CN105957568A - 一种电加热模拟核释热的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电加热模拟核释热的系统及方法，该方法中，根据反应堆堆芯模拟体数据，计算温度变化引入的反应性和需引入的外部反应性，并通过点堆方程得到反应堆堆芯模拟体中电热元件所需的输出功率值，该方法可基于该系统。本系统及方法可推广应用于各种反应堆瞬态试验研究，探索瞬态过程中反应堆各关键参数的变化规律，为验证及改进反应堆功率控制方式提供试验依据。

Description

一种电加热模拟核释热的系统及方法

技术领域

本发明涉及核电站(厂)中反应堆瞬态过程的模拟方法技术领域，特别是涉及一种电加热模拟核释热的系统及方法。

背景技术

在我国目前以燃煤电厂为主的能源结构形式下，减少日益严重的雾霾污染和持续增长的能源消耗的矛盾需求，对核能这一公认的清洁高效的主力能源提出了迫切强烈的期望。

反应堆的核反馈可以分为内反馈和外反馈，内反馈是反应堆固有特性，是温度、密度等引起的反应性反馈；外反馈是指功率控制系统引入的反应性反馈，是人为引入的外部反馈。在反应堆瞬态过程中，核反馈影响功率的变化，进而对热工水力参数的变化产生重要的影响。在开展堆外模拟实验时，由于采用电加热元件作为热源不存在核反馈的影响，得到的瞬态试验结果无法精确表达原型堆的实际运行情况，影响实验阶段科学研究结果的工程应用水平。

发明内容

针对上述由于采用电加热元件作为热源不存在核反馈的影响，得到的瞬态试验结果无法精确表达原型堆的实际运行情况，影响实验阶段科学研究结果的工程应用水平的问题，本发明提供了一种电加热模拟核释热的系统及方法。

为解决上述问题，本发明提供的一种电加热模拟核释热的系统及方法通过以下技术要点来解决问题：一种电加热模拟核释热的方法，用于采用电加热元件作为热源的堆外反应堆堆芯模拟体模拟试验中，包括如下步骤：

1)、采集当前时刻反应堆堆芯模拟体进口、出口冷却剂温度T_in和T_out、冷却剂流量W、一回路系统压力P、当前反应堆堆芯模拟体功率n₀和二回路蒸汽流量F_s；

2)、通过守恒方程求出冷却剂的焓，再由水和水蒸气物性公式求出冷却剂的温度分布，同时求出冷却剂的换热系数；

3)、以冷却剂温度分布和换热系数为条件，通过导热模型求解出假想的真实燃料元件温度分布及元件的平均温度；

4)、求出冷却剂温度的变化和燃料元件平均温度的变化，并根据燃料元件反应性系数和冷却剂反应性系数，解得到因温度效应而引入的反应性ρ_f；

5)、根据当前时刻反应堆堆芯模拟体冷却剂进出口温度T_in和T_out和蒸汽流量F_s，计算出达到热平衡状态所需要的功率n_e，将n_e与当前模拟体功率n₀进行比较，得到功率偏差Δn；

6)、依据Δn计算出调节棒棒速，乘以时间步长得到调节棒的移动距离，再根据调节棒微积分价值，计算得到调节棒需引入的反应性ρ_c。将ρ_f和ρ_c相加后代入点堆方程，计算出新功率n₁；

