CN115662664A - 基于核热耦合模拟的自然循环稳定运行装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种基于核热耦合模拟的自然循环稳定运行装置及控制方法，其中装置包括：反应堆模拟体、蒸汽发生器模拟体、主泵模拟体和稳压器；稳压器，用于一回路内稳压；反应堆模拟体，用于模拟根据一回路的冷却剂温度自动调节功率的热源，以实现自然循环的稳定运行；蒸汽发生器模拟体，用于模拟冷源；主泵模拟体，用于试验装置启动过程中驱动冷却剂循环；冷却剂根据管道内的冷热流体重位差驱动，在管道中流动，以实现自然循环。本申请实施例，在自然循环运行模式下，根据核热耦合模拟器计算反应性变化并调整反应堆模拟体内电加热元件加载电压，模拟核反应堆核释热，利用核热耦合的负反馈特性实现自然循环的稳定运行。
Description
技术领域
本申请属于反应堆热工水力技术领域，尤其涉及一种基于核热耦合模拟的自然循环稳定运行装置及控制方法。
背景技术
反应堆热工水力学在核反应堆工程中起着十分重要的作用。核反应堆，又称为原子能反应堆或反应堆，是能维持可控自持链式核裂变反应，以实现核能利用的装置。
由于核反应堆能够产生巨大的能量，为有效利用核能，研究人员研发了反应堆模拟试验系统，用于模拟核反应堆的反应过程。但是，现有的反应堆模拟试验系统不能真实模拟反应堆自然循环。
发明内容
本申请实施例提供一种基于核热耦合模拟的自然循环稳定运行装置及控制方法，解决了现有反应堆模拟试验装置不能模拟自然循环运行的问题。
一方面，本申请实施例提供了一种基于核热耦合模拟的自然循环稳定运行装置，其特征在于， 所述自然循环稳定运行装置包括：构成一回路的反应堆模拟体、蒸汽发生器模拟体、主泵模拟体和稳压器；所述一回路的管道内放置有冷却剂；
所述稳压器，用于一回路内稳压；
所述反应堆模拟体，用于模拟根据一回路的冷却剂温度自动调节功率的热源，以实现自然循环的稳定运行；
所述蒸汽发生器模拟体，用于模拟冷源；
所述主泵模拟体，用于试验装置启动过程中驱动冷却剂循环；
在循环模式为自然循环的情况下，所述冷却剂根据管道内的冷热流体重位差驱动，在所述管道中流动，以实现自然循环。
在一种可能的实现方式中，所述反应堆模拟体还包括：构成二回路的冷凝器和二回路给水泵；
所述反应堆模拟体的二回路出口通过管道与所述冷凝器的入口连通，所述冷凝器的出口通过管道与所述二回路给水泵的入口连通，所述二回路给水泵的出口通过管道与所述反应堆模拟体的二回路入口连通。
在一种可能的实现方式中，所述反应堆模拟体包括：核热耦合模拟器和电加热元件；
所述核热耦合模拟器与所述电加热元件连接，控制所述电加热元件的电压。
在一种可能的实现方式中，所述自然循环稳定运行装置还包括：止回阀；
所述止回阀设置在所述主泵模拟体的入口，用于防止管道中的冷却剂回流。
在一种可能的实现方式中，所述自然循环稳定运行装置还包括：流量计；两个流量计分别设置在一回路和二回路上；
所述自然循环稳定运行装置还包括：压力传感器；所述压力传感器设置在所述主泵模拟体的入口；
所述自然循环稳定运行装置还包括：温度传感器；
两个所述温度传感器分别设置在所述反应堆模拟体的一回路入口和一回路出口。
另一方面，本申请实施例提供了一种基于核热耦合模拟的自然循环稳定运行装置的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：
在循环模式为自然循环的情况下，反应堆模拟体执行以下操作，以在自然循环中建立冷却剂温度与电加热功率之间的负反馈关系，抑制热工参数的波动，保证自然循环工况稳定运行：
根据热工参数计算总反应性；
根据所述总反应性和点堆方程计算核功率；
根据所述核功率确定目标电压，根据所述目标电压调整所述电加热元件的电压。
在一种可能的实现方式中，在循环模式为自然循环之前，所述控制方法还包括：
启动稳压器和蒸汽发生器模拟体，当稳压器内压力达到预设主泵启动压力阈值时，启动主泵模拟体，以确定循环模式为强迫循环；
获取一回路流量；当所述一回路流量达到预设一回路流量阈值时，调整所述稳压器的电压，并启动反应堆模拟体，以模拟热源；
获取一回路压力、一回路入口的冷却剂温度和一回路出口的冷却剂温度，根据一回路入口的冷却剂温度和一回路出口的冷却剂温度得到冷却剂平均温度；当所述一回路压力达到预设压力阈值且所述冷却剂平均温度达到预设冷却剂温度阈值时，关闭所述主泵模拟体，以进入自然循环模式。
在一种可能的实现方式中，所述根据热工参数计算总反应性具体包括：
根据所述热工参数和预设模拟试验装置数据集计算得到冷却剂温度分布和电加热元件温度分布；
根据所述冷却剂温度分布和所述电加热元件温度分布计算得到内部反应性；
根据所述热工参数和所述预设模拟试验装置数据集计算得到外部反应性；
根据所述内部反应性和外部反应性计算得到总反应性。
在一种可能的实现方式中，所述根据所述热工参数和预设模拟试验装置数据集计算得到冷却剂温度分布和电加热元件温度分布具体包括：
假定公式1满足一维条件，根据公式1得到公式2-4，联立公式2-8，计算得到冷却剂温度分布和电加热元件温度分布，公式1-8如下：
