CN105575247A - 一种核反应堆的半实物仿真平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种核反应堆的半实物仿真平台，包括模拟反应堆壳体、多个电热管、控制系统、输入装置和显示装置，多个电热管设置于模拟反应堆壳体内，模拟核反应堆的燃料棒，控制系统通过调节电热管的工作状态来调节模拟反应堆壳体内的温度分布，输入装置和显示装置设置于模拟反应堆壳体外，控制系统通过显示输出装置反映电热管的工作状态，通过输入装置设定电热管的参数；能够实现模拟反应堆内温度不均匀分布和温度显示，与实际反应堆更相符，能够更好的模拟反应堆，更加便于理论研究和学习。

Description

一种核反应堆的半实物仿真平台

技术领域

本发明涉及核反应堆仿真技术领域，具体涉及一种核反应堆的半实物仿真平台。

背景技术

核能具有能量密度高、清洁、经济等优点，核电对于满足我国的电力需求、优化能源结构、减少环境污染、促进经济能源可持续发展具有重要的战略意义，我国当前也在大力发展核电事业，很多核电站都在规划、建设中。

随着核电的逐渐发展，多国的第四代核电站已经开始建设。核电站的基本工作原理为：燃料在核反应堆堆芯裂变产生大量的热量，在一回路中由冷却剂将热量带走并将其传递给蒸汽发生器，蒸汽发生器产生的蒸汽通过干燥器后带动汽轮机进行发电。

由于核电站的特殊性，建立一个半实物仿真平台是至关重要的，这对核反应堆进行一些简单的研究是极其方便的，而且对教学也有较大帮助。目前，已有的关于核反应堆的半实物模拟装置采用的是加热器，仍存在较多的不足，具体如下：

(1)使用单个加热管模拟核反应堆，其内部的温度场单一，并不能反映出真正核反应堆的内部温度场的情况；

(2)只有单个循环水管道通过加热器后与单个蒸汽发生器相连形成一回路；且加热器只有一个入水口，一个出水口，而实际核反应堆有多个入水口和出水口，多条循环水管道通过反应堆后与多个蒸汽发生器相连。这与实际反应堆也是不相符的，也就未能考虑到由于反应堆内部温度分布不均导致各回路水温不一致，从而导致各蒸汽发生器的产生蒸汽量不一致，这就影响了后续其他器件工作，如汽轮机、发电机的工作，以及负荷跟踪的需要等。

如果能更好地模拟出核反应堆堆芯中的温度分布不均匀，以及多个入水口和出水口的特点，势必对核电站仪表与控制系统的研究与实验提供极大的便利和推动作用。本发明考虑到在核反应堆内燃料裂变、冷却管道的分布情况等因素导致的堆内温度分布不均的状况，可以模拟出堆内各种温度分布情况，而且做出直观显示。例如径向温度分布、轴向温度分布、随机分布等。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种核反应堆的半实物仿真平台，能够实现模拟反应堆内温度不均匀分布和温度显示，与实际反应堆更相符，能够更好的模拟反应堆，更加便于理论研究和学习。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种核反应堆的半实物仿真平台，包括模拟反应堆壳体、多个电热管、控制系统、输入装置和显示装置，多个电热管设置于模拟反应堆壳体内，模拟核反应堆的燃料棒，控制系统通过调节电热管的工作状态来调节模拟反应堆壳体内的温度分布，输入装置和显示装置设置于模拟反应堆壳体外，控制系统通过显示输出装置反映电热管的工作状态，通过输入装置设定电热管的参数进而调节电热管的工作状态。

接上述技术方案，所述模拟反应堆壳体上设有的入水口和出水口组数为M，M≥2，每组出入水口可以分别与外部多个蒸汽发生器通过管道单独连接形成独立循环水回路。

接上述技术方案，模拟反应堆壳体上设有2～5组入水口和出水口。

接上述技术方案，控制系统包括微控制器、FPGA和驱动电路，微控制器和FPGA之间通过总线连接，FPGA通过驱动电路与电热管连接，产生PWM信号，根据相应通道设定电流值的大小控制输出的占空比，实现各电热管工作状态的并行控制。