7)、调整电加热元件的功率值至新功率n₁。

作为对以上方法的进一步限定，还包括设置在步骤7)后的步骤8)，所述步骤8)为：经过一个时间步长后，重复步骤1)至步骤7)。

一种用于承载或实现以上方法的电加热模拟核释热的系统，包括反应堆堆芯模拟体，所述反应堆堆芯模拟体中的热源为电加热元件，该系统还包括实时测量系统、核释热计算模块，D/A输出模块和电源控制系统，所述实时测量系统的输入端连接在原型堆上用于原型堆上的数据测量，所述实时测量系统的输出端连接核释热计算模块的数据输入端，核释热计算模块的数据输出端与D/A输出模块的输入端相连，所述D/A输出模块的数据输出端连接在电源控制系统上，所述电源控制系统连接于反应堆堆芯模拟体的电加热元件上，用于控制反应堆堆芯热源的输出功率。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供了一种电加热模拟核释热的系统及方法，利用本系统和方法开展试验时，可根据当前时刻的反应堆堆芯模拟体进出口温度、堆芯流量、一回路压力以及二回路负荷功率等信号采集值，计算核燃料元件及冷却剂在瞬态过程中的温度变化规律，进而计算燃料元件及冷却剂温度反馈引入的反应性，然后与调节棒引入的反应性一并代入点堆方程，得到下一时刻的功率值。该方法可嵌入提供的系统中实现，实现负荷调节等瞬态过程中功率实时自动调节的功能。利用本方法开展了某反应堆负荷调节验证试验研究，可探明负荷变化过程中反应堆过渡特性，为验证及改进反应堆功率控制方式奠定了试验基础。

附图说明

图1为本发明所述的一种电加热模拟核释热的方法一个具体实施例的实现流程图；

图2为本发明所述的一种电加热模拟核释热的系统一个具体实施例的拓扑图。

具体实施方式

本发明提供了一种电加热模拟核释热的系统及方法，用于针对：由于采用电加热元件作为热源不存在核反馈的影响，得到的瞬态试验结果无法精确表达原型堆的实际运行情况，影响实验阶段科学研究结果的工程应用水平的问题。改用该系统及方法，可应用于各种反应堆瞬态试验研究，探索瞬态过程中反应堆各关键参数的变化规律，以便研究不同反应堆功率控制方式时反应堆的瞬态特性，为优化反应堆安全性和经济性奠定试验基础。

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但是本发明不仅限于以下实施例：

实施例1：

如图1所示，一种电加热模拟核释热的方法，用于采用电加热元件作为热源的堆外反应堆堆芯模拟体模拟试验中，包括如下步骤：

1)、采集当前时刻反应堆堆芯模拟体进口、出口冷却剂温度T_in和T_out、冷却剂流量W、一回路系统压力P、当前反应堆堆芯模拟体功率n₀和二回路蒸汽流量F_s；

2)、通过守恒方程求出冷却剂的焓，再由水和水蒸气物性公式求出冷却剂的温度分布，同时求出冷却剂的换热系数；

3)、以冷却剂温度分布和换热系数为条件，通过导热模型求解出假想的真实燃料元件温度分布及元件的平均温度；

4)、求出冷却剂温度的变化和燃料元件平均温度的变化，并根据燃料元件反应性系数和冷却剂反应性系数，解得到因温度效应而引入的反应性ρ_f；

5)、根据当前时刻反应堆堆芯模拟体冷却剂进出口温度T_in和T_out和蒸汽流量F_s，计算出达到热平衡状态所需要的功率n_e，将n_e与当前模拟体功率n₀进行比较，得到功率偏差Δn；

6)、依据Δn计算出调节棒棒速，乘以时间步长得到调节棒的移动距离，再根据调节棒微积分价值，计算得到调节棒需引入的反应性ρ_c。将ρ_f和ρ_c相加后代入点堆方程，计算出新功率n₁；

7)、调整电加热元件的功率值至新功率n₁。

具体的，针对以上方法，本实施例提供了一种具体的实现方式：针对步骤2，首先对计算区域内冷却剂流动和传热过程作如下假设：流动是沿轴向的一维流动；流动截面上的参数是均匀的；冷却剂流体处于热力学平衡状态；

在这些假设的基础上，可以得到流道中冷却剂的质量守恒方程：

$A\frac{\∂\mathrm{\ρ}}{\∂t}+\frac{\∂W}{\∂z}=0---\left(1\right)$

动量方程如下：

$\frac{\∂G}{\∂t}+\frac{\∂\left(v^{\′}{G}^2\right)}{\∂z}=-\frac{\∂P}{\∂z}-\frac{fvG\left|G\right|}{2D_e}-\mathrm{\ρ}g---\left(2\right)$

