何丽华，谢金森，刘紫静，谢芹，郑平卫（.南华大学核科学技术学院，湖南衡阳4200；2.南华大学环境保护与安全工程学院，湖南衡阳4200）

PWR堆芯动态特性的SIMULINK仿真计算及界面设计

何丽华1，谢金森1，刘紫静1，谢芹1，郑平卫2★
（1.南华大学核科学技术学院，湖南衡阳421001；2.南华大学环境保护与安全工程学院，湖南衡阳421001）

运用堆芯物理热工模型建立了PWR堆芯的SIMULINK仿真模型，探讨了在不同反应性扰动下堆芯的动态响应规律。在此基础上，根据SIMULINK仿真模型建立了GUI人机交换界面，通过GUI界面设置模型参数并控制SIMULINK程序和显示仿真结果，使仿真更加直观、灵活、快捷。

PWR堆芯；SIMULINK仿真；GUI

压水堆核电厂（PWR）堆芯的运行是一个复杂的物理、热工过程。PWR堆芯的仿真计算对核电站的运行及核电发展具有重要的意义。目前国际上有很多能够真实模拟系统瞬态过程的程序，如美国的 RELAP5，MELCOR，COBRA 和 RETRAN，以及德国的ATHLET，法国的 CATHARE等［1，2］。MATLAB/SIMULINK［3］采用模块化框图进行编程，能够直观快速的搭建系统模型，利用其封装技术可将模型简化。SIMULINK搭建用户仿真模型直观快捷，但SIMULINK模型参数的调整需要将仿真模型的各个模块打开，然后逐一设计参数，不够方便，输出结果在Scope中查看也不够直观［4］。可将SIMULINK联合图形用户界面（GUIDE）［5］的面向对象可视化编程，将SIMULINK融入到GUIDE中可以方便模型的终端用户直接可视化的操控模型参数和显示仿真结果，可以不需要SIMULINK环境，使计算程序应用起来更加灵活快捷。

本文首先采用SIMULINK软件建立了PWR堆芯的仿真计算模型并进行仿真计算，探讨不同反应性扰动下堆芯的动态响应规律，然后根据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，首先需要建立其相应的数学物理模型，本文的数学物理模型包括了堆芯动力学模型、热工传热模型和反应性模型，具体模型详见参考文献［5，6，7］。在SIMULINK环境下建立相应的仿真模型，利用SIMULINK中的封装技术，实现PWR堆芯的各个部分的模块化设计。图1为建立的堆芯仿真计算程序SIMULINK模型。点堆中子动力学模块根据反应性模块引入的反应性，计算出中子密度的变化量传递给热工传热模块；热工传热模块计算出回路的所有热工参数向反应性模块输入燃料和冷却剂温度变化量；反应性模块计算反馈反应性和扰动反应性变化量提供给点堆中子动力学模块。

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

2　PWR堆芯的GUI界面设计实现

GUI具有良好的人机对话界面。GUI界面可以使用M文件来创建，也可利用GUIDE环境创建GUI［8，9］。用GUIDE创建GUI界面时，用户可以保存为一个用户所需的组件资源的FIG文件和一个包含控制代码的运行函数M文件，分别以.fig和.m为后缀。用户根据功能需要进行界面的布局，然后再在M文件中编写GUI对象运行所需代码［10］。本文采用GUIDE环境设计的仿真界面如图2所示。

图2　PWR堆芯的 GUI控制界面图Fig.2　PWR reactor core GUI interface control figure

图2中所设计的GUI主界面包括6个区域：

（1）菜单区：它位于整个界面的最上端，包含了文件、视图、作者、帮助和颜色等菜单，每个菜单都包含多个选项，可进行相应的操作处理。

（2）仿真类型设置区：这个区包含了仿真算法、仿真步长、仿真时间三个变量的控制。其中仿真算法和仿真步长以弹出菜单回调函数。本文选取了三种可变步长的算法：Ode45（一步解法，是显示的Rung-Kutla和Dormand-Prince算法的结合），Ode23（一步算法、适宜刚性求解和误差计算），Ode113（多步、可变阶算法）；仿真步长可以根据用户需要选择定步长或变步长；仿真时间根据用户需要设置仿真时间。

（3）仿真开关控制区：这个区域包含了开始仿真、暂停仿真、继续仿真和退出界面四个按钮。点击“开始仿真”，仿真计算开始；点击“暂停仿真”和“继续仿真”两个按钮，仿真图像能够暂停和继续，这两个按钮功能的实现是通过加入一个定时器，设置一个全局变量pauseFlag，设定0和1两种状态，1为暂停开始。 仿真运行完毕后，提示框显示“仿真暂停”。0为恢复到原始运行状态，提示框显示“继续仿真”。点击“退出界面”按钮，界面关闭。

