1 GWt PB-FHR负荷跟踪运行特性分析

为研究熔盐堆系统在商业应用中的价值,分析其是否满足电网负荷的变化需求和安全运行的能力,本文以1 GWt球床式氟盐冷却高温堆(PB-FHR)为研究对象,仿真计算其在负荷跟踪模式下的瞬态行为和运行特性。以RELAP5/MOD4.0程序为研究工具,并植入相关的熔盐物性与计算关系式,建立氟盐冷却高温堆的热工水力系统与功率控制系统的仿真模型,对典型负荷工况参数变化情况下控制系统的响应特性进行仿真分析。结果表明:该氟盐冷却高温堆系统在设计的控制逻辑的调控下,展示出良好的负荷跟踪运行能力,堆芯功率能迅速响应负荷变化,功率超调和温度超调小,反应堆的运行参数始终处于合理的运行范围内。     

一体化小型氟盐冷却高温堆瞬态特性分析

根据下一代核能系统的发展目标,提出了采用自然循环的一体化小型氟盐冷却高温堆的概念。利用修改后的RELAR5-MS系统分析程序,建立了一体化小型氟盐冷却高温堆模型,并得到其稳态特性参数。在此基础上,对其在满功率运行状态下的反应性引入事故和失热阱事故进行了分析。分析计算表明,在反应性事故工况下,由于自然循环的存在,堆芯冷却剂流量随着堆芯温度发生动态变化,最终达到新的稳态,燃料棒和冷却剂温度均处于安全限值范围内。在失热阱事故下,反应堆负反馈的特性使得堆芯功率逐渐降低并实现自动停堆,即使不考虑余热排出系统的作用,燃料组件和冷却剂温度上升缓慢,在140 h内,燃料棒和冷却剂温度均处于全限值范围内。结果表明,一回路采用自然循环冷却的一体化小型氟盐冷却高温堆具有良好的固有安全性。     

400 MW低温供热堆功率调节系统仿真研究

随着日益增长的居民供暖需求，以及对环保的重视，核能供热以其显著减排、供热量大、安全性高的优点，对保护环境、减少污染、缓解燃煤需求等具有积极意义。通过以400 MW低温供热堆一回路中间热交换器为仿真边界，依回路建立各部件的数学模型，基于Matlab/Simulink软件平台建立上述模型的仿真模型。通过设置功率阶跃适应负荷变化，研究低温供热堆控制系统调节能力及一回路负荷跟踪能力。仿真结果表明：低温供热堆一回路功率调节系统跟随负荷变化调节性能良好，控制系统对反应性扰动的响应良好，对于以后设计低温供热堆的运行方式，可考虑负荷运行。     

中国实验快堆负荷跟踪能力分析

以中国实验快堆(CEFR)主工艺系统为对象,利用MATLAB/Simulink软件建立仿真模型。在负荷阶跃变化且无调节系统参与的条件下进行仿真计算,研究CEFR及类似工艺的池式钠冷快堆的负荷跟踪能力。分析关键环节在负荷阶跃变化的极端情况下的运行特性,探究此类工艺负荷跟踪运行模式的可行性,为未来大型快堆在运行模式和工艺设计上提供参考。仿真结果表明,CEFR及其类似工艺的池式钠冷快堆负荷跟踪能力有限,其中直流式蒸汽发生器是限制其负荷跟踪能力的最大瓶颈。     

氟盐冷却高温堆半实物仿真及初步测试

基于半实物仿真理论,完善了氟盐冷却高温堆设计Mark-1的缩比模型CIET装置的功能,使该装置更能反映出反应堆运行的特点。借助MATLAB与LabVIEW的串口通信功能,在该装置的控制系统中增加中子动力学模型、反应性反馈模型以及温度控制和功率控制模型,使该装置能模拟Mark-1设计的一回路的运行。温度控制实验的测试结果显示,实验装置的加热器能迅速响应控制器的输出,达到设定的目标温度;通过对点堆功率控制模型的PID参数优化,获得较好的功率控制参数和调控结果,为后续优化控制逻辑、研究参数不确定性影响等奠定基础。     

