堆芯中子扩散计算程序蜕变测试技术研究

发布时间：2020-08-14 08:17

【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(VerificationValidation,VV)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。
【学位授予单位】：南华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM623;TL325
【图文】：

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【参考文献】