其中，S为源项，ρ为冷却剂密度，u为冷却剂流速，t为冷却剂平均温度和z为轴向距离；
其中，ρ为冷却剂密度， u为冷却剂流速， t为冷却剂平均温度，z为轴向距离，A为冷却剂截面积；
其中，ρ为冷却剂密度，u为冷却剂流速，t为冷却剂平均温度，z为轴向距离，f为摩擦系数，P为一回路系统压力；
其中，ρ为冷却剂密度，h为冷却剂焓，u为冷却剂流速，t为冷却剂平均温度，z为轴向距离，A u 为电加热元件截面积，q(z)为电加热元件表面热流密度；
其中，C u 为铀芯比热，ρ u 为铀芯密度，T u 为铀芯温度，k u T u 为铀芯材料的导热率，q v (r，t)为单位体积释热率，t为冷却剂平均温度，z为轴向距离，r为微元与铀芯中心的距离，微元为以轴心中心为原点，冷却剂流动方向为ｘ轴的坐标点；
其中，C u 为铀芯比热，ρ u 为铀芯密度，T u 为铀芯温度，k u T u 为铀芯材料的导热率，q v (r，t)为单位体积释热率， r为微元与铀芯中心的距离，微元为以轴心中心为原点的坐标点，冷却剂流动方向为ｘ轴的坐标点，t为冷却剂平均温度；
其中，k c 是电加热元件的包壳的材料的导热率式，T c 为电加热元件的包壳的温度，r为计算微元与铀芯中心的距离，t为冷却剂平均温度，T cs 为包壳外壁面温度；
其中，D e 为冷却剂通道水力直径，R e 为雷诺数、P r 为普朗特数。
在一种可能的实现方式中，所述根据所述冷却剂温度分布和所述电加热元件温度分布计算得到内部反应性具体包括：
根据所述冷却剂温度分布计算得到冷却剂平均温度；
根据所述电加热元件温度分布计算得到电加热元件平均温度；
根据所述冷却剂平均温度和所述电加热元件平均温度计算得到内部反应性。
在一种可能的实现方式中，所述根据所述冷却剂温度分布计算得到冷却剂平均温度具体包括：
根据公式9计算冷却剂平均温度，公式9如下：
其中，T av 为冷却剂平均温度，T i 为冷却剂温度分布。
在一种可能的实现方式中，所述根据所述电加热元件温度分布计算得到电加热元件平均温度具体包括：
根据公式10计算电加热元件平均温度，公式10如下：
其中 ，T u,av 为电加热元件平均温度，T u,i 为电加热元件温度分布。
在一种可能的实现方式中，所述根据所述冷却剂平均温度和所述电加热元件平均温度计算得到内部反应性具体包括：
根据公式11计算内部反应性，公式11如下：
其中，R f 为内部反应性，T u 为电加热元件平均温度，β w 为预设电加热元件反馈系数，T 为冷却剂平均温度，β f 为预设冷却剂反馈系数。
在一种可能的实现方式中，所述根据所述热工参数和所述预设模拟试验装置数据集计算得到外部反应性具体包括：
根据当前冷却剂平均温度与预设平均温度目标值计算得到平均温度偏差；
根据当前堆芯功率与预设目标功率计算得到功率偏差；
根据所述平均温度偏差和和所述功率偏差计算得到调节棒的棒速数据；
根据所述棒速数据计算得到外部反应性。
在一种可能的实现方式中，所述根据所述平均温度偏差和所述功率偏差计算得到调节棒的棒速数据具体包括：
根据公式12计算调节棒的棒速数据，公式12如下：
其中，u rob 为调节棒的棒速数据，ξ 1为平均温度调节系数，ξ 2为功率调节系数，β c 为调节棒反应性系数，T av 为平均温度偏差，n为功率偏差。
在一种可能的实现方式中，所述根据所述棒速数据计算得到外部反应性具体包括：
根据公式13计算外部反应性，公式13如下：
其中， R c 为外部反应性，u为棒速数据，t 0为起始时间，t 1为终止时间。
在一种可能的实现方式中，所述根据所述内部反应性和外部反应性计算得到总反应性具体包括：
根据公式14计算外部反应性，公式14如下：
其中，R f 为内部反应性，R c 为外部反应性，R为总反应性。
在一种可能的实现方式中，所述根据所述总反应性和点堆方程计算核功率具体包括：
根据公式15计算得到中子每代时间，公式15如下：
其中，Λ为中子每代时间， l ∞为无限介质中中子平均寿命，v为每次裂变释放的平均中子数，∑ f 为宏观裂变截面，∑ a 为宏观吸收截面；
根据公式16计算得到核功率，公式16如下：
其中，R为总反应性，n(t)为核功率，β为总有效缓发中子份额，β i 为第i种缓发中子份额，C i (t)为第i种中子的裂变功率，λ i 为第i种中子衰变参数，λ i =1/t i ，t i 为第i组缓发中子平均寿命，Λ为中子每代时间。
再一方面，本申请提供了一种自然循环稳定运行设备，所述设备包括：处理器以及存储有计算机程序指令的存储器；
所述处理器执行所述计算机程序指令时实现如上述任意一项所述的自然循环稳定运行装置的控制方法。
再一方面，本申请提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实现如上述任意一项所述的自然循环稳定运行装置的控制方法。
再一方面，本申请提供了一种计算机程序产品，所述计算机程序产品中的指令由电子设备的处理器执行时，使得所述电子设备执行如上述任意一项所述的自然循环稳定运行装置的控制方法。
