中國(guó)先進(jìn)研究堆運(yùn)行中的動(dòng)態(tài)特性研究

靳楠楠 王玉林

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院 北京 102413)

中國(guó)先進(jìn)研究堆（CARR）是由中國(guó)原子能科學(xué)研究院自主設(shè)計(jì)、建造的多用途、高性能研究反應(yīng)堆，該堆于2010年5月實(shí)現(xiàn)首次臨界。在CARR堆日常運(yùn)行期間，我們發(fā)現(xiàn)采用磁力驅(qū)動(dòng)方式，將驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)置于堆芯底部的這種設(shè)計(jì)方案，尤其在控制棒吸收體反應(yīng)性價(jià)值較大的情況下，會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)定功率運(yùn)行時(shí)反應(yīng)堆功率波動(dòng)較大，且具有發(fā)生短周期事件的潛在風(fēng)險(xiǎn)[1-2]。采用類似設(shè)計(jì)的研究堆，如韓國(guó)KJRR堆[3]，亦可能存在相同的功率穩(wěn)定性問(wèn)題，研究了解該類型研究堆運(yùn)行過(guò)程中的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，將有助于加深我們對(duì)磁力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在反應(yīng)堆中存在問(wèn)題的理解，有助于在未來(lái)研究堆建設(shè)中避免相同問(wèn)題。本文以Simulink仿真分析軟件為基礎(chǔ)，建立了CARR全堆數(shù)學(xué)模型，分析計(jì)算了反應(yīng)堆運(yùn)行過(guò)程中的有關(guān)重要參數(shù)，通過(guò)與實(shí)際運(yùn)行中采集到的數(shù)據(jù)相比較，驗(yàn)證了該模型的正確性[4]。

1 簡(jiǎn)述

本文仿真計(jì)算模型主要分為三個(gè)主要部分：物理計(jì)算模型、熱工計(jì)算模型、控制系統(tǒng)計(jì)算模型[5]。其模型計(jì)算流程簡(jiǎn)圖如圖1所示。

2 仿真計(jì)算模型

2.1 物理模型

堆芯物理模型采用了整理后的六組緩發(fā)中子點(diǎn)堆模型：

圖1 仿真計(jì)算流程圖

圖2 CARR燃料元件示意圖

圖3 CARR功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)示意圖

圖4 功率動(dòng)態(tài)變化圖

在計(jì)算模型中引入大小為1×10-3的階躍反應(yīng)性，計(jì)算得到反應(yīng)堆穩(wěn)定周期為61.78s。該計(jì)算結(jié)果與相關(guān)資料記載：U235反應(yīng)堆在引入大小為1×10-3的反應(yīng)性時(shí)，反應(yīng)堆穩(wěn)定周期為60s的結(jié)果基本一致[6]，可以認(rèn)為建立的堆芯物理模型與反應(yīng)堆周期計(jì)算模型合理、正確。

2.2 熱工模型

CARR堆在國(guó)內(nèi)首次使用了板型燃料元件，因此堆芯熱工計(jì)算時(shí)，需采用板間換熱模型。其換熱過(guò)程如圖2所示。

圖5 棒位動(dòng)態(tài)變化圖

另外，CARR堆中含有兩種類型的燃料組件：標(biāo)準(zhǔn)燃料組件和跟隨體燃料組件。兩種類型組件的芯體皆為富集度為19.75%的材料，包殼為6061鋁材，燃料板之間采用輕水冷卻、慢化。

燃料芯體與包殼之間的換熱計(jì)算：

包殼與冷卻劑之間的換熱計(jì)算：

冷卻劑的溫度變化計(jì)算：

當(dāng)熱工仿真計(jì)算模型建立完成后[7-8]，將計(jì)算結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。

2.3 控制系統(tǒng)模型

CARR堆采用了全數(shù)字化儀控系統(tǒng)，功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大致如圖3所示。

為模擬線圈與銜鐵之間存在的空程問(wèn)題，在建模時(shí)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的響應(yīng)時(shí)間作了延遲處理，并實(shí)時(shí)計(jì)算控制棒的棒速、棒位變化。

3 仿真結(jié)果分析

將CARR堆各項(xiàng)參數(shù)代入模型[9-10]，在引入大小為的階躍反應(yīng)性（此時(shí)反應(yīng)堆瞬時(shí)周期10.98s）時(shí)，對(duì)反應(yīng)堆功率的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行分析，其計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

部分關(guān)鍵數(shù)據(jù)如表2所示。

由計(jì)算結(jié)果分析得出，當(dāng)CARR堆處于穩(wěn)定功率運(yùn)行時(shí)，反應(yīng)堆功率震蕩幅度為目標(biāo)功率的4.65%，震蕩周期為56.53s?？紤]到實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中反應(yīng)堆會(huì)受到更多不確定因素的影響和點(diǎn)堆模型本身的局限性，CARR堆的實(shí)際功率震蕩周期在2030s之間，計(jì)算結(jié)果在合理范圍內(nèi)。同時(shí)，從棒位動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中可以看出（見(jiàn)圖5），穩(wěn)功率運(yùn)行時(shí)，棒位一直處于2.44mm小范圍內(nèi)的周期運(yùn)動(dòng)，這對(duì)于磁力柔性連接結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)具有非常大的挑戰(zhàn)性，為實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆的穩(wěn)定控制，對(duì)控制算法的要求十分嚴(yán)格。

表1 熱工計(jì)算結(jié)果對(duì)比

表2 仿真分析結(jié)果對(duì)比

本模型計(jì)算結(jié)果較好的模擬了CARR堆在運(yùn)行中的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，為改進(jìn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與優(yōu)化控制邏輯提供了一種有效檢驗(yàn)工具，同時(shí)該動(dòng)態(tài)過(guò)程對(duì)采用同類型柔性連接驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)研究堆也具有借鑒意義。