基于模型的氣冷反應堆虛擬仿真＊

祁 琳 喬仕嶺 李宗洋 劉黎麗 劉天才

（1.中國原子能科學研究院，北京 102413；2.中核戰(zhàn)略規(guī)劃研究總院，北京 100048）

空間核反應堆電源具有環(huán)境適應性好、功率覆蓋范圍廣、結構緊湊以及大功率條件下質量功率比小等突出優(yōu)點，在軍民航天任務中具有廣闊的應用前景[1]。隨著人類足跡的不斷拓展，開發(fā)更高效的熱電轉換系統(tǒng)，從而降低重量、提升效益，是空間核反應堆的一個重要發(fā)展趨勢。將高溫燃氣輪機循環(huán)耦合到氣冷反應堆上，空間應用的效率可達35%，如此顯著的效率改進將使大功率空間核反應堆電源及核電推進成為可能。NASA Prometheus計劃中確定了輸出電功率為200kWe的氣冷反應堆加布雷頓循環(huán)的空間堆電源系統(tǒng)方案，建造了布雷頓發(fā)電機樣機并開展了相關試驗。俄羅斯實施了兆瓦級空間核動力飛船研發(fā)計劃[2]，空間堆電源同樣采用超高溫氣冷反應堆設計，氣體布雷頓循環(huán)發(fā)電，目前已完成兆瓦級空間核反應堆電源初步設計、反應堆燃料元件入堆考驗以及反應堆本體技術試驗工作。

空間核反應堆電源技術融核能、航天、材料、信息、控制、環(huán)境等科學為一體，是一門綜合性的前沿科學工程技術，技術跨度廣、難度大、安全性要求高，很有必要在設計初期，利用虛擬樣機技術將虛擬對象與虛擬試驗環(huán)境結合起來，在設計的早期及時發(fā)現(xiàn)潛在的問題，進行調整修正、實現(xiàn)優(yōu)化。

本文開展基于模型的氣冷反應堆虛擬仿真，完成對氣冷反應堆電源系統(tǒng)構型的逼真呈現(xiàn)、物理狀態(tài)的生動可視化，以及運行過程的精確仿真，從而真正達到虛擬仿真與反應堆型號研制、運行相結合，對加快空間堆研發(fā)步伐具有重要意義。

一、研究內容

1.研究對象

本文的研究對象為132kWe氣冷空間堆系統(tǒng)，堆芯產生的熱量由氦氙混合氣體帶出，流經(jīng)透平做功，再流經(jīng)回熱器放熱，最后流經(jīng)氣體冷卻器釋放余熱，排出的冷卻工質經(jīng)壓氣機壓縮和回熱器加熱，再次回到堆芯，如圖1所示。

圖1 氣冷反應堆（a）和閉式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)（b）示意圖

2.虛擬仿真技術

虛擬仿真技術是基于先進建模技術、多領域仿真技術、交互式用戶界面技術、虛擬現(xiàn)實技術等的綜合應用技術。虛擬仿真系統(tǒng)將不同工程領域的開發(fā)模型結合在一起，能夠從外觀、功能和行為上模擬真實產品[3]。其中，從外觀上模擬反應堆需要解決三維結構可視化技術，從功能上模擬反應堆需要解決系統(tǒng)瞬態(tài)仿真技術，此外，還需要將生成的仿真數(shù)據(jù)送入可視化環(huán)境，最終從外觀、功能以及在虛擬環(huán)境中的各種行為上表達反應堆。

法國的AREVA公司與達索公司合作，將虛擬現(xiàn)實技術應用于反應堆工程的設計、建造、運行和維護過程，以三維模型為基礎實現(xiàn)了反應堆運行過程的動態(tài)仿真。

中國核動力研究設計院利用Delmia、UG等軟件完成了反應堆的結構樣機，并在此基礎上建立了虛擬檢修系統(tǒng)[4]。

武漢核動力運行研究所核電仿真中心開發(fā)了用于工作人員操作培訓的虛擬仿真系統(tǒng)，為核電站人員熟悉工作環(huán)境、掌握設備特性、演習工作流程提供支撐，是虛擬仿真技術在核工業(yè)領域的一次成功應用[5]。

3.關鍵問題及研究思路

根據(jù)國內外在虛擬仿真技術方面的研究成果，主要是在結構仿真或功能仿真的基礎上開發(fā)專用樣機模擬特定的行為，并沒有真正地將結構仿真與功能仿真耦合起來，同步處理運動學信息和動力學信息，從而實現(xiàn)反應堆的整體表達。