本申请实施例的一种基于核热耦合模拟的自然循环稳定运行装置及控制方法，将反应堆模拟体作为热源，蒸汽发生器作为冷源，利用冷热源之间的重位差实现管道内冷却剂的自然循环，通过控制反应堆模拟体的电加热元件的功率维持自然循环稳定运行，通过反应堆模拟体的核热耦合模拟器模拟核热耦合过程，实现不同平均温度条件下的自然循环的工况调节，最终获得反应堆自然循环稳定运行特性以及反应堆自然循环载热能力。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的自然循环试验系统的结构示意图；
图2是本申请实施例提供的自然循环稳定运行装置的结构示意图；
图3是本申请实施例提供的自然循环稳定运行装置的控制方法的流程示意图；
图4是本申请实施例提供的核热耦合模拟器的逻辑示意图；
图5是本申请实施例提供的自然循环稳定运行设备的结构示意图。
具体实施方式
下面将详细描述本申请的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本申请进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅意在解释本申请，而不是限定本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本申请的示例来提供对本申请更好的理解。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
现有的反应堆模拟试验装置不能模拟一个完整的自然循环过程。发明人为了开展自然循环试验，将反应堆模拟体作为热源，将蒸汽发生器模拟体作为冷源，利用冷热源之间的重位差实现管道内冷却剂的自然循环。现有的反应堆模拟试验装置只能通过简单的电加热模拟核释热过程，并不能够模拟核热耦合过程。发明人通过反应堆模拟体内电加热元件的电加热模拟核释热过程，并通过算法模拟核热耦合过程，根据计算结果控制反应堆模拟体的功率，实现核热耦合模拟，以及不同平均温度条件下的自然循环的工况调节，最终获得反应堆自然循环稳定运行特性以及反应堆自然循环载热能力。
为便于理解本申请，对涉及的专有名词进行解释，具体如下：
自然循环，是一种利用冷热源之间的温度差和密度差驱动的冷却剂循环方式，它无需借助泵和风机等能动设备即可实现冷却剂循环载热，具有节能、高效、固有安全性高等优势。
核释热是核反应堆内通过中子裂变产生并释放出的能量。
核热耦合是核反应堆中特有的物理现象，主要是指冷却剂及燃料元件温度与核释热之间的耦合关系。当冷却剂和燃料元件的温度降低时，冷却剂及燃料元件的反应性增加，核释热增强。反之，当冷却剂和燃料元件的温度提高时，核释热减弱。本发明中通过模拟该种耦合关系，自动抑制冷却剂的温度波动，实现了自然循环的稳定运行。
为了解决现有技术问题，本申请实施例提供了基于核热耦合模拟的自然循环稳定运行装置及控制方法。
一个实施例中，本申请提供了一种自然循环试验系统，图1是本申请实施例提供的自然循环试验系统的结构示意图，如图1所示，自然循环试验系统包括：处理器300和自然循环稳定运行装置。处理器300用于控制自然循环稳定运行装置内的各模拟体的开启或关闭，处理器300是下方实施例二的自然循环稳定运行装置的控制方法的执行主体。
图2是本申请实施例提供的自然循环稳定运行装置的结构示意图，如图2所示，自然循环稳定运行装置包括：构成一回路100的反应堆模拟体1、蒸汽发生器模拟体2、主泵模拟体3和稳压器4。
其中，蒸汽发生器模拟体2为饱和式蒸汽发生器，由一次侧和二次侧构成，一次侧为多根并联U型传热管束，冷却剂在传热管内流动，将热量传递给二次侧饱和水。
稳压器4为蒸汽稳压器2，其底部水空间插入数根电加热元件，通过电加热产生蒸汽并在稳压器4顶部形成汽空间，达到稳压效果。
反应堆模拟体1的一回路出口通过管道与蒸汽发生器模拟体2的入口连通，蒸汽发生器的出口通过管道与主泵模拟体3的入口连通，主泵模拟体3的出口通过管道与反应堆模拟体1的一回路入口连通；反应堆模拟体1的出口还通过管道与稳压器4连通。
反应堆模拟体1为热源，蒸汽发生器模拟体2为冷源， 一回路100的管道内放置有冷却剂，冷却剂根据管道内的冷热流体重位差驱动，在管道中流动，流动方向为：反应堆模拟体1、蒸汽发生器模拟体2、主泵模拟体3、反应堆模拟体1。
在一种可能的实现方式中，反应堆模拟体1还包括：构成二回路200的冷凝器5和二回路给水泵6。反应堆模拟体1的二回路出口通过管道与冷凝器5的入口连通，冷凝器5的出口通过管道与二回路给水泵6的入口连通，二回路给水泵6的出口通过管道与应堆模拟体的二回路入口连通。二回路200用于模拟反应堆一回路100的传热边界，蒸汽发生器模拟器一次侧所产生的蒸汽进入冷凝器5降温降压后变为过冷水，由二回路给水泵6送入蒸汽发生器二次侧，完成二回路200循环。由此完成一回路100和二回路200的热传递，维持一回路100的能量平衡。