固态燃料熔盐堆自适应功率控制器设计及分析

钍基熔盐堆核能系统(Thorium-based Molten Salt Reactor,TMSR)是中国科学院首批启动实施的战略性先导科技专项,旨在研发第四代反应堆核能系统。固态燃料钍基熔盐实验堆(The Solid Fuel Thorium-based Molten Salt Experimental Reactor,TMSR-SF1)是一个10 MW热功率的氟盐冷却球床堆,目前已经完成方案设计和初步工程设计。功率控制系统是反应堆一个关键控制系统,实现反应堆正常启动、功率运行和正常停堆功能,对保证反应堆安全和稳定运行起着极其重要的作用。根据TMSR-SF1运行控制要求,结合自适应控制理论,基于Lyapunov稳定性理论设计了一种TMSR-SF1模型参考自适应功率控制器。基于TMSR仿真平台,使用MATLAB/Simulink建立了自适应功率控制系统模型,并开展了控制器特性分析。结果表明,自适应功率控制器具备良好的负荷跟随能力,抗干扰能力强、稳定性好、可靠性高,能够满足TMSR-SF1功率控制的要求,确保堆芯的输出功率与功率设定值相匹配。     

核动力堆热功率跟踪系统的多步模型算法控制仿真研究

动力堆控制系统是一带不确定参数及干扰的复杂非线性系统,采用常规的古典控制很难保证其势功率精确跟踪负荷的变化。本工作利用系统开环脉冲响应序列建立了一非参数模型,并应用多步模型算法控制原理提出了一种动力堆热功率跟踪数字控制方法。该方法跟踪调节性能好、鲁棒性强、能消除不可测干扰。通过仿真检验和调试证明了该方法的正确性和有效性,并实现了热功率-负荷的高精度匹配。     

球床氟盐冷却高温堆堆芯热工水力模拟

本文对球床氟盐冷却高温堆堆芯热工流体现象进行了研究。采用计算流体动力学(CFD)方法进行了三维建模和计算,得到了燃料元件球表面温度分布和堆芯冷却剂速度场、温度场和压力的分布,验证了稳态工况下氟盐对堆芯的冷却能力,分析了氟盐的特殊热工流体力学性质对堆芯安全的影响,结果可用于球床氟盐冷却高温堆的初步设计。     

AMTEC转换空间堆系统负荷跟踪特性研究

研究了采用碱金属热电转换（AMTEC）、热管冷却的空间堆电源系统的负荷跟踪特性。分析了外部负载电阻及冷热端温度对模块化AMTEC性能的影响，利用TAPIRS程序分析了AMTEC转换空间堆系统在负载需求变化下的瞬态响应以及系统负荷跟踪特性。结果表明:随着外部负载电阻的增大，AMTEC热电转换效率及输出电功率都先增大到最大值，然后逐渐减小，存在临界外部负载电阻值使得AMTEC热电转换效率和输出电功率达到最大，但这2个临界值不相等；虽然空间堆具有负荷跟踪特性，但系统的固有负荷跟踪特性仅在大于临界外部负载电阻值时存在，当小于此外部负载电阻值时，空间堆系统表现为非负荷跟踪特性。      

负荷跟踪运行下反应堆一回路控制系统仿真与验证

随着核电厂负荷跟踪运行研究的不断深入,开发针对负荷跟踪过程的仿真模型也势在必行。本文以CNP600压水堆核电厂一回路主系统为研究对象,基于RELAP5/MOD3.4程序建立系统模型,并在此基础上进行控制系统仿真。以典型日负荷跟踪运行模式、负荷线性变化以及负荷阶跃变化等工况瞬态测试对仿真系统进行验证。结果表明,瞬态过程中各参数变化范围和趋势与电厂实际运行值相符,准确反映了负荷跟踪下CNP600压水堆核电厂一回路的运行过程。仿真模型对后续的安全分析具有一定的适用性。     