重力、压力所做的功以及动能的变化对冷却剂能量平衡所作的贡献不大，可以忽略。另外，不考虑流体内的释热，则能量守恒方程为：

$\frac{\∂\left(\mathrm{\ρ}HA\right)}{\∂t}+\frac{\∂\left(GHA\right)}{\∂z}=U_{e}q\left(z\right)---\left(3\right)$

式中，A为冷却剂通道截面积，W为冷却剂质量流量，G为冷却剂质量流速，ρ为冷却剂密度，f为摩擦系数，ν为流体平均比容，ν′为流体微元比容，H为冷却剂焓，De为冷却剂通道水力直径，Ue燃料元件截面积，q为燃料元件表面热流密度。

通过联立上述方程(1)-(3)，可求解得到冷却剂焓分布，再依据国际通用工业用水和水蒸气热力性质计算公式-IAPWS-IF97，求得冷却剂温度分布。

对于冷却剂换热系数，采用国际通用的Dittus-Boelter公式：

${\mathrm{\α}}_l=0.023\frac{\mathrm{\λ}}{D_e}{\mathrm{Re}}^{0.8}{\mathrm{Pr}}^{0.4}---\left(4\right)$

式中，α_l为流体的对流换热系数，λ为流体导热系数，Re为雷诺数，Pr为普朗特数。

针对步骤3，燃料元件一般由铀芯和包壳组成，对于圆柱形铀芯，这二者的导热模型如下：

则铀芯的导热微分方程变为：

$C_u{\mathrm{\ρ}}_u\frac{\∂T_u(r,t)}{\∂t}=\frac{1}{r}\frac{1}{\∂r}\[k_u\left(T_u\right)r\frac{\∂T_u(r,t)}{\∂r}\]+q_v(r,t)---\left(5\right)$

式中k_u(T)是铀芯材料的导热率，一般它是随温度变化的。T_u为铀芯温度，C_u为铀芯比热，ρ_u为铀芯密度，q_v为单位体积释热率，r为计算微元与铀芯中心的距离。

对包壳，导热系数可以看做常数，并可忽略其中的内热源，则包壳的导热微分方程可以写作：

$C_c{\mathrm{\ρ}}_c\frac{\∂T_c(r,t)}{\∂t}=k_c\[\frac{{\∂}^2{T}_c(r,t)}{\∂r^2}+\frac{1}{r}\frac{\∂T(r,t)}{\∂r}\]---\left(6\right)$

式中C_c为包壳比热，T_c为包壳温度，ρ_c为包壳材料密度，k_c是包壳材料的导热率

以上两个方程的边界条件为(冷却剂温度分布和换热系数在边界

条件中使用)：

a.包壳外表面上的导热条件：

$-k_c\frac{\∂T_c}{\∂r}{|}_{r=r_{cs}}={\mathrm{\α}}_l(T_{cs}-T_l)+q_R---\left(7\right)$

式中q_R是辐射热流量，元件温度不高时可以不考虑。T_ci为包壳外壁面温度，T_l为流体温度。

b.铀芯和包壳的连续性方程：

$-k_c\frac{\∂T_c}{\∂r}{|}_{r=r_{ci}}=q(r_{ci},t)=\frac{{\mathrm{\λ}}_g(T_u-T_{ci})}{\mathrm{\δ}}---\left(8\right)$

$-k_u\frac{\∂T_u}{\∂r}{|}_{r=r_u}=q(r_u,t)=\frac{r_{ci}}{r_u}q(r_{ci},t)---\left(9\right)$

式中λ_g为间隙等效导热系数，δ为气隙厚度，T_u为铀芯表面温度，T_ci为包壳内壁面温度。

c.轴芯对称条件：

$\frac{\∂T_u}{\∂r}{|}_{r=0}=0---\left(10\right)$

通过上述导热模型，可求解得到假想的真实燃料元件温度分布，再对燃料元件各微元温度做体积平均，即可得到燃料元件平均温度。

针对步骤4：温度效应引入的反应性计算方法如下：

ρ_f＝α_wΔT_u+α_lΔT_l (11)