（4）中子动力学参数设置区域：在这个区域设置六组缓发中子的裂变产额和衰变常数参数，同时设置中子密度初始值参数，界面中设置的参数传入Simulink计算。

（5）热工参数设置区域：在这个区设置初始功率、燃料比热、燃料质量、堆芯中冷却剂的比热、燃料和冷却剂传热系数等参数。

（6）仿真图像输出区域：仿真输出图像在这个区域显示。

（7）仿真结果输出区：包括了中子密度变化、燃料温度变化、冷却剂温度变化和热线温度变化几个按钮。仿真计算后，点击按钮将在图形输出区域输出相应仿真图像。

图2中GUI界面中每个选项的功能的实现需要在生成的M文件中编制程序命令来实现。

所建SIMULINK模型在封装的时候各参数都以变量形式表示，在不进入SIMULINK环境下，在GUI界面中设置参数递给SIMULINK模型计算，GUI再调用计算结果显示图形输出。本文采用函数跨空间传递实现SIMULINK与GUI之间的参数调用［4］。在GUI中，使用set_param（）函数设置模型中的参数，利用get_param（）函数获取，然后使用simset（）函数指定模型的运行空间，对模型从当前GUI函数空间进行仿真。

GUI与SIMULINK模型连接后，GUI界面把所需的参数数据传给SIMULINK计算程序。图3为获得GUI设置的参数后的点堆中子动力学模块获得参数的界面。热工模块和反应性模块参数设置方法相同，只是参数变量不同。当计算完毕后，计算程序把计算结果存储在Workspace中，当需要输出图形时从Workspace中调用数据。输出图形时，选择GUI中的坐标轴对象，对每个Axes属性中的Tag进行变量名的设置，然后在Callback编写回调函数，进行plot画图设置。

图3　点堆中子动力学模块获得参数界面Fig.3　The input interface of point reactor kinetics parameter

3　仿真计算结果分析

在SIMULINK环境下，在图1仿真模型的反应性模块上加入一个正0.002的阶跃反应性扰动，中子密度变化、燃料温度变化、冷却剂温度平均温度如图4-图6；图7-图9为在反应性模块上加入一个负0.002的反应性扰动后得到的中子密度变化、燃料温度变化、冷却剂平均温度变化运行结果。

图4　中子密度变化图Fig.4　Figure of neutron density change

图5 燃料温度变化图Fig.5　Figure of fuel temperature change

图6　冷却剂平均温度变化图Fig.6　Figure of coolant temperature change

从图4-图6可以看出，当引入一个正0.002反应性扰动时，中子密度迅速上升，随后由于反馈效应降低到一个稳定值；燃料温度随着中子密度的变化同样是先上升后下降，最终稳定在一个较高的新值上；冷却剂平均温度变化趋势和燃料温度变化相似。同理，当在反应性模块加入一个负0.002反应性扰动时，中子通量、燃料温度、冷却剂平均温度的变化同引入正0.002反应性扰动时的变化刚好相反，但各参量最终也达到一个新的平衡（图7-图9）。因此，具有温度反馈的反应堆具有内在的稳定性。

图7　中子密度变化图Fig.7　Figure of neutron density

图8　燃料温度变化图Fig.8　Figure of fuel temperature change

图9　冷却剂平均温度变化图Fig.9　Figure of coolant temperature change

在GUI界面输入中子动力学参数和热工参数，选择仿真类型、步长和设定时间后，GUI调用SIMULINK仿真。图10为GUI界面输出的仿真结果图，由图可以看出在正0.002的阶跃反应性扰动下各个量的变化，这与在SIMULINK环境下直接仿真得到的结果（图4-图6）完全一样；使用GUI和SIMULINK结合使用，可以方便的修改各个模块的仿真参数，并快速的输出仿真结果，仿真直观、快捷、有效。

4　结论

本文建立的SIMULINK计算仿真模型较好地反映了反应堆受到反应性扰动下堆芯中子密度、燃料温度及冷却剂平均温度的变化情况。各量在短时间波动后能够重新达到一个新的平衡，表明反应堆具有一定的自稳定性。通过建立GUI界面来进行参数设置及控制SIMULINK程序，能够方便的显示出反应性扰动下的PWR堆芯仿真计算结果，程序应用更加灵活快捷，提高了仿真计算效率。

图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.

衡阳市科学技术发展计划项目资助（2015KG54）；湖南省教育厅项目资助（14C1001）。

何丽华（1983－），女，讲师，主要从事核反应堆物理与安全方面的研究；谢金森（1985-），男，讲师，主要从事核反应堆物理的研究；刘紫静（1989-），女，助教，主要从事核反应堆物理的研究；谢芹（1986-），助教，主要从事反应堆物理的研究；

郑平卫（1982-），讲师，主要从事核聚变等离子体及核安全方面的研究