接上述技术方案，所述微控制器采用单片机或DSP。

接上述技术方案，所述FPGA和驱动电路之间设有隔离电路；能够避免FPGA和驱动电路之间产生干扰，能有效的抑制系统干扰，提高系统可靠性。

接上述技术方案，所述隔离电路可以采用光电耦合隔离。

接上述技术方案，所述驱动电路包括驱动模块和功率开关管，驱动模块对功率开关管进行驱动。

接上述技术方案，功率开关管为MOSFET。

接上述技术方案，所述电热管个数为N，N≥3，分多层分布于模拟反应堆壳体内，均匀布置。

接上述技术方案，25≤N≤35。

接上述技术方案，所述输入装置和显示装置为LCD触摸屏，LCD触摸屏上可以显示电热管的工作状态，通过LCD触摸屏设定电热管的工作参数。

本发明具有以下有益效果：

1、多个电热管设置于模拟反应堆壳体内，模拟核反应堆内的燃料棒，控制系统通过设置和调节不同电热管的工作状态来实现模拟反应堆内各种温度的分布，控制系统通过显示装置反映电热管的工作状态；通过多个电热管的温度设定和调节，能够实现模拟反应堆内温度不均匀分布和温度显示，与实际反应堆更相符，能够更好的模拟反应堆，更加便于理论研究和学习。

2、多组入水口和出水口与外部的管道连接可以形成多个独立的循环水回路，每个水循环回路包括一个入水口、一个出水口和一个独立的蒸汽发生器，与实际情况更相符，不仅能够实现用户对于核反应本身建模等理论研究，也可以方便用户在此平台上对过程控制中水管压力、蒸汽发生器压力和液位、发电站中负荷跟踪以及多回路协调控制等问题上的深入研究。

附图说明

图1是本发明实施例中核反应堆的半实物仿真平台的外部结构图；

图2是本发明实施例中核反应堆的半实物仿真平台的内部结构图；

图3是本发明实施例中控制系统的结构原理图；

图4是本发明实施例中单个电热管的工作电路；

图5是本发明实施例中PWM信号的电压值；

图6是本发明实施例中MCU整体工作流程；

图7是本发明实施例中FPGA整体工作流程；

图8是本发明实施例中LCD显示的工作流程；

图9是本发明实施例中RGB取值运算表；

图中，1-MCU，2-FPGA，3-LCD触摸屏，4-驱动电路，5-整流电路，6-电热管，7-入水口，8-出水口，9-模拟反应堆壳体，10-隔离电路，11-MOSFET。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

参照图1～图2所示，本发明提供的一个实施例中的核反应堆的半实物仿真平台，包括模拟反应堆壳体9、多个电热管6、控制系统、输入装置和显示装置，多个电热管6设置于模拟反应堆壳体9内，模拟核反应堆内的燃料棒，控制系统通过设置和调节不同电热管6的工作状态来实现模拟反应堆内各种温度的分布(例如设置为径向温度分布、轴向温度分布和随机分布，并在显示装置直观的显示)，输入装置和显示装置设置于模拟反应堆壳体9外，通过输入装置设定电热管参数进而调节电热管的工作状态，控制系统通过显示装置反映电热管6的工作状态；通过多个电热管的温度设定和调节，能够实现模拟反应堆内温度不均匀分布和温度显示，与实际反应堆更相符，能够更好的模拟反应堆，更加便于理论研究和学习。

进一步地，所述模拟反应堆壳体上设有的入水口和出水口组数为M，M≥2。

进一步地，所述模拟反应堆壳体9上设有多组入水口7和出水口8，每组入水口7和出水口8对应可以和一个外部独立的蒸汽发生器，形成一个独立的水循环回路；多组入水口7和出水口8可以形成了多个独立的水循环回路，每个水循环回路包括一个入水口7、一个出水口8和一个独立的蒸汽发生器(蒸汽发生器是设置于模拟反应堆壳体9外单独的设备)；与实际反应堆更相符，鉴于实际反应堆内温度场分布不均匀，导致各处温度不一致，每个水循环回路通过反应堆之后带走的热量也不尽相同，本装置更接近实际的设计，不仅能够实现用户对于核反应本身建模等理论研究，也可以方便用户在此平台上对过程控制中水管压力、蒸汽发生器压力和液位、发电站中负荷跟踪以及多回路协调控制等问题上的深入研究。

进一步地，所述多组入水口7和出水口8沿模拟反应堆壳体9中心轴为轴线均匀分布。

进一步地，所述模拟反应堆壳体9上设有三组入水口7和出水口8，三组入水口7和出水口8沿反应堆壳体9中心轴为轴线120度分布。

进一步地，控制系统包括微控制器、FPGA2和驱动电路4，微控制器和FPGA2之间通过总线连接，产生PWM信号，根据相应通道设定电流值的大小控制输出PWM信号的占空比，实现各电热管6工作状态的并行控制。