式中α_w和α_l分别为燃料元件和冷却剂反馈系数，ΔT_u和ΔT_l分别为当前时刻和上一计算时刻的燃料元件平均温度差和冷却剂平均温度差。

针对步骤5：对于以平均温度作为控制参数的反应堆，n_e的一般计算表达式如下：

$n_e=k_1{F}_s+k_2(\frac{T_{in}+T_{out}}{2}-T_{giv})---\left(12\right)$

式中，k₁和k₂为常量，T_giv为给定平均温度。

针对步骤6：调节棒的总体控制原则为：当Δn>0时，表明当前功率比需求功率低，则此时需提棒，增大反应堆功率；当Δn<0时，则此时需插棒，降低反应堆功率。

调节棒棒速控制方式的一般形式如下：

$\left\{\begin{array}{cc}{u}_b=u_{max}& k_3\mathrm{\&Delta;}n>u_{max}\\ u_b=k_3\mathrm{\&Delta;}n& \left|k_3\mathrm{\&Delta;}n\right|\&le;u_{max}\\ u_b=-u_{max}& k_3\mathrm{\&Delta;}n<-u_{max}\end{array}\right.---\left(13\right)$

上式中，u_b为调节棒棒速，u_max为调节棒最大棒速，k₃为常量。

以调节棒棒速乘以时间步长得到调节棒的移动距离，再与上一时刻调节棒位置相比较，可得到当前时刻调节棒的位置。根据调节棒微积分价值(为数组形式，无法提供算法)，通过插值法即可求解得到调节棒需引入的反应性ρ_c。

将ρ_f和ρ_c相加后代入点堆方程，带有六组缓发中子的点堆方程表达式如下：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{dn\left(t\right)}{dt}=\frac{\mathrm{\&rho;}\left(t\right)-\mathrm{\&beta;}}{\mathrm{\&Lambda;}}n\left(t\right)+\underset{i=1}{\overset{6}{\&Sigma;}}{\mathrm{\&lambda;}}_i{C}_i\left(t\right)\\ \begin{array}{cc}\frac{{\mathrm{dC}}_i\left(t\right)}{dt}=\frac{{\mathrm{\&beta;}}_i}{\mathrm{\&Lambda;}}n\left(t\right)-{\mathrm{\&lambda;}}_i{C}_i\left(t\right)& i=1,...,6\end{array}\end{array}\right.---\left(14\right)$

式中，ρ为引入总反应性，ρ＝ρ_f+ρ_c。n(t)为裂变总功率，β为总有效缓发中子份额，βi为第i种缓发中子份额，Ci(t)为第i种中子的裂变功率，λi为第i种中子衰变参数，λ_i＝1/ti，ti为第i组缓发中子平均寿命，Λ为中子每代时间，有：

$\mathrm{\&Lambda;}=\frac{l_{\mathrm{\&infin;}}}{{\mathrm{v\&Sigma;}}_f/{\mathrm{\&Sigma;}}_a}---\left(15\right)$

其中l_∞、v、Σ_f、Σ_a分别表示无限介质中中子平均寿命、每次裂变释放的平均中子数、宏观裂变截面和宏观吸收截面。

实施例2：

本实施例在实施例1的基础上作进一步限定，作为对以上方法的进一步限定，还包括设置在步骤7)后的步骤8)，所述步骤8)为：经过一个时间步长后，重复步骤1)至步骤7)。

实施例3：

本实施例提供了一种用于承载或实现实施例1所述的方法的硬件系统：一种用于承载或实现以上方法的电加热模拟核释热的系统，包括反应堆堆芯模拟体，所述反应堆堆芯模拟体中的热源为电加热元件，该系统还包括实时测量系统、核释热计算模块，D/A输出模块和电源控制系统，所述实时测量系统的输入端连接在原型堆上用于原型堆上的数据测量，所述实时测量系统的输出端连接核释热计算模块的数据输入端，核释热计算模块的数据输出端与D/A输出模块的输入端相连，所述D/A输出模块的数据输出端连接在电源控制系统上，所述电源控制系统连接于反应堆堆芯模拟体的电加热元件上，用于控制反应堆堆芯热源的输出功率。

