堆芯中子扩散计算程序蜕变测试技术研究

论文摘要

核电“走出去”是我国的重大战略需求,堆芯核设计软件是支撑自主化核电技术“走出去”的重要组成部分,软件质量是其生命线。验证与确认(Verification&Validation,V&V)是保证软件质量的重要手段。只有经过大量、充分的验证,对于软件的正确性具有高度信心之后,确认才有意义。因此,软件正确性验证是决定堆芯核设计质量的关键因素。基准题计算是核电软件验证的主要手段。验证就是以基准题为测试用例运行程序,比较计算结果与基准题结果是否吻合,从而判断程序的正确性。为了满足测试充分性准则,验证需要大量的基准题。但是,通过搭建实验台架进行自主实验、收集实际核电厂运行数据、加入国际实验研究计划以及购买国际基准题来构建、获取所需的基准题,存在实验成本高,周期长等问题。此外,由于不同反应堆的中子能谱、几何构型、材料等不同,真正能用于特定堆型的堆芯核设计软件验证的基准题并不多。再者,对于新一代的堆芯程序的验证,由于缺乏可比较的程序,基准题数量更是偏少。上述不足将导致两个问题:其一是测试Oracle问题,即测试人员很难构造或者得到程序的预期输出来验证程序计算结果是否正确。其二是测试用例集不充分的问题。因此,上述问题导致不能发现隐藏在程序深层次的缺陷,影响正确性。为了解决上述问题,值得借鉴的是蜕变测试技术,该技术是一种基于蜕变关系验证程序正确性的测试技术,已广泛地应用于数值计算、生物信息学、机器学习等领域。该技术可以在不知道软件预期输出值的情况下,根据程序多次运行的输入模式与输出模式之间的对应关系(蜕变关系)间接地进行正确性验证;还可以在已有测试用例基础上,根据蜕变关系计算衍生得到新的测试用例进行测试。因此,该技术在解决测试Oracle问题和测试用例集充分性问题方面具有显著优势,是一种很有应用前景的测试技术,目前尚未在核电验证中开展深入研究。堆芯中子扩散程序是堆芯核设计的核心程序,通过计算求解中子扩散方程为反应堆设计和分析提供关键参数,程序计算正确性对堆芯核设计质量有着重要影响。本论文将对堆芯中子扩散计算程序蜕变测试技术及应用展开深入研究。发现或者构造蜕变关系是开展此项研究的前提及基础。因此,首先研究和揭示堆芯中子扩散方程的物理、计算模型中蕴含的蜕变关系;然后研究基于蜕变关系的基准题衍生技术;最后研究蜕变测试技术的相关应用。主要的工作如下:(1)分析堆芯中子扩散方程物理模型中已知经典的数学性质,在此基础上,利用等式变形及微扰的方法,通过数学推导到其相关推论,即程序的输入模式和输出模式偶对,从而导出物理模型蕴含的多条蜕变关系。(2)分析堆芯中子扩散方程计算模型中已知经典的数学性质,在此基础上,利用理查德森外推展开方法,通过数学推导出其相关推论,得到计算模型蕴含的多条蜕变关系。上述(1)和(2)导出的蜕变关系是一类可用于程序验证的新数学性质,也是从程序验证的新视角对物理、计算模型数学性质的重新认识。为堆芯中子扩散程序蜕变测试提供理论依据。(3)分析基于蜕变关系的测试用例衍生原理,在此基础上对蜕变关系分类,并针对基准题的特征,提出了一种基于蜕变关系的基准题衍生技术,设计基准题自动衍生求解器算法及系统。实例结果表明,该技术为程序充分性验证提供测试用例,是一种低成本,高效率的基准题衍生方法。(4)提出了一种基于蜕变关系和基准题的蜕变测试技术,并应用于堆芯扩散计算程序的验证测试。结果表明,相比较于传统的验证方法,该技术发挥已有基准题的作用,依据程序蜕变关系生成满足测试充分性准则的衍生基准题;同时,该技术也是一种适用于解决测试Oracle问题的方法。本论文的研究工作及成果将为堆芯核设计软件验证测试提供新方法和技术支持,并为推广应用到其他类似的核电设计程序的验证,具有较好的工程应用价值,对于提升自主化核电软件质量具有重要的意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景
•   1.2 核电软件V&V现状
•     1.2.1 国内外核电软件发展概况
•     1.2.2 核电软件V&V研究现状
•   1.3 堆芯核设计软件验证面临的挑战问题
•   1.4 研究目的和意义
