陈文奇

摘要：核反应堆是一个物理、热工过程极其复杂的系统。我们利用仿真机模拟各种工况获得实验数据。本文以压水堆为例主要分为两个部分：第一、建立压水堆堆芯的数学物理模型并分析其动态特性;第二、简要做出压水堆堆芯仿真控制程序。物理模型的建立分为三个部分：中子动力学模块的建立、热工传递模块的建立、温度效应模块的建立。建立仿真模型，在外部引入反应性扰动的情况下，观察压水堆堆芯的动态特性响应。研究结果表明：①不加反馈时，堆芯中子密度会随着反应性扰动的引入而持续走高; ②加入反馈后，由于温度的反馈效应产生的负反应性会中和大部分正的反应性扰动，使堆功率维持在一个稳定的状态。

关键词：压水堆、温度反馈、SIMULINK;

1 绪论

为了更好地开发利用核能，利用仿真技术充分模拟堆芯的物理、热工过程，通过堆芯动态特性分析压水堆堆芯仿真控制，验证典型工况下的模型稳态结果与设计参数是否符合动态结果和基础的物理规律。利用仿真技术能够对核电站进行评估风险，对异常工况进行仿真，并对仿真结果进行预防性维护，可以大幅度降低不可控意外如严重核泄露事故（切尔诺贝利、福岛）的发生。同时可以为没有试验堆试验的条件下提供一定参考，验证参数的合理性及可行性，为工程实际运用提供理论依據。

2反应性控制及动力学分析

根据反应堆堆芯物理点堆动力学，三维二群带六组缓发中子的点堆动力学模型建立及推导过程已经比较成熟，本文不再单独论述，直接取用：

3.1.2 封装子系统—中子动力学

在图3.1的基础上，从Simulink库中添加一个Subsystem模块，最终如下图3.2所示：

3.2子系统—中子动力学

3.2 堆芯热力学模块

3.2.1 Simulink模块—热工传递模块

根据2.5章节堆芯热力学传递函数：

设：输入为：（1）中子密度的变化

（2）堆芯冷线温度变化，本文设为0

输出为：（1）堆芯燃料温度的变化

（2）冷却剂平均温度的变化

为使模块标识更加直观，现将热力学传递函数中函数式用字母表示如表3.1所示：

由上式传递函数得到堆芯热力学仿真模块如图3.3：

3.2.2 封装子系统—热工传递模块

同理中子动力学，因为热力学部分为多输入多输出，对应的in和out分别有两个，所以生成的子系统也是两对输入输出如图3.4所示：

3.3 反应性反馈模块

根据 ，ac：冷却剂温度反馈系数，本文仿真验证图取ac=0.0002;af：燃料温度反馈系数，本文仿真验证图取af=0.000011

3.4 堆芯仿真模块

将中子动力学、热力学、反应性反馈仿真模块组成压水堆堆芯仿真模块如下图3.6：

3.5 仿真结果分析

3.5.1 堆芯仿真物理参数代入值

1）反应堆初始中子通量密度为N0：=1/cm^3，即堆芯初始只有一个中子

2）根据热力学模型数据得出热力学仿真模块数据：A=529.6109

B=0.7690C=0.9456D=0.0544E=0.8133F=0.0575G=0.9425H=3.9439I=0.5601J=0.5924

3）六组缓发中子动力学模型实验采用数据如下：缓发中子衰变常数λi（i=1～6）=0.01240.03050.1110.3011.143.01;缓发中子裂变份额βi（i=1～6）=0.0002150.0014240.0012740.0025680.0007480.000273

3.5.2 无反馈时中子动力学仿真结果

设：在0s时引入反应性扰动，n0反应堆中子密度初值取1e8中子/cm^2（中子注量率在反应堆初期大概为1e12中子/m^2*s）。中子代平均时间取1e-4s，仿真数据代入到图3.1中子动力学仿真模块中得到结果如下图3.7、3.8：

结果分析：如图所示设置反应性出现+0.0001阶跃扰动，由于瞬发中子的作用，中子通量密度迅速上升，反应堆周期为T=平均中子寿命/反应性，随后缓发中子的作用逐渐凸显起主导作用，中子密度按照指数规律增长，反应堆周期为 。由此可以得出中子动力学模型在发生扰动时会出现功率瞬变不能依靠自身调节回到安全运行功率。

3.5.3 考虑温度反馈后堆芯系统仿真结果

设：n=1即在初始时刻堆芯中只有一个中子，ρ=±0.001，。

1）加入反馈后总的反应性变化

由图3.9（图3.10）可知：0s 时引入1e-3的反应性扰动由于温度效应负反馈逐渐迅速减小，2s后反应性后趋于0.1e^-3，逐渐稳定达到新的平衡。

2）加入反馈后中子密度的变化：

由图3.11（图3.12）可知：0s发生正反应性扰动，中子密度即堆芯功率迅速上升，随后由于温度反馈效应降低到一个稳定值。

3）堆芯燃料温度的变化

由图3.13（图3.14）可知，出现+0.001的反应性扰动后，堆功率上升导致了堆芯燃料温度上升，随后下降达到稳定。

4）冷却剂平均温度的变化：

由图3.15（图3.16）可知，冷却剂平均温度随着堆功率的增长而增长，之后稍降保持稳定，变化趋势和燃料温度相似。

5）对比：使用demux控件将加入反馈和未加反馈的中子密度（功率）变化接入一个scope示波器观察，如图3.17所示：

由图3.17可知，堆芯具有自稳性，即当堆内、外发生扰动后，反应堆还能维持原功率运行时的动态特性。

结论

模型建立后，外部引入反应性扰动功率升高的情况下，不加反馈的中子动力学是不稳定的，功率会持续走高。加入温度效应的负反馈，会使功率最终保持在一个稍偏离原值的稳态结果，这个偏离值满足功率上下波动的误差范围，表明在设定工况下的模型稳态结果与设计参数符合动态结果，且符合反应堆的自调性与自稳性规律。

参考文献

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[2]李淑娜.基于STAR-90的压水堆核电站一回路建模与仿真研究[D].华北电力大学  2009年12月.

[3]孙吉良.秦山300MW核电机组全范围仿真机反应堆堆芯物理模型[J].核动力工程.1996，（02）：112-117.