因此，多領域仿真程序的交互和信息的實時傳遞是虛擬仿真的關鍵問題之一，本研究將面向氣冷空間堆安全分析、演示驗證、運行培訓等功能需求，主要解決系統(tǒng)瞬態(tài)仿真技術和三維結構可視化技術，在此基礎上建立交互式數(shù)據(jù)與指令接口，完成運行仿真和可視化的一體化綜合解決方案。

二、研究方法

1.氣冷反應堆瞬態(tài)仿真程序開發(fā)

為了掌握氣冷反應堆的動態(tài)特性，建立其系統(tǒng)設備的動力學模型，主要模型及求解公式如下。

1.1 六組緩發(fā)中子的裂變功率模型

其中，n-裂變功率（W）；ρ（t）-總反應性；β-緩發(fā)中子總份額；βi-第i組緩發(fā)中子份額；Λ-中子代時間（s）；λi-第i組緩發(fā)中子衰變常數(shù)（s-1）；Ci（t）-第i組緩發(fā)中子的裂變功率（W）；S0-初始源（W）；ρinsert（t）-控制棒引入的反應性；ρfeedback（t）-反應性反饋。

1.2 四組裂變產物的衰變功率模型

1.3 功率分布模型

其中，QV，JK-燃料控制體體積釋熱率（W/m3）；ΦJK-燃料控制體功率份額；VJK-燃料控制體體積（m3）。

1.4 反應性反饋模型

其中，α-反饋系數(shù)；下標fuel表示燃料，下標lattice表示格架，下標BeO表示反射層，下標Init表示初始。

1.5 燃料和冷卻劑溫度求解模型

其中，Tf-燃料溫度（K）；κf-燃料的比熱容倒數(shù)（K/J）；γf-燃料向冷卻劑傳熱的時間常數(shù)倒數(shù)（1/s）；κcav-冷卻劑的比熱容倒數(shù)（K/J）；Tcav-冷卻劑平均溫度（K）；T3、T4-堆芯冷卻劑進出口溫度（K）；Af-燃料與冷卻劑的換熱面積（m2）；Cp-冷卻劑比熱容（J/kgK）；mdot-冷卻劑質量流量（kg/s）。

1.6 回熱器結構材料溫度求解模型

其中，Trcp-回熱器結構材料溫度（K）；hrcp-回熱器傳熱系數(shù)（W/m2K）；Arcp-回熱器換熱面積（m2）；Cprcp-回熱器結構材料比熱（J/kgK）；T2、T3-回熱器熱側進出口溫度（K）；T23是回熱器熱側進出口平均溫度（K）；T5、T6-回熱器冷測進出口溫度（K）。

1.7 輸出電功率求解模型

其中，PX-旋轉軸的額外功率（W）；Pturb-渦輪機產生的功率（W）；Pcomp-壓縮機消耗的功率（W）；Pload-負載功率（W）；Nrpm-旋轉軸轉速（1/s）；Itac-旋轉惰性（kgm2）；Vhp、Vlp-高低壓缸體積（L）；R0-氦氙混合氣體常數(shù)（J/kgK）；T1、T2、T6-壓縮機進出口溫度和氣體冷卻器進口溫度（K）。

此外，還建立了管道模型、腔室模型、輻射散熱器模型、管網(wǎng)模型、泵模型等參與回路的計算，均采用集總參數(shù)模型，求解質量、動量、能量守恒方程?；贔ortran語言，開發(fā)了氣冷反應堆瞬態(tài)仿真程序。

2.氣冷反應堆三維可視化程序開發(fā)

為了對反應堆系統(tǒng)的整體及各部件結構進行多角度三維展示，為虛擬仿真系統(tǒng)提供擬高視效的三維環(huán)境，研究三維可視化技術，建立氣冷反應堆的全三維數(shù)字資產，實現(xiàn)虛擬運行等可視化應用場景。三維結構模型的建立將直接影響運行、操作、控制的效果和培訓的逼真度。

本研究中，氣冷堆的三維模型展示是通過自研軟件“反應堆三維展示與虛擬裝配平臺”（下簡稱虛擬裝配平臺）來實現(xiàn)的。虛擬裝配平臺采用的是C#語言、結合SQL Server數(shù)據(jù)庫和EON三維引擎，實現(xiàn)了反應堆模型的三維可視化、虛擬裝配設計等功能，如圖2所示。

