中国先进研究堆运行中的动态特性研究

靳楠楠 王玉林

(中国原子能科学研究院 北京 102413)

中国先进研究堆（CARR）是由中国原子能科学研究院自主设计、建造的多用途、高性能研究反应堆，该堆于2010年5月实现首次临界。在CARR堆日常运行期间，我们发现采用磁力驱动方式，将驱动机构置于堆芯底部的这种设计方案，尤其在控制棒吸收体反应性价值较大的情况下，会导致稳定功率运行时反应堆功率波动较大，且具有发生短周期事件的潜在风险[1-2]。采用类似设计的研究堆，如韩国KJRR堆[3]，亦可能存在相同的功率稳定性问题，研究了解该类型研究堆运行过程中的动态变化过程，将有助于加深我们对磁力驱动机构在反应堆中存在问题的理解，有助于在未来研究堆建设中避免相同问题。本文以Simulink仿真分析软件为基础，建立了CARR全堆数学模型，分析计算了反应堆运行过程中的有关重要参数，通过与实际运行中采集到的数据相比较，验证了该模型的正确性[4]。

1 简述

本文仿真计算模型主要分为三个主要部分：物理计算模型、热工计算模型、控制系统计算模型[5]。其模型计算流程简图如图1所示。

2 仿真计算模型

2.1 物理模型

堆芯物理模型采用了整理后的六组缓发中子点堆模型：

图1 仿真计算流程图

图2 CARR燃料元件示意图

图3 CARR功率调节系统示意图

图4 功率动态变化图

在计算模型中引入大小为1×10-3的阶跃反应性，计算得到反应堆稳定周期为61.78s。该计算结果与相关资料记载：U235反应堆在引入大小为1×10-3的反应性时，反应堆稳定周期为60s的结果基本一致[6]，可以认为建立的堆芯物理模型与反应堆周期计算模型合理、正确。

2.2 热工模型

CARR堆在国内首次使用了板型燃料元件，因此堆芯热工计算时，需采用板间换热模型。其换热过程如图2所示。

图5 棒位动态变化图

另外，CARR堆中含有两种类型的燃料组件：标准燃料组件和跟随体燃料组件。两种类型组件的芯体皆为富集度为19.75%的材料，包壳为6061铝材，燃料板之间采用轻水冷却、慢化。

燃料芯体与包壳之间的换热计算：

包壳与冷却剂之间的换热计算：

冷却剂的温度变化计算：

当热工仿真计算模型建立完成后[7-8]，将计算结果与实际运行过程中采集到的数据进行对比，如表1所示。

2.3 控制系统模型

CARR堆采用了全数字化仪控系统，功率调节系统结构大致如图3所示。

为模拟线圈与衔铁之间存在的空程问题，在建模时对步进电机的响应时间作了延迟处理，并实时计算控制棒的棒速、棒位变化。

3 仿真结果分析

将CARR堆各项参数代入模型[9-10]，在引入大小为的阶跃反应性（此时反应堆瞬时周期10.98s）时，对反应堆功率的动态响应进行分析，其计算结果如图4所示。

部分关键数据如表2所示。

由计算结果分析得出，当CARR堆处于稳定功率运行时，反应堆功率震荡幅度为目标功率的4.65%，震荡周期为56.53s。考虑到实际运行过程中反应堆会受到更多不确定因素的影响和点堆模型本身的局限性，CARR堆的实际功率震荡周期在2030s之间，计算结果在合理范围内。同时，从棒位动态变化过程中可以看出（见图5），稳功率运行时，棒位一直处于2.44mm小范围内的周期运动，这对于磁力柔性连接结构来说具有非常大的挑战性，为实现反应堆的稳定控制，对控制算法的要求十分严格。

表1 热工计算结果对比

表2 仿真分析结果对比

本模型计算结果较好的模拟了CARR堆在运行中的动态变化过程，为改进驱动机构与优化控制逻辑提供了一种有效检验工具，同时该动态过程对采用同类型柔性连接驱动机构研究堆也具有借鉴意义。