中國先進研究堆運行中的動態特性研究

靳楠楠 王玉林

(中國原子能科學研究院 北京 102413)

中國先進研究堆（CARR）是由中國原子能科學研究院自主設計、建造的多用途、高性能研究反應堆，該堆于2010年5月實現首次臨界。在CARR堆日常運行期間，我們發現采用磁力驅動方式，將驅動機構置于堆芯底部的這種設計方案，尤其在控制棒吸收體反應性價值較大的情況下，會導致穩定功率運行時反應堆功率波動較大，且具有發生短周期事件的潛在風險[1-2]。采用類似設計的研究堆，如韓國KJRR堆[3]，亦可能存在相同的功率穩定性問題，研究了解該類型研究堆運行過程中的動態變化過程，將有助于加深我們對磁力驅動機構在反應堆中存在問題的理解，有助于在未來研究堆建設中避免相同問題。本文以Simulink仿真分析軟件為基礎，建立了CARR全堆數學模型，分析計算了反應堆運行過程中的有關重要參數，通過與實際運行中采集到的數據相比較，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功率調節系統示意圖

圖4 功率動態變化圖

在計算模型中引入大小為1×10-3的階躍反應性，計算得到反應堆穩定周期為61.78s。該計算結果與相關資料記載：U235反應堆在引入大小為1×10-3的反應性時，反應堆穩定周期為60s的結果基本一致[6]，可以認為建立的堆芯物理模型與反應堆周期計算模型合理、正確。

2.2 熱工模型

CARR堆在國內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 棒位動態變化圖

另外，CARR堆中含有兩種類型的燃料組件：標準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：

當熱工仿真計算模型建立完成后[7-8]，將計算結果與實際運行過程中采集到的數據進行對比，如表1所示。

2.3 控制系統模型

CARR堆采用了全數字化儀控系統，功率調節系統結構大致如圖3所示。

為模擬線圈與銜鐵之間存在的空程問題，在建模時對步進電機的響應時間作了延遲處理，并實時計算控制棒的棒速、棒位變化。

3 仿真結果分析

將CARR堆各項參數代入模型[9-10]，在引入大小為的階躍反應性（此時反應堆瞬時周期10.98s）時，對反應堆功率的動態響應進行分析，其計算結果如圖4所示。

部分關鍵數據如表2所示。

由計算結果分析得出，當CARR堆處于穩定功率運行時，反應堆功率震蕩幅度為目標功率的4.65%，震蕩周期為56.53s。考慮到實際運行過程中反應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，計算結果在合理范圍內。同時，從棒位動態變化過程中可以看出（見圖5），穩功率運行時，棒位一直處于2.44mm小范圍內的周期運動，這對于磁力柔性連接結構來說具有非常大的挑戰性，為實現反應堆的穩定控制，對控制算法的要求十分嚴格。

表1 熱工計算結果對比

表2 仿真分析結果對比

本模型計算結果較好的模擬了CARR堆在運行中的動態變化過程，為改進驅動機構與優化控制邏輯提供了一種有效檢驗工具，同時該動態過程對采用同類型柔性連接驅動機構研究堆也具有借鑒意義。