靳楠楠 王玉林

(中國原子能科學(xué)研究院 北京 102413)

中國先進(jìn)研究堆（CARR）是由中國原子能科學(xué)研究院自主設(shè)計、建造的多用途、高性能研究反應(yīng)堆，該堆于2010年5月實現(xiàn)首次臨界。在CARR堆日常運行期間，我們發(fā)現(xiàn)采用磁力驅(qū)動方式，將驅(qū)動機構(gòu)置于堆芯底部的這種設(shè)計方案，尤其在控制棒吸收體反應(yīng)性價值較大的情況下，會導(dǎo)致穩(wěn)定功率運行時反應(yīng)堆功率波動較大，且具有發(fā)生短周期事件的潛在風(fēng)險[1-2]。采用類似設(shè)計的研究堆，如韓國KJRR堆[3]，亦可能存在相同的功率穩(wěn)定性問題，研究了解該類型研究堆運行過程中的動態(tài)變化過程，將有助于加深我們對磁力驅(qū)動機構(gòu)在反應(yīng)堆中存在問題的理解，有助于在未來研究堆建設(shè)中避免相同問題。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，分析計算了反應(yīng)堆運行過程中的有關(guān)重要參數(shù)，通過與實際運行中采集到的數(shù)據(jù)相比較，驗證了該模型的正確性[4]。

1 簡述

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

2 仿真計算模型

2.1 物理模型

堆芯物理模型采用了整理后的六組緩發(fā)中子點堆模型：

圖1 仿真計算流程圖

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 功率動態(tài)變化圖

在計算模型中引入大小為1×10-3的階躍反應(yīng)性，計算得到反應(yīng)堆穩(wěn)定周期為61.78s。該計算結(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，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)堆周期計算模型合理、正確。

2.2 熱工模型

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

圖5 棒位動態(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算：

包殼與冷卻劑之間的換熱計算：

冷卻劑的溫度變化計算：

當(dāng)熱工仿真計算模型建立完成后[7-8]，將計算結(jié)果與實際運行過程中采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，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題，在建模時對步進(jìn)電機的響應(yīng)時間作了延遲處理，并實時計算控制棒的棒速、棒位變化。

3 仿真結(jié)果分析

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

部分關(guān)鍵數(shù)據(jù)如表2所示。

由計算結(jié)果分析得出，當(dāng)CARR堆處于穩(wěn)定功率運行時，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]到實際運行過程中反應(yīng)堆會受到更多不確定因素的影響和點堆模型本身的局限性，CARR堆的實際功率震蕩周期在2030s之間，計算結(jié)果在合理范圍內(nèi)。同時，從棒位動態(tài)變化過程中可以看出（見圖5），穩(wěn)功率運行時，棒位一直處于2.44mm小范圍內(nèi)的周期運動，這對于磁力柔性連接結(jié)構(gòu)來說具有非常大的挑戰(zhàn)性，為實現(xiàn)反應(yīng)堆的穩(wěn)定控制，對控制算法的要求十分嚴(yán)格。

表1 熱工計算結(jié)果對比

表2 仿真分析結(jié)果對比

本模型計算結(jié)果較好的模擬了CARR堆在運行中的動態(tài)變化過程，為改進(jìn)驅(qū)動機構(gòu)與優(yōu)化控制邏輯提供了一種有效檢驗工具，同時該動態(tài)過程對采用同類型柔性連接驅(qū)動機構(gòu)研究堆也具有借鑒意義。