反应堆堆芯模拟体用于精确模拟反应堆堆芯模拟体热工水力特性，实时测量系统用于高频次采集系统参数，核释热计算模块根据采集得到的系统参数实时计算下一时刻的堆芯功率，D/A输出模块将堆芯功率转换为数字信号输入给电源控制系统从而控制电加热元件功率。

具体的，实时测量系统采集热工参数，实时测量系统包括测温装置、流量计、测压装置、功率采集装置等，实时测量系统测得对应参数后并将以上参数输入至核释热计算模块，其实现方法如下：

本系统采集的参数主要有堆芯进口、出口冷却剂温度T_in和T_out、冷却剂流量W、一回路系统压力P、当前反应堆堆芯模拟体功率n₀和二回路蒸汽流量F_s；

其中，各温度信号采用NANMAC的N型铠装热电偶，流量信号采用文丘里流量计，文丘里流量计中所测压差信号采用Honeywell的ST3000系列智能式压差变送器，压力信号采用Honeywell的ST800系列智能式压力变送器，电流测量采用ABB的霍尔传感器，电压测量采用Weidmuller的电压监控模块，测量得到的电流和电压相乘可得到功率。以上各测量仪表的采集频率均不低于10Hz。

D/A输出模块作用是将计算获得的功率转换成模拟量并输入给电源控制系统，采用NI(美国国家仪器有限公司)的9265模块。

电源控制系统根据D/A模块传输的信号将相应的电流加载到反应堆堆芯模拟体上，由于反应堆堆芯模拟体电阻基本稳定，因此可通过控制加载的电流来控制反应堆模拟体功率。可采西安电力整流器厂的KHS-32000/250晶闸管直流电源。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的技术方案下得出的其他实施方式，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种电加热模拟核释热的方法，用于采用电加热元件作为热源的堆外反应堆堆芯模拟体模拟试验中，其特征在于，包括如下步骤：

1)、采集当前时刻反应堆堆芯模拟体进口、出口冷却剂温度T_in和T_out、冷却剂流量W、一回路系统压力P、当前反应堆堆芯模拟体功率n₀和二回路蒸汽流量F_s；

2)、通过守恒方程求出冷却剂的焓，再由水和水蒸气物性公式求出冷却剂的温度分布，同时求出冷却剂的换热系数；

3)、以冷却剂温度分布和换热系数为条件，通过导热模型求解出假想的真实燃料元件温度分布及元件的平均温度；

4)、求出冷却剂温度的变化和燃料元件平均温度的变化，并根据燃料元件反应性系数和冷却剂反应性系数，解得到因温度效应而引入的反应性ρ_f；

5)、根据当前时刻反应堆堆芯模拟体冷却剂进出口温度T_in和T_out和蒸汽流量F_s，计算出达到热平衡状态所需要的功率n_e，将n_e与当前模拟体功率n₀进行比较，得到功率偏差Δn；

6)、依据Δn计算出调节棒棒速，乘以时间步长得到调节棒的移动距离，再根据调节棒微积分价值，计算得到调节棒需引入的反应性ρ_c。将ρ_f和ρ_c相加后代入点堆方程，计算出新功率n₁；

7)、调整电加热元件的功率值至新功率n₁。

2.根据权利要求1所述的一种电加热模拟核释热的方法，其特征在于，还包括设置在步骤7)后的步骤8)，所述步骤8)为：经过一个时间步长后，重复步骤1)至步骤7)。

3.一种电加热模拟核释热的系统，包括反应堆堆芯模拟体，其特征在于，所述反应堆堆芯模拟体中的热源为电加热元件，该系统还包括实时测量系统、核释热计算模块，D/A输出模块和电源控制系统，所述实时测量系统的输入端连接在原型堆上用于原型堆上的数据测量，所述实时测量系统的输出端连接核释热计算模块的数据输入端，核释热计算模块的数据输出端与D/A输出模块的输入端相连，所述D/A输出模块的数据输出端连接在电源控制系统上，所述电源控制系统连接于反应堆堆芯模拟体的电加热元件上，用于控制反应堆堆芯热源的输出功率。