圖2 反應堆三維展示與虛擬裝配平臺

3.交互式接口程序開發(fā)

為了將仿真過程中產生的實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、設施設備的操作記錄、維護數(shù)據(jù)等在三維場景中進行疊加顯示與交互，需要開發(fā)交互式程序接口，實現(xiàn)3KeyMaster仿真平臺與氣冷堆安全分析程序的連接，以及3KeyMaster平臺與氣冷堆三維模型展示平臺的連接。

根據(jù)仿真需求，選用基于共享內存[6]的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，如圖3所示。將瞬態(tài)仿真程序編譯成動態(tài)鏈接庫（Dynamic Link Library，簡稱DLL）的形式，重新編寫一個C++程序調用動態(tài)鏈接庫，并且同時調用api函數(shù)，實現(xiàn)與task的C++程序的連接；虛擬裝配平臺通過C#語言實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，C#語言調用windows API，可以通過DllImport屬性，將windows系統(tǒng)DLL文件中的API函數(shù)導入到C#工程中，供C#工程直接調用。

圖3 接口設計方案示意圖

4.時間步長的控制

時間步長的控制采用windows事件的方式進行調控，windows事件即相當于一個windows系統(tǒng)級別的全局變量，用于不同進程之間的信息傳遞。windows事件實現(xiàn)基本運行功能及時間步長控制的原理如圖4所示，將全部數(shù)據(jù)根據(jù)其內存地址映射到共享內存區(qū)，并根據(jù)進程、按規(guī)定的頻率建立中斷機制，使每一幀具有精確的周期[7]，最終實現(xiàn)3KeyMaster與氣冷反應堆瞬態(tài)仿真程序、虛擬裝配程序的同步運行。

圖4 事件功能原理圖

三、氣冷反應堆虛擬仿真系統(tǒng)

氣冷反應堆虛擬運行仿真系統(tǒng)具備運行流程三維演示、虛擬操作、工況模擬等功能。

1.系統(tǒng)開發(fā)

采用先進仿真開發(fā)平臺3KeyMaster、商用工業(yè)三維引擎EON、多專業(yè)自研理論模型結合相應軟件與數(shù)據(jù)庫開發(fā)平臺共同構成開發(fā)環(huán)境[8]，如圖5所示，利用自主開發(fā)的瞬態(tài)仿真模型和系統(tǒng)結構模型產生仿真數(shù)據(jù)和虛擬對象，完成它們在第三方支撐平臺上的疊加顯示。用戶進行虛擬運行仿真時，只需要在第三方支撐平臺上打開兩套模型，引入用戶所需的操作，則虛擬對象和仿真數(shù)據(jù)同步發(fā)生相應的變化。

圖5 虛擬仿真系統(tǒng)架構

圖6是氣冷反應堆虛擬仿真系統(tǒng)工作界面，包括二維圖形仿真界面、關鍵參數(shù)趨勢圖界面、三維動態(tài)操作界面。

2.氣冷反應堆工況仿真

2.1 反應性瞬變

額定工況下引入+68pcm的外加反應性，核功率和堆芯最高溫度的響應如圖7、圖8所示。隨著功率升高，堆芯燃料溫度逐漸上升，隨后由于燃料和冷卻劑溫度負反饋使功率升高減慢。

圖8 引入正反應性后堆芯溫度的響應

2.2 單個布雷頓機械故障

額定工況下引入某環(huán)路布雷頓機械失流，核功率和堆芯最高溫度的響應如圖9、圖10所示。隨著冷卻劑流量逐漸減少，堆芯燃料溫度逐漸上升，隨后由于燃料和冷卻劑溫度負反饋使功率降低，隨后堆芯溫度升高速度減慢。

圖9 單個布雷頓機械故障后核功率的響應

圖10 單個布雷頓機械故障后堆芯溫度的響應

結語

本文面向氣冷反應堆開展虛擬運行仿真技術研究，首先開發(fā)了反應堆和閉式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)仿真模型，以及三維可視化結構模型；然后通過交互式接口開發(fā)，實現(xiàn)了不同專業(yè)模型基于統(tǒng)一平臺的同步運行和疊加顯示；最終建立了氣冷反應堆虛擬仿真系統(tǒng)，并開展了仿真實驗。為支持氣冷反應堆的動態(tài)特性分析、儀控驗證、虛擬裝配與運行提供了一種參考途徑。