQ的输入参数，即线圈位置及线圈中电流，并根据输入参数确定4个堆芯参数的准确值，提供给建模节点；所述的BUS计算子节点的功能为接收建模节点生成的计算模型，利用基于多维粒子输运的多功能燃耗计算程序BUS对模型的材料进行优化，并返回BUS计算结果和优化结果，优化结果中包括对模型四个主要参数的优化和对模型材料的优化，同时，建模节点可以根据BUS计算节点返回的优化结果对模型进行重建；所述的MCNP计算子节点的功能为收建模节点生成的计算模型，并利用大型蒙特卡罗中子、光子和电子输运仿真程序MCNP进行计算，系统主要关心的计算结果为中子通量；所述的经济计算子节点的功能为收建模节点生成的计算模型，使用反应堆经济计算程序SYSCOAST计算出直接成本、间接成本及反应堆相关费用，结果提供给可视化节点。所述的可视化节点的一般功能进一步分为i)对模型进行进行放大/缩小、任意角度旋转、平移等操作；j)手工/自动进行漫游；k)立体显示器显示立体图像；立体投影仪在投影屏幕上显示立体图象，供佩戴立体眼镜的设计人员观察；四个分屏显示器可以显示相同或不同的内容；四个投影仪将四个分屏显示器的图象投影倒墙上；l)预设保存四次结果，在立体显示器和四个分屏显示器上(或是是在立体屏幕和四个投影仪上)可以分别显示同次/不同次、同内容/不同内容的可视化信息；m)通过在立体显示器上的可视化操作，可以同步控制其四个分屏显示器的可视化；n)通过对立体屏幕上的可视化操作，可以同步控制四个投影仪的可视化。
10.如权利要求5所述的聚变堆概念设计方法，其特征在于所述的可视化节点的可视化内容包括建模可视化、堆芯计算可视化，BUS计算可视化与MCNP计算可视化四部分a)建模可视化建模可视化包括◆多次建模结果分别在立体显示器和四个分屏显示器上(或是是在立体屏幕和四个投影仪上)显示，进行对比分析，◆按不同零件对模型加以显示，◆对零件进行透明/不透明显示，◆模型显示为本身的颜色，◆对模型进行三维空间任意切割，b)堆芯计算可视化堆芯计算可视化包括◆根据四个几何参数显示等离子体放电位形，◆根据线圈位置显示线圈，c)BUS计算可视化BUS计算可视化包括◆在四个分屏上显示原BUS系统的可视化内容，◆在立体显示屏实现能群(Energy Group)-能谱(Energy Spectrum)-网格号(MeshNumber)的三维可视化，◆BUS优化曲线可视化，◆分为计算同步可视化与计算结果可视化，计算同步可视化在BUS计算的同时进行可视化，计算结果可视化在BUS计算结束后对最终结果进行可视化，◆多次BUS计算结果分别在立体显示器和四个分屏显示器上(或是是在立体屏幕和四个投影仪上)显示，进行对比分析，◆在屏幕右上角显示可视化的内容，d)MCNP计算可视化MCNP计算可视化包括◆进行计算结果与原模型的叠加，计算结果包括栅元的通量、计算误差和多个能谱范围，◆设置10个颜色范围，根据数值到颜色的映射，显示各个栅元的颜色，◆在屏幕的右上角显示可视化内容，◆屏幕的右边显示零件名称，◆材料信息的可视化，根据不同的材料，对应零件的不同颜色，◆任意平面切割模型，精确显示模型内部结构，可以分别在四个屏幕显示不同的模型剖面，◆可以按零件显示模型，为了便于观察可以设置透明零件，◆多次MCNP计算结果分别在立体显示器和四个分屏显示器上(或是是在立体屏幕和四个投影仪上)个显示屏上显示，进行对比分析。
全文摘要
本发明公开了一种计算机辅助聚变堆概念设计系统及方法，其系统由多个节点通过网络连接而组成的系统，所述节点是PC机或图形工作站，所述节点至少包括建模节点、可视化节点、控制节点、计算节点，控制节点、计算节点可以按需加入或退出，系统的体系结构是柔性的。其方法是将聚变堆概念设计的各个阶段分布到特定的节点(PC机)上，通过网络将各个节点连接起来；采用可视化技术，将概念设计的模型提供给设计者进行观察、漫游、比较和分析。本发明能加速聚变堆概念设计的过程，使得一个人在控制节点就可以完成一次聚变堆的概念设计。
文档编号G06F17/50GK1696940SQ20041004484
公开日2005年11月16日 申请日期2004年5月25日 优先权日2004年5月25日
发明者刘晓平, 吴宜灿, 罗月童, 刘松林 申请人:中国科学院等离子体物理研究所