液态熔盐堆堆芯功率模糊PID控制

液态熔盐堆采用熔融氟化盐为燃料,燃料熔盐出口温度是衡量熔盐堆安全的重要指标。通过堆芯功率控制可实现燃料熔盐出口温度控制。将液态熔盐堆堆芯划分成内区和外区,并基于能量守恒原理建立堆芯非线性模型,采用微扰理论对非线性模型进行线性化。基于堆芯线性化模型,采用模糊比例-积分-微分（PID）控制器设计堆芯功率控制系统。以熔盐增殖堆（MSBR）为例,开展堆芯功率控制仿真。结果表明,引入10-3、2×10-3阶跃反应性时,模糊PID控制器可以减小系统响应的上冲幅度和超调量,并且在堆芯功率发生了较大的负荷变化时,模糊PID控制器可以对堆芯功率的变化实现良好跟踪。故所采用的模糊PID控制器具有良好的动态性能,可实现对堆芯功率的良好控制。      

基于变论域模糊PID的液态熔盐堆堆芯功率控制

液态熔盐堆堆芯系统具有非线性、时变性等特点,模糊比例积分微分（PID）控制技术因初始论域不能跟随误差变化而伸缩,使得系统的控制精度降低,故设计了一种基于变论域模糊PID控制器的堆芯功率控制策略。以熔盐增殖堆MSBR堆芯为例,在堆芯入口温度扰动或堆芯反应性扰动下,使用Matlab/Simulink对PID控制、模糊PID控制与变论域模糊PID控制下的效果进行仿真对比。结果表明,基于变论域模糊PID控制器建立的堆芯功率控制系统响应速度更快,超调量更小,控制效果更佳。      

基于TREND程序的石墨通道液态熔盐堆无保护反应性引入事故初步分析

采用自编系统分析程序TREND,基于液态点堆动力学模型,针对10 MW石墨通道液态熔盐堆的设计,研究分析不同反应性在阶跃引入和线性引入情况下10 MW石墨通道液态熔盐堆堆芯功率、石墨温度和堆芯出口熔盐温度的瞬态变化。结果表明,阶跃引入低于570pcm（1pcm=10?5）反应性,堆系统能在无保护的情况下安全运行;当单根控制棒失提引入约800pcm时,反应性引入速率不超过8pcm/s,反应堆能够利用自身的温度、功率负反馈特性有效地控制功率峰值和降低堆芯出口温度,保证反应堆在无保护情况下安全运行。因此,液态熔盐堆具有良好的固有安全性。      

熔盐堆单参数扰动瞬态特性分析

熔盐堆（MSR）作为一种新型的反应堆,其热工水力特性与其他堆型有很大差异,扰动瞬态分析有助于从根本上了解其安全特性和运行状态。为了研究MSR的运行瞬态特性,本研究以液态燃料MSR为研究对象,利用经过修改的RELAP5/ MOD4.0程序进行了稳态运行工况下的扰动瞬态分析。干扰变量包括反应性引入、一回路熔盐质量流量、二回路质量流量、空气散热器质量流量、空气散热器入口空气温度。分析了主要运行参数,如功率、堆芯进出口温度、二回路进出口温度、特征时间等。结果表明MSR在各种扰动瞬态下的最终状态都趋于稳定,而不存在严重的瞬态变化,这是对其固有稳定性特性的直观表征。根据功率和温度等变量在扰动下的变化,提出了功率和不同回路温度的控制方法。      

1GW固态燃料熔盐堆运行瞬态分析

钍基熔盐堆(Thorium-based Molten Salt Reactor,TMSR)作为一种新的堆型,具有独特的安全与运行特性。研究其热工水力特性,对其进行瞬态分析,将有助于深刻理解该反应堆。本文介绍了1 GW固态熔盐堆的堆芯设计方案,并描述了用于瞬态分析的详细程序结构。其中,利用RELAP5对其热工水力模型进行模拟;利用Simulink对其控制系统模型进行模拟。通过预期运行瞬态,例如功率降低、堆芯反应性引入、二回路温度变化等工况显示了其运行特性,并验证了控制系统可以使反应堆达到安全稳定状态,而不触发保护系统动作。     

