PWR堆芯動態(tài)特性的SIMULINK仿真計算及界面設(shè)計

何麗華，謝金森，劉紫靜，謝芹，鄭平衛(wèi)（.南華大學核科學技術(shù)學院，湖南衡陽4200；2.南華大學環(huán)境保護與安全工程學院，湖南衡陽4200）

PWR堆芯動態(tài)特性的SIMULINK仿真計算及界面設(shè)計

何麗華1，謝金森1，劉紫靜1，謝芹1，鄭平衛(wèi)2★
（1.南華大學核科學技術(shù)學院，湖南衡陽421001；2.南華大學環(huán)境保護與安全工程學院，湖南衡陽421001）

運用堆芯物理熱工模型建立了PWR堆芯的SIMULINK仿真模型，探討了在不同反應(yīng)性擾動下堆芯的動態(tài)響應(yīng)規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)SIMULINK仿真模型建立了GUI人機交換界面，通過GUI界面設(shè)置模型參數(shù)并控制SIMULINK程序和顯示仿真結(jié)果，使仿真更加直觀、靈活、快捷。

PWR堆芯；SIMULINK仿真；GUI

壓水堆核電廠（PWR）堆芯的運行是一個復雜的物理、熱工過程。PWR堆芯的仿真計算對核電站的運行及核電發(fā)展具有重要的意義。目前國際上有很多能夠真實模擬系統(tǒng)瞬態(tài)過程的程序，如美國的 RELAP5，MELCOR，COBRA 和 RETRAN，以及德國的ATHLET，法國的 CATHARE等［1，2］。MATLAB/SIMULINK［3］采用模塊化框圖進行編程，能夠直觀快速的搭建系統(tǒng)模型，利用其封裝技術(shù)可將模型簡化。SIMULINK搭建用戶仿真模型直觀快捷，但SIMULINK模型參數(shù)的調(diào)整需要將仿真模型的各個模塊打開，然后逐一設(shè)計參數(shù)，不夠方便，輸出結(jié)果在Scope中查看也不夠直觀［4］?？蓪IMULINK聯(lián)合圖形用戶界面（GUIDE）［5］的面向?qū)ο罂梢暬幊?，將SIMULINK融入到GUIDE中可以方便模型的終端用戶直接可視化的操控模型參數(shù)和顯示仿真結(jié)果，可以不需要SIMULINK環(huán)境，使計算程序應(yīng)用起來更加靈活快捷。

本文首先采用SIMULINK軟件建立了PWR堆芯的仿真計算模型并進行仿真計算，探討不同反應(yīng)性擾動下堆芯的動態(tài)響應(yīng)規(guī)律，然后根據(jù)SIMULINK仿真模型建立了PWR堆芯的GUI（Graphical User Interfaces，GUI）交互界面。

1　PWR堆芯 SIMULINK仿真模型

要想建立PWR堆芯的SIMULINK仿真模型，首先需要建立其相應(yīng)的數(shù)學物理模型，本文的數(shù)學物理模型包括了堆芯動力學模型、熱工傳熱模型和反應(yīng)性模型，具體模型詳見參考文獻［5，6，7］。在SIMULINK環(huán)境下建立相應(yīng)的仿真模型，利用SIMULINK中的封裝技術(shù)，實現(xiàn)PWR堆芯的各個部分的模塊化設(shè)計。圖1為建立的堆芯仿真計算程序SIMULINK模型。點堆中子動力學模塊根據(jù)反應(yīng)性模塊引入的反應(yīng)性，計算出中子密度的變化量傳遞給熱工傳熱模塊；熱工傳熱模塊計算出回路的所有熱工參數(shù)向反應(yīng)性模塊輸入燃料和冷卻劑溫度變化量；反應(yīng)性模塊計算反饋反應(yīng)性和擾動反應(yīng)性變化量提供給點堆中子動力學模塊。

圖1　PWR堆芯SIMULINK仿真模型Fig.1　PWR reactor core simulation model

2　PWR堆芯的GUI界面設(shè)計實現(xiàn)

GUI具有良好的人機對話界面。GUI界面可以使用M文件來創(chuàng)建，也可利用GUIDE環(huán)境創(chuàng)建GUI［8，9］。用GUIDE創(chuàng)建GUI界面時，用戶可以保存為一個用戶所需的組件資源的FIG文件和一個包含控制代碼的運行函數(shù)M文件，分別以.fig和.m為后綴。用戶根據(jù)功能需要進行界面的布局，然后再在M文件中編寫GUI對象運行所需代碼［10］。本文采用GUIDE環(huán)境設(shè)計的仿真界面如圖2所示。