在一种可能的实现方式中，反应堆模拟体1包括：核热耦合模拟器和电加热元件。电加热元件用于模拟核反应堆中的燃料元件，燃料元件是反应堆中核裂变源的核心部件，其外层具有包壳。核热耦合模拟器与电加热元件连接，控制电加热元件的电压。电加热元件为多根圆柱形电加热棒，加热棒上下两端与导电盘分别相连，导电盘通过软电缆与电源相连。为保证安全性，电加热元件与反应堆模拟体1的外壳进行绝缘处理。核热耦合模拟器通过测量一回路入口的冷却剂温度、一回路出口的冷却剂温度、冷却剂流量、一回路压力等热工参数，计算冷却剂反应性变化，再利用中子动力学方程计算核功率，并实时调节电加热元件的电压，实现核热耦合模拟。
在一种可能的实现方式中，自然循环稳定运行装置还包括：止回阀。止回阀设置在主泵模拟体3的入口，用于防止管道中的冷却剂回流，保证试验的准确性。
在一种可能的实现方式中，自然循环稳定运行装置还包括：流量计，两个流量计分别设置在一回路100和二回路200上，用于测量一回路100的管道内的冷却剂流量和二回路蒸汽流量。自然循环稳定运行装置还包括：压力传感器，压力传感器设置在主泵模拟体3的入口，用于测量一回路管道内的压力。自然循环稳定运行装置还包括：温度传感器，两个温度传感器分别设置在反应堆模拟体1的一回路入口和一回路出口，分别用于测量反应堆模拟体1的一回路入口的冷却剂温度和一回路出口的冷却剂温度。
本申请实施例的自然循环稳定运行装置，将反应堆模拟体1作为热源，蒸汽发生器作为冷源，利用冷热源之间的重位差实现管道内冷却剂的自然循环，通过控制反应堆模拟体1的电加热元件的功率维持自然循环稳定运行，通过反应堆模拟体的核热耦合模拟器模拟核热耦合过程，实现不同平均温度条件下的自然循环的工况调节，最终获得反应堆自然循环稳定运行特性以及反应堆自然循环载热能力。
又一个实施例中，本申请提供了一种自然循环稳定运行装置的控制方法，模拟试验装置包括：首尾依次连通的反应堆模拟体、蒸汽发生器模拟体、主泵模拟体，以及与反应堆模拟体的出口连通的稳压器。 反应堆模拟体包括：核热耦合模拟器和电加热元件。自然循环稳定运行装置有两种工作模式：强迫循环模式和自然循环模式。在自然循环稳定运行装置启动时，默认先进入强迫循环模式，当冷却剂平均温度满足达到预设温度目标值时，进入自然循环模式。
图3是本申请实施例提供的自然循环稳定运行装置的控制方法的流程示意图，如图3所示，具体控制方法包括：
步骤S101，启动稳压器和蒸汽发生器模拟体；
具体的，启动稳压器后，稳压器内的电加热元件产生蒸汽，使得稳压器内压力达到满足主泵启动的最低压力，即预设主泵启动压力阈值。蒸汽发生器模拟体在强迫循环模式或自然循环模式中一直保持工作状态。
步骤S102，当稳压器内压力达到预设主泵启动压力阈值时，启动主泵模拟体；
步骤S103，获取一回路流量；
具体的，通过有线或者无线方式从流量计获取一回路流量。
步骤S104，当一回路流量达到预设一回路流量阈值时，调整稳压器的电压，并启动反应堆模拟体；
具体的，当一回路流量达到预设一回路流量阈值时，增加稳压器的热功率并开启反应堆模拟体，使得一回路升温升压。此时核热耦合模拟器处于关闭状态，电加热元件的功率由用户直接给定。
步骤S105，获取一回路压力、一回路入口的冷却剂温度和一回路出口的冷却剂温度，根据一回路入口的冷却剂温度和一回路出口的冷却剂温度得到冷却剂平均温度。
具体的，通过有线或者无线方式从压力传感器获取一回路压力，从温度传感器获取一回路入口的冷却剂温度和一回路出口的冷却剂温度。根据一回路入口的冷却剂温度和一回路出口的冷却剂温度进行均值计算，得到冷却剂平均温度。这种计算方法一定程度上减少因检测位置的不同引起的温度误差。
步骤S106，当一回路压力达到预设压力阈值且冷却剂平均温度达到预设冷却剂温度阈值时，关闭主泵模拟体；
具体的，关闭主循环泵使的一回路由强迫循环模式转换为自然循环模式。
步骤S107，核热耦合模拟器执行以下操作：根据热工参数计算总反应性，根据总反应性和点堆方程计算核功率，根据核功率确定目标电压，根据目标电压调整电加热元件的电压。
具体的，在本申请实施例中，热工参数包括：一回路入口的冷却剂温度和一回路出口的、冷却剂流量、一回路系统压力、当前的电加热元件的功率和二回路蒸汽流量。
上述步骤S101-S107也可以理解为自然循环稳定运行装置的启动过程。
开启堆芯核反馈模拟器，核热耦合模拟器模拟核热耦合，此时电加热元件的功率与冷却剂平均温度构成负反馈关系，可有效抑制电加热功率和冷却剂平均温度的波动，使一回路实现稳定自然循环。
进入自然循环模式后，可以重新设定核热耦合模拟器中的平均温度目标值，使核热耦合模拟器中调节棒移动，核热耦合模拟器可以根据调节棒的移动距离自动计算外部反应性和核功率，并控制电加热元件的功率输出，使一回路的冷却剂平均温度逐渐达到新的平均温度目标值，从而实现该平均温度目标值条件下的自然循环工况调节。通过多次调节核热耦合模拟器中的平均温度目标值，可以实现不同温度条件下的自然循环工况调节。
图4是本申请实施例提供的核热耦合模拟器的逻辑示意图，如图4所示，在一种可能的实现方式中，根据热工参数计算总反应性具体包括：根据热工参数和预设模拟试验装置数据集计算得到冷却剂温度分布和电加热元件温度分布；根据冷却剂温度分布和电加热元件温度分布计算得到内部反应性；根据热工参数和预设模拟试验装置数据集计算得到外部反应性；根据内部反应性和外部反应性计算得到总反应性。