进一步地，所述微控制器采用单片机或DSP，具体可选用MSP430、STM32，微控制器记为MCU1。

进一步地，所述FPGA2和驱动电路4之间设有隔离电路10；能够避免FPGA2和驱动电路4之间产生干扰，能有效的抑制系统干扰，提高系统可靠性。

进一步地，所述隔离电路10采用光电耦合隔离。

进一步地，所述驱动电路4包括驱动模块和功率开关管，驱动模块对功率开关管进行驱动(功率开关管可以采用MOSFET11，FPGA2通过输出的PWM信号控制MOSFET11的开通与关断实现驱动各电热管6。

进一步地，所述MOSFET11可选用IRF750A。

进一步地，所述输入装置和显示装置为LCD触摸屏3，可以显示电热管6的工作状态，通过LCD触摸屏3设定电热管6的工作参数；同时将电热管6的工作电流显示，显示其工作状态对应的颜色，如图9所示，可以采用彩色LCD触摸电容屏。

进一步地，所述LCD触摸屏3分为两部分，一部分为设置参数，另一部分为显示部分，将各电热管工作状态的变化通过颜色的变化显示出来，当电热管工作电流I在0-100％I_额变化时其对应区域显示的颜色为蓝色-绿色-黄色-红色逐渐渐变，用户可以根据需要设定各发热管的工作电流，并在LCD触摸屏3上显示。

进一步地，所述仿真平台还包括整流电路5，220V交流电经过整流电路5，给电热管6供电，整流电路5实现220V交流电AC/DC的转换，可以采用桥式整流。

进一步地，所述仿真平台采用额定电压220V，额定功率1000W的电热管6，也可以根据需要采用其他规格的电热管6。

进一步地，所述电热管6分多层分布于模拟反应堆壳体9内，均匀布置。

进一步地，所述电热管6个数可以为N＝27，27个电热管6分成3层，每层9个按规律排列，第一层编号为1.1-1.9号电热管6，第二层编号为2.1-2.9号电热管6，第三层编号为3.1-3.9号电热管6，设置编号为1.1、1.4、1.7、2.1、2.4、2.7、3.1、3.4、3.7的电热管6为第一组，设置编号为1.2、1.5、1.8、2.2、2.5、2.8、3.2、3.5、3.8的电热管6为第二组，设置编号为1.3、1.6、1.9、2.3、2.6、2.9、3.3、3.6、3.9电热管6为第三组，这三组每组内各电热管6工作电流相同，每组之间工作电流不同可以模拟核反应堆中轴向温度分布不均的情况；通过设置电热管三层中每层内各电热管6工作电流相同，每层之间工作电流不同可以模拟核反应堆中径向温度分布不均匀的情况；若无规律的设置不同的电热管6工作电流可以模拟反应堆中不规律的热量分布情况，用户可以根据研究的需要设定反应堆的温度场分布，例如使温度场正态分布、随机分布等。

进一步地，LCD触摸屏3分成两个区域，一半部分为显示区域，另一半部分为操作区域，显示区域分为27个块分别对应27个电热管6，在操作区域部分，通过各电热管6对应的调节条的左右滑动来设定其工作的电流值，显示区域将电热管6的工作状态分为四个等级，当电热管6工作电流I在0-100％I_额变化时其对应区域显示的颜色为蓝色-绿色-黄色-红色逐渐渐变，用户可以根据需要设定各发热管的工作电流，并在屏幕显示。

进一步地，LCD触摸屏3为电容屏，设置于模拟反应堆壳体9外，方便用户进行数据的设定和参数及时的变更，也能够方便的观察到各电热管6的工作状态，在进行反应堆研究时，采集反应堆内数据也是极其方便的。

进一步地，MCU为微控制器，FPGA为现场可编程门阵列，FPGA2可以采用CycloneIV，MOSFET11为金属-氧化物半导体场效应晶体管。

本发明的工作原理：如图3所示，核反应堆的半实物仿真平台包括模拟反应堆壳体9、多个电热管6、控制系统和显示装置，显示装置为LCD触摸屏3，控制系统包括MCU1、FPGA2和驱动电路4，通过按键或带触摸功能的LCD触摸屏3设置需要工作的电热管6编号以及其工作电流值，MCU1读取工作电热管6编号和电流值并对其处理后，通过总线将相应的信息发送至FPGA2中，FPGA2产生PWM信号，FPGA2控制相应通道PWM的占空比，220V交流电经过整流电路5，给电热管6供电，FPGA2输出的PWM信号通过光电耦合隔离电路10和驱动电路4后控制MOSFET11的开通与关断实现驱动各电热管6，LCD触摸屏3设定并显示27个电热管6的工作电流和工作状态。