圖2　PWR堆芯的 GUI控制界面圖Fig.2　PWR reactor core GUI interface control figure

圖2中所設(shè)計的GUI主界面包括6個區(qū)域：

（1）菜單區(qū)：它位于整個界面的最上端，包含了文件、視圖、作者、幫助和顏色等菜單，每個菜單都包含多個選項，可進行相應(yīng)的操作處理。

（2）仿真類型設(shè)置區(qū)：這個區(qū)包含了仿真算法、仿真步長、仿真時間三個變量的控制。其中仿真算法和仿真步長以彈出菜單回調(diào)函數(shù)。本文選取了三種可變步長的算法：Ode45（一步解法，是顯示的Rung-Kutla和Dormand-Prince算法的結(jié)合），Ode23（一步算法、適宜剛性求解和誤差計算），Ode113（多步、可變階算法）；仿真步長可以根據(jù)用戶需要選擇定步長或變步長；仿真時間根據(jù)用戶需要設(shè)置仿真時間。

（3）仿真開關(guān)控制區(qū)：這個區(qū)域包含了開始仿真、暫停仿真、繼續(xù)仿真和退出界面四個按鈕。點擊“開始仿真”，仿真計算開始；點擊“暫停仿真”和“繼續(xù)仿真”兩個按鈕，仿真圖像能夠暫停和繼續(xù)，這兩個按鈕功能的實現(xiàn)是通過加入一個定時器，設(shè)置一個全局變量pauseFlag，設(shè)定0和1兩種狀態(tài)，1為暫停開始。 仿真運行完畢后，提示框顯示“仿真暫停”。0為恢復到原始運行狀態(tài)，提示框顯示“繼續(xù)仿真”。點擊“退出界面”按鈕，界面關(guān)閉。

（4）中子動力學參數(shù)設(shè)置區(qū)域：在這個區(qū)域設(shè)置六組緩發(fā)中子的裂變產(chǎn)額和衰變常數(shù)參數(shù)，同時設(shè)置中子密度初始值參數(shù)，界面中設(shè)置的參數(shù)傳入Simulink計算。

（5）熱工參數(shù)設(shè)置區(qū)域：在這個區(qū)設(shè)置初始功率、燃料比熱、燃料質(zhì)量、堆芯中冷卻劑的比熱、燃料和冷卻劑傳熱系數(shù)等參數(shù)。

（6）仿真圖像輸出區(qū)域：仿真輸出圖像在這個區(qū)域顯示。

（7）仿真結(jié)果輸出區(qū)：包括了中子密度變化、燃料溫度變化、冷卻劑溫度變化和熱線溫度變化幾個按鈕。仿真計算后，點擊按鈕將在圖形輸出區(qū)域輸出相應(yīng)仿真圖像。

圖2中GUI界面中每個選項的功能的實現(xiàn)需要在生成的M文件中編制程序命令來實現(xiàn)。

所建SIMULINK模型在封裝的時候各參數(shù)都以變量形式表示，在不進入SIMULINK環(huán)境下，在GUI界面中設(shè)置參數(shù)遞給SIMULINK模型計算，GUI再調(diào)用計算結(jié)果顯示圖形輸出。本文采用函數(shù)跨空間傳遞實現(xiàn)SIMULINK與GUI之間的參數(shù)調(diào)用［4］。在GUI中，使用set_param（）函數(shù)設(shè)置模型中的參數(shù)，利用get_param（）函數(shù)獲取，然后使用simset（）函數(shù)指定模型的運行空間，對模型從當前GUI函數(shù)空間進行仿真。

GUI與SIMULINK模型連接后，GUI界面把所需的參數(shù)數(shù)據(jù)傳給SIMULINK計算程序。圖3為獲得GUI設(shè)置的參數(shù)后的點堆中子動力學模塊獲得參數(shù)的界面。熱工模塊和反應(yīng)性模塊參數(shù)設(shè)置方法相同，只是參數(shù)變量不同。當計算完畢后，計算程序把計算結(jié)果存儲在Workspace中，當需要輸出圖形時從Workspace中調(diào)用數(shù)據(jù)。輸出圖形時，選擇GUI中的坐標軸對象，對每個Axes屬性中的Tag進行變量名的設(shè)置，然后在Callback編寫回調(diào)函數(shù)，進行plot畫圖設(shè)置。

圖3　點堆中子動力學模塊獲得參數(shù)界面Fig.3　The input interface of point reactor kinetics parameter