在一种可能的实现方式中，根据热工参数和预设模拟试验装置数据集计算得到冷却剂温度分布和电加热元件温度分布具体包括：在本实施例中只考虑冷却剂沿管道流动方向，故假定公式1满足一维条件，根据公式1得到公式2-4。为使得模拟更加精确，也可以考虑其他方向。联立公式2-8，计算得到冷却剂温度分布和电加热元件温度分布，公式1-8如下：
其中，S为源项，ρ为冷却剂密度，u为冷却剂流速，t为冷却剂平均温度和z为轴向距离；
其中，ρ为冷却剂密度， u为冷却剂流速， t为冷却剂平均温度，z为轴向距离，A为冷却剂截面积；
其中，ρ为冷却剂密度，u为冷却剂流速，t为冷却剂平均温度，z为轴向距离，f为摩擦系数，P为一回路系统压力；
其中，ρ为冷却剂密度，h为冷却剂焓，u为冷却剂流速，t为冷却剂平均温度，z为轴向距离，A u 为电加热元件截面积，q(z)为电加热元件表面热流密度；
其中，C u 为铀芯比热，ρ u 为铀芯密度，T u 为铀芯温度，k u T u 为铀芯材料的导热率，q v (r，t)为单位体积释热率，t为冷却剂平均温度，z为轴向距离，r为微元与铀芯中心的距离，微元为以轴心中心为原点，冷却剂流动方向为ｘ轴的坐标点；这里的轴芯和包壳指定是电加热元件的轴芯和电加热元件的包壳。
其中，C u 为铀芯比热，ρ u 为铀芯密度，T u 为铀芯温度，k u T u 为铀芯材料的导热率，q v (r，t)为单位体积释热率， r为微元与铀芯中心的距离，微元为以轴心中心为原点的坐标点，冷却剂流动方向为ｘ轴的坐标点，t为冷却剂平均温度；
其中，k c 是电加热元件的包壳的材料的导热率式，T c 为电加热元件的包壳的温度，r为计算微元与铀芯中心的距离，t为冷却剂平均温度，T cs 为包壳 外壁面温度；
其中，D e 为冷却剂通道水力直径，R e 为雷诺数、P r 为普朗特数。
通过联立以上公式2-8展现了冷却剂流动传热以及电加热元件的导热，由此可以得到准确的冷却剂温度分布核电加热元件温度分布，实现精确模拟试验。
在一种可能的实现方式中，根据冷却剂温度分布和电加热元件温度分布计算得到内部反应性具体包括：根据冷却剂温度分布计算得到冷却剂平均温度；根据电加热元件温度分布计算得到电加热元件平均温度；根据冷却剂平均温度和电加热元件平均温度计算得到内部反应性。
在一种可能的实现方式中，根据冷却剂温度分布计算得到冷却剂平均温度具体包括：根据公式9计算冷却剂平均温度，公式9如下：
其中，T av 为冷却剂平均温度，T i 为冷却剂温度分布。
通过以上公式9可以得到准确的冷却剂平均温度，实现精确模拟试验。
在一种可能的实现方式中，根据电加热元件温度分布计算得到电加热元件平均温度具体包括：根据公式10计算电加热元件平均温度，公式10如下：
其中 ，T u,av 为电加热元件平均温度，T u,i 为电加热元件温度分布。
通过以上公式10可以得到准确的电加热元件平均温度，实现精确模拟试验。
在一种可能的实现方式中，根据冷却剂平均温度和电加热元件平均温度计算得到内部反应性具体包括：
根据公式11计算内部反应性，公式11如下：
其中，R f 为内部反应性，T u 为电加热元件平均温度，β w 为预设电加热元件反馈系数，T 为冷却剂平均温度，β f 为预设冷却剂反馈系数。
通过以上公式11可以得到准确的电加热内部反应性，实现精确模拟试验。
在一种可能的实现方式中，根据热工参数和预设模拟试验装置数据集计算得到外部反应性具体包括：
根据当前冷却剂平均温度与预设平均温度目标值计算得到平均温度偏差ΔT av ；根据当前堆芯功率与预设目标功率计算得到功率偏差Δn；根据平均温度偏差和功率偏差计算得到调节棒的棒速数据；根据棒速数据计算得到外部反应性。
在一种可能的实现方式中，根据平均温度偏差和功率偏差计算得到调节棒的棒速数据具体包括：根据公式12计算调节棒的棒速数据，公式12如下：
其中，u rob 为调节棒的棒速数据，ξ 1为平均温度调节系数，ξ 2为功率调节系数，β c 为调节棒反应性系数，T av 为平均温度偏差，n为功率偏差。
通过以上公式12可以得到准确的节棒的棒速数据，为计算外部反应性提供数据，实现精确模拟试验。
在一种可能的实现方式中，根据棒速数据计算得到外部反应性具体包括：根据公式13计算外部反应性，公式13如下：
其中， R c 为外部反应性，u为棒速数据，t 0为起始时间，t 1为终止时间。
通过以上公式13可以得到准确的外部反应性，实现精确模拟试验。
在一种可能的实现方式中，根据内部反应性和外部反应性计算得到总反应性具体包括：根据公式14计算外部反应性，公式14如下：
其中，R f 为内部反应性，R c 为外部反应性，R为总反应性。
通过以上公式14可以得到准确的总反应性，实现精确模拟试验。
在一种可能的实现方式中，根据总反应性和点堆方程计算核功率具体包括：根据公式15计算得到中子每代时间，公式15如下：
其中，Λ为中子每代时间， l ∞为无限介质中中子平均寿命，v为每次裂变释放的平均中子数，∑ f 为宏观裂变截面，∑ a 为宏观吸收截面；