液态熔盐堆堆芯功率内模控制器设计与仿真

内模控制是一种基于过程数学模型进行控制器设计的新型控制策略,具有结构简单、设计直观、无需精确的数学模型、在线调整参数少等优点。为探索内模控制在反应堆控制领域中的应用,以熔盐实验堆堆芯功率控制为例,通过建立熔盐实验堆一回路系统线性化模型,采用内模控制技术,结合粒子群优化算法设计堆芯功率内模控制器。并基于MATLAB/Simulink建立熔盐实验堆一回路仿真系统,开展熔盐实验堆堆芯阶跃反应性扰动下的功率控制研究。结果表明,所设计的堆芯功率内模控制器可很好地控制堆芯功率,实现系统的快速稳定。     

Preliminary neutronic and thermal-hydraulic analysis of a 2 MW Thorium-based Molten Salt Reactor with Solid Fuel

The Fluoride-salt-cooled High temperature Reactor (FHR) is an advanced concept combining attractive attributes by adopting low pressure liquid salt, high temperature coated particle fuel and air-Brayton combined cycle. 2 MW Thorium-based Molten Salt Reactor with Solid Fuel (TMSR-SF) designed by Shanghai Institute of Applied Physics (SINAP) as a test reactor is planned to be constructed. In this paper, the preliminary neutronic and thermal-hydraulic analysis of the TMSR-SF is performed. The neutronic investigation is conducted by developing a validated 3-D model for the reactor with MCNP-4C. Core physics parameters of TMSR-SF including the effective multiplication factor, neutron flux distribution, power density distribution, control system worth, reactivity coefficients and kinetics parameters are obtained, which are used as input parameters for the thermal-hydraulic analysis of the TMSR-SF. The FHR Safety Analysis Code (FSAC) is extended to study the safety characteristics of the TMSR-SF by simulating four types of basic transient conditions including the unprotected loss of flow (ULOF), unprotected overcooling (UOC), unprotected transient overpower (UTOP) and the combination of ULOF and UTOP. The results show that the concept design of TMSR-SF is an inherently safe design with no temperature limits exceeded in the analyzed transient conditions.     

快堆冷却剂出口温度的自抗扰控制

为提高快堆控制系统的瞬态响应速度,降低控制器的超调量及稳态误差,设计了快堆冷却剂出口温度的线性自抗扰控制器。基于快堆的中子动力学方程、反应性方程和堆芯热传输方程,推导出了用于线性自抗扰控制器设计的带总扰动项的二阶模型。利用所得二阶模型的参数,确定了带模型信息的线性扩展状态观测器的部分参数。最后,在MATLAB环境下对控制器模型进行了仿真并加入系统模型信息。仿真结果表明,所设计的控制器具有良好的性能。相比于以冷却剂流量变化量为控制量的控制器,以冷却剂流量作为控制量的控制器具有更快的响应速度、更小的超调量、更好的抗干扰能力。     

基于NSGA-Ⅱ算法的核反应堆功率LQG控制器设计

反应堆功率控制系统的设计与核电厂的安全性和经济性息息相关。为提高其功率控制性能,本研究以某压水堆核电厂为研究对象,建立了其非线性动态数学模型,推导了其状态空间模型;采用线性二次型高斯（LQG）最优控制方法,设计了堆芯功率控制器;进一步基于遗传算法NSGA-Ⅱ对LQR权重系数进行了多目标优化;将本文所设计的控制器与传统PID控制器进行了典型工况的仿真对比。结果表明,与传统PID控制器相比,基于NSGA-Ⅱ方法优化的LQG控制器不但响应快速、控制精度高、稳定性好,而且具有良好的鲁棒性,能获得更优越的堆芯功率控制效果。