3　仿真計算結(jié)果分析

在SIMULINK環(huán)境下，在圖1仿真模型的反應(yīng)性模塊上加入一個正0.002的階躍反應(yīng)性擾動，中子密度變化、燃料溫度變化、冷卻劑溫度平均溫度如圖4-圖6；圖7-圖9為在反應(yīng)性模塊上加入一個負0.002的反應(yīng)性擾動后得到的中子密度變化、燃料溫度變化、冷卻劑平均溫度變化運行結(jié)果。

圖4　中子密度變化圖Fig.4　Figure of neutron density change

圖5 燃料溫度變化圖Fig.5　Figure of fuel temperature change

圖6　冷卻劑平均溫度變化圖Fig.6　Figure of coolant temperature change

從圖4-圖6可以看出，當引入一個正0.002反應(yīng)性擾動時，中子密度迅速上升，隨后由于反饋效應(yīng)降低到一個穩(wěn)定值；燃料溫度隨著中子密度的變化同樣是先上升后下降，最終穩(wěn)定在一個較高的新值上；冷卻劑平均溫度變化趨勢和燃料溫度變化相似。同理，當在反應(yīng)性模塊加入一個負0.002反應(yīng)性擾動時，中子通量、燃料溫度、冷卻劑平均溫度的變化同引入正0.002反應(yīng)性擾動時的變化剛好相反，但各參量最終也達到一個新的平衡（圖7-圖9）。因此，具有溫度反饋的反應(yīng)堆具有內(nèi)在的穩(wěn)定性。

圖7　中子密度變化圖Fig.7　Figure of neutron density

圖8　燃料溫度變化圖Fig.8　Figure of fuel temperature change

圖9　冷卻劑平均溫度變化圖Fig.9　Figure of coolant temperature change

在GUI界面輸入中子動力學參數(shù)和熱工參數(shù)，選擇仿真類型、步長和設(shè)定時間后，GUI調(diào)用SIMULINK仿真。圖10為GUI界面輸出的仿真結(jié)果圖，由圖可以看出在正0.002的階躍反應(yīng)性擾動下各個量的變化，這與在SIMULINK環(huán)境下直接仿真得到的結(jié)果（圖4-圖6）完全一樣；使用GUI和SIMULINK結(jié)合使用，可以方便的修改各個模塊的仿真參數(shù)，并快速的輸出仿真結(jié)果，仿真直觀、快捷、有效。

4　結(jié)論

本文建立的SIMULINK計算仿真模型較好地反映了反應(yīng)堆受到反應(yīng)性擾動下堆芯中子密度、燃料溫度及冷卻劑平均溫度的變化情況。各量在短時間波動后能夠重新達到一個新的平衡，表明反應(yīng)堆具有一定的自穩(wěn)定性。通過建立GUI界面來進行參數(shù)設(shè)置及控制SIMULINK程序，能夠方便的顯示出反應(yīng)性擾動下的PWR堆芯仿真計算結(jié)果，程序應(yīng)用更加靈活快捷，提高了仿真計算效率。

圖10　PWR堆芯GUI界面仿真Fig.10　GUI interface of PWR reactor core simulation

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The SIMULINK Simulation Calculation of PWR Reactor Core Dynamic Characteristics and Interface Design

HE Li-hua1，XIE Jin-sen1，LIU Zi-jing1，XIE Qin1，ZHENG Pi-wei2*
（1.School of Nuclear Science and Technology，University of South China，Hengyang Hunan 421001，China；2.School of Environmental Protection and Safety Engineering，University of South China，Hengyang Hunan 421001，China）

Applying the thermal reactor core physics model and thermal model，the PWR core of the SIMULINK model was established.The dynamic corresponding rules of the PWR core are discussed under different reactivity disturbance.On this basis，the SIMULINK simulation program GUI man-machine exchange interface is established.GUI interface can Set model parameters，control SIMULINK model and show simulation results，thus making the simulation more intuitive，fexible and fast.

PWR reactor core；SIMULINK simulation；GUI

HE Li-hua，XIE Jin-sen，LIU Zi-jing，et al.The SIMULINK Simulation Calculation of PWR Reactor Core Dynamic Characteristics and Interface Design［J］.The Journal of New Industrialization，2016，6（7）：17-21.

衡陽市科學技術(shù)發(fā)展計劃項目資助（2015KG54）；湖南省教育廳項目資助（14C1001）。

何麗華（1983－），女，講師，主要從事核反應(yīng)堆物理與安全方面的研究；謝金森（1985-），男，講師，主要從事核反應(yīng)堆物理的研究；劉紫靜（1989-），女，助教，主要從事核反應(yīng)堆物理的研究；謝芹（1986-），助教，主要從事反應(yīng)堆物理的研究；

鄭平衛(wèi)（1982-），講師，主要從事核聚變等離子體及核安全方面的研究