•   1.5 课题来源及内容安排
•     1.5.1 课题来源
•     1.5.2 研究内容及章节安排
• 第2章 蜕变测试理论
•   2.1 引言
•   2.2 蜕变关系与蜕变测试
•     2.2.1 基本概念
•     2.2.2 蜕变测试步骤
•     2.2.3 蜕变关系构造（发现）
•     2.2.4 蜕变测试应用
•   2.3 堆芯核设计软件蜕变测试研究的关键问题
•     2.3.1 蜕变关系在核电软件验证中的作用
•     2.3.2 堆芯核设计软件蜕变测试的关键问题
•   2.4 本章小结
• 第3章 堆芯中子扩散方程的蜕变关系研究
•   3.1 引言
•   3.2 堆芯物理模型
•   3.3 物理模型的蜕变关系研究
•     3.3.1 基于方程经典数学性质的蜕变关系研究
•     3.3.2 基于微扰理论的蜕变关系研究
•   3.4 计算模型的蜕变关系研究
•     3.4.1 堆芯稳态多群中子本征值方程
•     3.4.2 基于理查德森外推展开方法的蜕变关系研究
•   3.5 本章小结
• 第4章 基于蜕变关系的基准题衍生技术
•   4.1 引言
•   4.2 基准题衍生技术
•     4.2.1 基准题衍生的基本原理
•     4.2.2 基准题衍生技术步骤
•     4.2.3 基准题自动衍生算法
•   4.3 基准题衍生求解器构建
•     4.3.1 定义
•     4.3.2 矩阵转置关系的基准题衍生求解器
•     4.3.3 线性关系的基准题衍生求解器
•     4.3.4 常见函数关系的基准题衍生求解器
•     4.3.5 多元关系的基准题衍生求解器
•   4.4 基准题自动衍生系统设计
•     4.4.1 整体框架
•     4.4.2 实例
•   4.5 本章小结
• 第5章 基于蜕变关系和基准题的蜕变测试技术及其应用
•   5.1 引言
•   5.2 基本定义
•   5.3 基于蜕变关系和基准题的蜕变测试验证技术
•   5.4 蜕变测试技术应用于堆芯扩散计算程序验证
•     5.4.1 堆芯中子扩散计算程序验证准备
•     5.4.2 一维双群扩散计算程序验证
•     5.4.3 二维双群扩散计算程序验证
•     5.4.4 三维堆芯扩散计算程序验证
•     5.4.5 结果分析
•   5.5 本章小结
• 第6章 总结与展望
•   6.1 总结
•   6.2 创新点
•   6.3 展望
• 附录A
• 2D₂G基准题'>  A.1 IAEA₂D₂G基准题
• 3D₂G基准题'>  A.2 PHWR₃D₂G基准题
•   A.3 DBStool系统设计说明书
•   A.4 核电软件V&V标准和规范
• 附录B
•   B.1 sin函数蜕变关系
•   B.2 行列式蜕变关系
•   B.3 元组或者简单函数的蜕变关系
• 附录C
•   C.1 公开发表的学术论文与博士学位论文的关系
• 参考文献
• 作者攻读学位期间的科研成果
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 闫仕宇

导师: 阳小华

关键词: 软件验证,蜕变测试,基准题,衍生技术,中子扩散方程

来源: 南华大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 物理学,核科学技术,电力工业

单位: 南华大学

基金: 中核集团“龙腾计划”软件自主化项目,ELEMENT和CORCA软件测试(HT-RJ-09-2014002),中央军委科技委国防科技创新特区项目,因控论中因果分层理论与描述方法研究(17016315XJ00200204),湖南省教育厅科学研究项目,基于蜕变测试的核电设计与分析软件测试研究(16C1379)

分类号: TM623;TL325

总页数: 140

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