根据公式16计算得到核功率，公式16如下：
其中，R为总反应性，n(t)为核功率，β为总有效缓发中子份额，β i 为第i种缓发中子份额，C i (t)为第i种中子的裂变功率，λ i 为第i种中子衰变参数，λ i =1/t i ，t i 为第i组缓发中子平均寿命，Λ为中子每代时间。
通过以上公式15-16可以得到准确的核功率，以便后续根据核功率调整电加热元件两端负载电压。
核热耦合模拟器输出核功率，并自动调整电加热元件两端负载电压，使电加热元件的功率与新的核功率匹配。该实施例中，核热耦合模拟器通过软件实现核热耦合过程，建立了电加热元件和冷却剂平均温度的负反馈关系，有效抑制电加热元件的功率和冷却剂温度的波动，能够使得一回路自然循环稳定运行。
再一个实施例中，本申请实施例提供了一种自然循环稳定运行设备，图5是本申请实施例提供的自然循环稳定运行设备的硬件结构示意图，如图5所示，自然循环稳定运行设备可以包括处理器301以及存储有计算机程序指令的存储器302。
具体地，上述处理器301可以包括中央处理器（CPU），或者特定集成电路（Applica tionSpecificIntegratedCircuit ，ASIC），或者可以被配置成实施本申请实施例的一个或多个集成电路。
存储器302可以包括用于数据或指令的大容量存储器。举例来说而非限制，存储器302可包括硬盘驱动器（HardDiskDrive，HDD）、软盘驱动器、闪存、光盘、磁光盘、磁带或通用串行总线（UniversalSerialBus，USB）驱动器或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，存储器302可包括可移除或不可移除(或固定)的介质。在合适的情况下，存储器302可在综合网关容灾设备的内部或外部。在特定实施例中，存储器302是非易失性固态存储器。
存储器302可包括只读存储器（ROM），随机存取存储器（RAM），磁盘存储介质设备，光存储介质设备，闪存设备，电气、光学或其他物理/有形的存储器存储设备。因此，通常，存储器302包括一个或多个编码有包括计算机可执行指令的软件的有形（非暂态）计算机可读存储介质（例如，存储器设备），并且当该软件被执行（例如，由一个或多个处理器）时，其可操作来执行参考根据本公开的一方面的方法所描述的操作。
处理器301通过读取并执行存储器302中存储的计算机程序指令，以实现上述实施例中的任意一种自然循环稳定运行装置的控制方法。
在一个示例中，自然循环稳定运行设备还可包括通信接口303和总线310。其中，如图5所示，处理器301、存储器302、通信接口303通过总线310连接并完成相互间的通信。
通信接口303，主要用于实现本申请实施例中各模块、装置、单元和/或设备之间的通信。
总线310包括硬件、软件或两者，将在线数据流量计费设备的部件彼此耦接在一起。举例来说而非限制，总线可包括加速图形端口（AGP）或其他图形总线、增强工业标准架构（EISA）总线、前端总线（FSB）、超传输（HT）互连、工业标准架构（ISA）总线、无限带宽互连、低引脚数（LPC）总线、存储器总线、微信道架构（MCA）总线、外围组件互连（PCI）总线、PCI-Express（PCI-X）总线、串行高级技术附件（SATA）总线、视频电子标准协会局部（VLB）总线或其他合适的总线或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，总线310可包括一个或多个总线。尽管本申请实施例描述和示出了特定的总线，但本申请考虑任何合适的总线或互连。
该自然循环稳定运行设备可以基于自然循环稳定运行装置的控制方法，模拟反应堆的自然循环。
再一个实施例中，本申请实施例提供了一种计算机存储介质来实现。该计算机存储介质上存储有计算机程序指令，该计算机程序指令被处理器执行时实现上述实施例二的任意一种自然循环稳定运行装置的控制方法。
需要明确的是，本申请并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本申请的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本申请的精神后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。
还需要说明的是，本申请中提及的示例性实施例，基于一系列的步骤或者装置描述一些方法或系统。但是，本申请不局限于上述步骤的顺序，也就是说，可以按照实施例中提及的顺序执行步骤，也可以不同于实施例中的顺序，或者若干步骤同时执行。