如图4所示，单个电热管6的工作电路，通过LCD触摸屏3选定通道号并设置此电热管6的工作电流值，MCU1处理初始值后通过总线与FPGA2连接，FPGA2输出PWM信号经过光电耦合电路隔离、驱动模块至MOSFET11栅极控制MOSFET11的开通与关断；220V交流电经过桥式整流后给电热管6供电，通过控制FPGA2的输出PWM信号的占空比实现控制MOSFET11的开通与关断，达到控制电热管6工作状态的目的，LCD触摸屏3根据设定值显示这一电热管6的工作在何种等级之下，其他26个电热管6的工作电路相同。

如图5所示，PWM1、PWM2、PWM3的各自电压大小，其电压大小不一样，但是占空比都为当整个MOSFET11开通后的电阻很小，本装置中将导通后MOSFET11电阻忽略不计，则电热管6的工作电流MCU1通过设定的电流值计算出此电热管6的工作的占空比Q，并将其送至FPGA2产生相应占空比的PWM信号，通过控制MOSFET11的开通和关断，最终实现控制电热管6工作。

在具体的设计方案上，采用如下所述：

如图6所示，MCU1整体工作流程为：用户根据研究需要在LCD触摸屏3上手动设定工作电热管6的编号和其电流值，MCU1首先进行初始化，然后在LCD触摸屏3上显示各电热管6的工作状态，接下来读取通道号和电流值，将其发送至FPGA2。

如图7所示，FPGA2整体工作流程：FPGA2接收MCU1发送的通道数据和电流数据，然后根据这一通道电流值的大小来控制相应通道的PWM占空比。

如图8所示，MCU1中LCD触摸屏3的工作流程：MCU1根据设定电流值，判断工作电流I的范围，然后查表运算出控制LCD触摸屏3显示所需的RGB的取值，然后将其写入LCD触摸屏3的寄存器，最后LCD触摸屏3的显示区域显示各电热管6的工作状态。如图9所示，RGB取值运算表，其中INT()为取整函数。

以上的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种核反应堆的半实物仿真平台，其特征在于，包括模拟反应堆壳体、多个电热管、控制系统、输入装置和显示装置，多个电热管设置于模拟反应堆壳体内，模拟核反应堆的燃料棒，控制系统通过设置和调节不同电热管的工作状态来实现模拟反应堆内各种温度的分布，输入装置和显示装置设置于模拟反应堆壳体外，控制系统通过显示输出装置反映电热管的工作状态，通过输入装置设定电热管的参数。

2.根据权利要求1所述的核反应堆的半实物仿真平台，其特征在于，所述模拟反应堆壳体上设有的入水口和出水口组数为M，M≥2。

3.根据权利要求1所述的核反应堆的半实物仿真平台，其特征在于，控制系统包括微控制器、FPGA和驱动电路，微控制器和FPGA之间通过总线连接，FPGA通过驱动电路与电热管连接，产生PWM信号，根据相应通道设定电流值的大小控制输出的占空比，实现各电热管工作状态的并行控制。

4.根据权利要求3所述的核反应堆的半实物仿真平台，其特征在于，所述微控制器采用单片机或DSP。

5.根据权利要求3所述的核反应堆的半实物仿真平台，其特征在于，所述FPGA和驱动电路之间设有隔离电路，能够避免FPGA和驱动电路之间产生干扰，能有效的抑制干扰，提高体系统可靠性。

6.根据权利要求5所述的核反应堆的半实物仿真平台，其特征在于，所述隔离电路采用光电耦合隔离。

7.根据权利要求3所述的核反应堆的半实物仿真平台，其特征在于，所述驱动电路包括驱动模块和功率开关管，驱动模块对功率开关管进行驱动。

8.根据权利要求1所述的核反应堆的半实物仿真平台，其特征在于，所述电热管个数为N，N≥3，分多层分布于模拟反应堆壳体内，均匀布置。

9.根据权利要求1所述的核反应堆的半实物仿真平台，其特征在于，所述输入装置和显示装置为LCD触摸屏，LCD触摸屏上可以显示电热管的工作状态，通过LCD触摸屏设定电热管的工作参数。

10.根据权利要求9所述的核反应堆的半实物仿真平台，其特征在于，所述LCD触摸屏分为两部分，一部分为设置参数，另一部分为显示部分，将各电热管工作状态的变化通过颜色的变化显示出来。