核電廠除役之3D軟體模擬技術介紹

 

刊登日期:2021/2/5
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林昱廷、賴雅晴、黃俊琪、陳湘鳳/台灣大學機械工程學系
 
核能發電在台灣用電中占有舉足輕重的地位。由於核電廠在運作過程中會產生輻射,使有些部件受到放射性物質污染。因此當核電廠屆齡除役,並面臨拆除時,必須嚴謹地規劃每一個流程,以確保人民之安全及環境之永續。從其他國家的核電廠除役經驗來看,核電廠除役工作流程涉及了初期的3D模型建構與拆除工法模擬、表面除污、切割拆除、自動化運輸搬運、廢棄物處理等多項程序,其中3D模型建構與拆除工法模擬為除役工程的基礎。許多實際除役工程需在虛擬環境中驗證,並完成人員訓練後,才能正式實行。本研究將針對除役需求中之3D軟體模擬技術進行調查,了解目前國際上3D軟體模擬技術在核電廠除役應用之現況,以及目前國內3D軟體模擬技術的能量,以提供台灣核電廠除役規劃參考。
 
【內文精選】
概述
早期核電廠的興建大多仰賴平面紙本工程圖進行施工,因此較難直接應用於除役工程規劃與訓練。而隨著資訊科技的進步,3D軟體模擬(3D Software Simulation)技術也逐漸臻於成熟,並已成為許多國家核電廠除役(Nuclear Power Plant Decommissioning)規劃的基石。拆除工法不需透過現場試誤法,便可在3D模擬的環境中進行驗證與訓練,有助於工作人員釐清狀況,並減少工作人員輻射傷害的問題。美國的Connecticut Yankee核電廠在除役初期,就因未引進3D模擬技術,導致後續的除役作業中,實際的廢棄物遠大於預期,甚至造成預算問題,也影響工作進行。因此,若能事先應用3D軟體模擬技術,提供虛擬預覽及訓練,將有助於掌握實際除役工程的每一環節,使後續工作流程更嚴謹、更有系統,並有效改善整體核電廠的除役效率。
 
本文旨在針對國外核電廠除役工程中,3D軟體模擬技術之應用作一回顧與討論。同時也針對國內3D軟體模擬技術作一調查,期望推動我國核能電廠除役本土化。以下分別以3D環境建模、人機互動,以及3D顯示等步驟進行探討。
 
國際經驗
1. 3D環境建模
目前國際上,核設施之3D模型大多描述局部系統,較少有整個廠房的3D模型。其原因可能為工程過於龐大且複雜,並且不符合經濟與工作效益。若有整廠模型,也多是非常簡化的模型,僅用於輻射分析及人員訓練。3D環境建模方法大致有三類:使用CAD (Computer-Aided Design)軟體建模、雷射掃描點雲建模及使用平面照片建模。以下分別介紹這三種方法在核電廠除役的應用。
(1) CAD軟體建模
CAD軟體建模乃最耗時費力的方法。透過物體的平面工程圖,使用電腦軟體,人工進行3D模型製作。此方法可以得到最精準的模型資訊,但缺點為人力成本高、效率低。CAD軟體建模也可與另外兩種模型重建方法一同搭配,彌補另外兩個方法因空間或遮蔽物而無法完全重構的遺憾。
 
德國Karlsruhe核燃料再處理廠(Wiederaufarbeitungsanlage Karlsruhe; WAK)使用CADCentre公司推出的PDMS (Plant Design and Management System)軟體,重建廠房及廠內設備的模型(如圖一)。PDMS除了基本的CAD建模功能外,也可在數據庫中儲存設備資訊,並允許對其他相關資料(如輻射強度、活性濃度)分類儲存;WAK也使用MicroShield軟體估算廠內放射性核種向量(Nuclide Vector)及空間輻射劑量。
 
圖一、以PDMS軟體重建之部分WAK廠房及設施
圖一、以PDMS軟體重建之部分WAK廠房及設施
 
2. 人機互動
(1) 輻射路徑規劃
巴西Instituto de Engenharia Nuclear (IEN/CHEN)進行Argonauta研究性反應器拆除時,利用Unreal Engine2來進行虛擬環境的建立,並使用VR技術,以投影螢幕顯示,使用者配戴VR顯示器觀看,如圖八(a)所示…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
圖八、(a)投影螢幕顯示VR環境;(b)人員輻射累積顯示
圖八、(a)投影螢幕顯示VR環境;(b)人員輻射累積顯示
 
★本文節錄自《工業材料雜誌》410期,更多資料請見下方附檔。

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