上面参考根据本公开的实施例的方法、装置（系统）和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本公开的各方面。应当理解，流程图和/或框图中的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合可以由计算机程序指令实现。这些计算机程序指令可被提供给通用计算机、专用计算机、或其它可编程数据处理装置的处理器，以产生一种机器，使得经由计算机或其它可编程数据处理装置的处理器执行的这些指令使能对流程图和/或框图的一个或多个方框中指定的功能/动作的实现。这种处理器可以是但不限于是通用处理器、专用处理器、特殊应用处理器或者现场可编程逻辑电路。还可理解，框图和/或流程图中的每个方框以及框图和/或流程图中的方框的组合，也可以由执行指定的功能或动作的专用硬件来实现，或可由专用硬件和计算机指令的组合来实现。
再一个实施例中，本申请提供了一种计算机程序产品，计算机程序产品中的指令由电子设备的处理器执行时，使得电子设备执行如上述实施例二的任意一项的自然循环稳定运行装置的控制方法。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统、模块和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。应理解，本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。
Claims (18)
1.一种基于核热耦合模拟的自然循环稳定运行装置，其特征在于， 所述自然循环稳定运行装置包括：构成一回路的反应堆模拟体、蒸汽发生器模拟体、主泵模拟体和稳压器；所述一回路的管道内放置有冷却剂；
所述稳压器，用于一回路内稳压；
所述反应堆模拟体，用于模拟根据一回路的冷却剂温度自动调节功率的热源，以实现自然循环的稳定运行；
所述蒸汽发生器模拟体，用于模拟冷源；
所述主泵模拟体，用于试验装置启动过程中驱动冷却剂循环；
在循环模式为自然循环的情况下，所述冷却剂根据管道内的冷热流体重位差驱动，在所述管道中流动，以实现自然循环。
2.根据权利要求1所述的自然循环稳定运行装置，其特征在于，所述反应堆模拟体还包括：构成二回路的冷凝器和二回路给水泵；
所述反应堆模拟体的二回路出口通过管道与所述冷凝器的入口连通，所述冷凝器的出口通过管道与所述二回路给水泵的入口连通，所述二回路给水泵的出口通过管道与所述反应堆模拟体的二回路入口连通。
3.根据权利要求2所述的自然循环稳定运行装置，其特征在于，所述反应堆模拟体包括：核热耦合模拟器和电加热元件；
所述核热耦合模拟器与所述电加热元件连接，控制所述电加热元件的电压。
4.根据权利要求1所述的自然循环稳定运行装置，其特征在于，所述自然循环稳定运行装置还包括：止回阀；
所述止回阀设置在所述主泵模拟体的入口，用于防止管道中的冷却剂回流。
5.根据权利要求1所述的自然循环稳定运行装置，其特征在于，所述自然循环稳定运行装置还包括：流量计；两个流量计分别设置在一回路和二回路上；
所述自然循环稳定运行装置还包括：压力传感器；所述压力传感器设置在所述主泵模拟体的入口；
所述自然循环稳定运行装置还包括：温度传感器；
两个所述温度传感器分别设置在所述反应堆模拟体的一回路入口和一回路出口。
6.一种基于核热耦合模拟的自然循环稳定运行装置的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：
在循环模式为自然循环的情况下，反应堆模拟体执行以下操作，以在自然循环中建立冷却剂温度与电加热功率之间的负反馈关系，抑制热工参数的波动，保证自然循环工况稳定运行：
根据热工参数计算总反应性；
根据所述总反应性和点堆方程计算核功率；
根据所述核功率确定目标电压，根据所述目标电压调整电加热元件的电压。
7.根据权利要求6所述的自然循环稳定运行装置的控制方法，其特征在于，在循环模式为自然循环之前，所述控制方法还包括：
启动稳压器和蒸汽发生器模拟体，当稳压器内压力达到预设主泵启动压力阈值时，启动主泵模拟体，以确定循环模式为强迫循环；
获取一回路流量；当所述一回路流量达到预设一回路流量阈值时，调整所述稳压器的电压，并启动反应堆模拟体，以模拟热源；
获取一回路压力、一回路入口的冷却剂温度和一回路出口的冷却剂温度，根据一回路入口的冷却剂温度和一回路出口的冷却剂温度得到冷却剂平均温度；
当所述一回路压力达到预设压力阈值且所述冷却剂平均温度达到预设冷却剂温度阈值时，关闭所述主泵模拟体，以进入自然循环模式。
8.根据权利要求6所述的自然循环稳定运行装置的控制方法，其特征在于，所述根据热工参数计算总反应性具体包括：
根据所述热工参数和预设模拟试验装置数据集计算得到冷却剂温度分布和电加热元件温度分布；
根据所述冷却剂温度分布和所述电加热元件温度分布计算得到内部反应性；
根据所述热工参数和所述预设模拟试验装置数据集计算得到外部反应性；
根据所述内部反应性和外部反应性计算得到总反应性。
9.根据权利要求8所述的自然循环稳定运行装置的控制方法，其特征在于，所述根据所述热工参数和预设模拟试验装置数据集计算得到冷却剂温度分布和电加热元件温度分布具体包括：
假定公式1满足一维条件，根据公式1得到公式2-4，联立公式2-8，计算得到冷却剂温度分布和电加热元件温度分布，公式1-8如下：
其中，S为源项，ρ为冷却剂密度，u为冷却剂流速，t为冷却剂平均温度和z为轴向距离；
其中，ρ为冷却剂密度， u为冷却剂流速， t为冷却剂平均温度，z为轴向距离，A为冷却剂截面积；
其中，ρ为冷却剂密度，u为冷却剂流速，t为冷却剂平均温度，z为轴向距离，f为摩擦系数，P为一回路系统压力；
其中，ρ为冷却剂密度，h为冷却剂焓，u为冷却剂流速，t为冷却剂平均温度，z为轴向距离，A u 为电加热元件截面积，q(z)为电加热元件表面热流密度；
其中，C u 为铀芯比热，ρ u 为铀芯密度，T u 为铀芯温度，k u T u 为铀芯材料的导热率，q v (r，t)为单位体积释热率，t为冷却剂平均温度，z为轴向距离，r为微元与铀芯中心的距离，微元为以轴心中心为原点，冷却剂流动方向为ｘ轴的坐标点；
其中，C u 为铀芯比热，ρ u 为铀芯密度，T u 为铀芯温度，k u T u 为铀芯材料的导热率，q v (r，t)为单位体积释热率， r为微元与铀芯中心的距离，微元为以轴心中心为原点的坐标点，冷却剂流动方向为ｘ轴的坐标点，t为冷却剂平均温度；
其中，k c 是电加热元件的包壳的材料的导热率式，T c 为电加热元件的包壳的温度，r为计算微元与铀芯中心的距离，t为冷却剂平均温度，T cs 为包壳外壁面温度；
其中，D e 为冷却剂通道水力直径，R e 为雷诺数、P r 为普朗特数。
10.根据权利要求8所述的自然循环稳定运行装置的控制方法，其特征在于，所述根据所述冷却剂温度分布和所述电加热元件温度分布计算得到内部反应性具体包括：
根据所述冷却剂温度分布计算得到冷却剂平均温度；
根据所述电加热元件温度分布计算得到电加热元件平均温度；
根据所述冷却剂平均温度和所述电加热元件平均温度计算得到内部反应性。
11.根据权利要求10所述的自然循环稳定运行装置的控制方法，其特征在于，所述根据所述冷却剂温度分布计算得到冷却剂平均温度具体包括：
根据公式9计算冷却剂平均温度，公式9如下：
其中，T av 为冷却剂平均温度，T i 为冷却剂温度分布。
12.根据权利要求10所述的自然循环稳定运行装置的控制方法，其特征在于，所述根据所述电加热元件温度分布计算得到电加热元件平均温度具体包括：
根据公式10计算电加热元件平均温度，公式10如下：
其中 ，T u,av 为电加热元件平均温度，T u,i 为电加热元件温度分布。
13.根据权利要求10所述的自然循环稳定运行装置的控制方法，其特征在于，所述根据所述冷却剂平均温度和所述电加热元件平均温度计算得到内部反应性具体包括：
根据公式11计算内部反应性，公式11如下：
其中，R f 为内部反应性，T u 为电加热元件平均温度，β w 为预设电加热元件反馈系数，T 为冷却剂平均温度，β f 为预设冷却剂反馈系数。
14.根据权利要求8所述的自然循环稳定运行装置的控制方法，其特征在于，所述根据所述热工参数和所述预设模拟试验装置数据集计算得到外部反应性具体包括：
根据当前冷却剂平均温度与预设平均温度目标值计算得到平均温度偏差；
根据当前堆芯功率与预设目标功率计算得到功率偏差；
根据所述平均温度偏差和所述功率偏差计算得到调节棒的棒速数据；
根据所述棒速数据计算得到外部反应性。
15.根据权利要14所述的自然循环稳定运行装置的控制方法，其特征在于，所述根据所述平均温度偏差和所述功率偏差计算得到调节棒的棒速数据具体包括：
根据公式12计算调节棒的棒速数据，公式12如下：
其中，u rob 为调节棒的棒速数据，ξ 1为平均温度调节系数，ξ 2为功率调节系数，β c 为调节棒反应性系数，T av 为平均温度偏差，n为功率偏差。
16.根据权利要求14所述的自然循环稳定运行装置的控制方法，其特征在于，所述根据所述棒速数据计算得到外部反应性具体包括：
根据公式13计算外部反应性，公式13如下：
其中， R c 为外部反应性，u为棒速数据，t 0为起始时间，t 1为终止时间。
17.根据权利要求8所述的自然循环稳定运行装置的控制方法，其特征在于，所述根据所述内部反应性和外部反应性计算得到总反应性具体包括：
根据公式14计算外部反应性，公式14如下：
其中，R f 为内部反应性，R c 为外部反应性，R为总反应性。
18.根据权利要求6所述的自然循环稳定运行装置的控制方法，其特征在于，所述根据所述总反应性和点堆方程计算核功率具体包括：
根据公式15计算得到中子每代时间，公式15如下：
其中，Λ为中子每代时间， l ∞为无限介质中中子平均寿命，v为每次裂变释放的平均中子数，∑ f 为宏观裂变截面，∑ a 为宏观吸收截面；
根据公式16计算得到核功率，公式16如下：
其中，R为总反应性，n(t)为核功率，β为总有效缓发中子份额，β i 为第i种缓发中子份额，C i (t)为第i种中子的裂变功率，λ i 为第i种中子衰变参数，λ i =1/t i ，t i 为第i组缓发中子平均寿命，Λ为中子每代时间。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115662664B (zh) | 2023-04-07 |
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