基于核热耦合模拟的自然循环稳定运行装置及控制方法制造方法及图纸

本申请公开了一种基于核热耦合模拟的自然循环稳定运行装置及控制方法，其中装置包括：反应堆模拟体、蒸汽发生器模拟体、主泵模拟体和稳压器；稳压器，用于一回路内稳压；反应堆模拟体，用于模拟根据一回路的冷却剂温度自动调节功率的热源，以实现自然循环的稳定运行；蒸汽发生器模拟体，用于模拟冷源；主泵模拟体，用于试验装置启动过程中驱动冷却剂循环；冷却剂根据管道内的冷热流体重位差驱动，在管道中流动，以实现自然循环。本申请实施例，在自然循环运行模式下，根据核热耦合模拟器计算反应性变化并调整反应堆模拟体内电加热元件加载电压，模拟核反应堆核释热，利用核热耦合的负反馈特性实现自然循环的稳定运行。馈特性实现自然循环的稳定运行。馈特性实现自然循环的稳定运行。

【技术实现步骤摘要】
基于核热耦合模拟的自然循环稳定运行装置及控制方法


[0001]本申请属于反应堆热工水力
，尤其涉及一种基于核热耦合模拟的自然循环稳定运行装置及控制方法。

技术介绍

[0002]反应堆热工水力学在核反应堆工程中起着十分重要的作用。核反应堆，又称为原子能反应堆或反应堆，是能维持可控自持链式核裂变反应，以实现核能利用的装置。
[0003]由于核反应堆能够产生巨大的能量，为有效利用核能，研究人员研发了反应堆模拟试验系统，用于模拟核反应堆的反应过程。但是，现有的反应堆模拟试验系统不能真实模拟反应堆自然循环。

技术实现思路

[0004]本申请实施例提供一种基于核热耦合模拟的自然循环稳定运行装置及控制方法，解决了现有反应堆模拟试验装置不能模拟自然循环运行的问题。
[0005]一方面，本申请实施例提供了一种基于核热耦合模拟的自然循环稳定运行装置，其特征在于， 所述自然循环稳定运行装置包括：构成一回路的反应堆模拟体、蒸汽发生器模拟体、主泵模拟体和稳压器；所述一回路的管道内放置有冷却剂；所述稳压器，用于一回路内稳压；所述反应堆模拟体，用于模拟根据一回路的冷却剂温度自动调节功率的热源，以实现自然循环的稳定运行；所述蒸汽发生器模拟体，用于模拟冷源；所述主泵模拟体，用于试验装置启动过程中驱动冷却剂循环；在循环模式为自然循环的情况下，所述冷却剂根据管道内的冷热流体重位差驱动，在所述管道中流动，以实现自然循环。
[0006]在一种可能的实现方式中，所述反应堆模拟体还包括：构成二回路的冷凝器和二回路给水泵；所述反应堆模拟体的二回路出口通过管道与所述冷凝器的入口连通，所述冷凝器的出口通过管道与所述二回路给水泵的入口连通，所述二回路给水泵的出口通过管道与所述反应堆模拟体的二回路入口连通。
[0007]在一种可能的实现方式中，所述反应堆模拟体包括：核热耦合模拟器和电加热元件；所述核热耦合模拟器与所述电加热元件连接，控制所述电加热元件的电压。
[0008]在一种可能的实现方式中，所述自然循环稳定运行装置还包括：止回阀；所述止回阀设置在所述主泵模拟体的入口，用于防止管道中的冷却剂回流。
[0009]在一种可能的实现方式中，所述自然循环稳定运行装置还包括：流量计；两个流量计分别设置在一回路和二回路上；
所述自然循环稳定运行装置还包括：压力传感器；所述压力传感器设置在所述主泵模拟体的入口；所述自然循环稳定运行装置还包括：温度传感器；两个所述温度传感器分别设置在所述反应堆模拟体的一回路入口和一回路出口。
[0010]另一方面，本申请实施例提供了一种基于核热耦合模拟的自然循环稳定运行装置的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：在循环模式为自然循环的情况下，反应堆模拟体执行以下操作，以在自然循环中建立冷却剂温度与电加热功率之间的负反馈关系，抑制热工参数的波动，保证自然循环工况稳定运行：根据热工参数计算总反应性；根据所述总反应性和点堆方程计算核功率；根据所述核功率确定目标电压，根据所述目标电压调整所述电加热元件的电压。
[0011]在一种可能的实现方式中，在循环模式为自然循环之前，所述控制方法还包括：启动稳压器和蒸汽发生器模拟体，当稳压器内压力达到预设主泵启动压力阈值时，启动主泵模拟体，以确定循环模式为强迫循环；获取一回路流量；当所述一回路流量达到预设一回路流量阈值时，调整所述稳压器的电压，并启动反应堆模拟体，以模拟热源；获取一回路压力、一回路入口的冷却剂温度和一回路出口的冷却剂温度，根据一回路入口的冷却剂温度和一回路出口的冷却剂温度得到冷却剂平均温度；当所述一回路压力达到预设压力阈值且所述冷却剂平均温度达到预设冷却剂温度阈值时，关闭所述主泵模拟体，以进入自然循环模式。
[0012]在一种可能的实现方式中，所述根据热工参数计算总反应性具体包括：根据所述热工参数和预设模拟试验装置数据集计算得到冷却剂温度分布和电加热元件温度分布；根据所述冷却剂温度分布和所述电加热元件温度分布计算得到内部反应性；根据所述热工参数和所述预设模拟试验装置数据集计算得到外部反应性；根据所述内部反应性和外部反应性计算得到总反应性。
[0013]在一种可能的实现方式中，所述根据所述热工参数和预设模拟试验装置数据集计算得到冷却剂温度分布和电加热元件温度分布具体包括：假定公式1满足一维条件，根据公式1得到公式2
‑
4，联立公式2
‑
8，计算得到冷却剂温度分布和电加热元件温度分布，公式1
‑
8如下：（公式1）其中，S为源项，ρ为冷却剂密度，u为冷却剂流速，t为冷却剂平均温度和z为轴向距离；（公式2）
其中，ρ为冷却剂密度，u为冷却剂流速，t为冷却剂平均温度，z为轴向距离，A为冷却剂截面积；（公式3）其中，ρ为冷却剂密度，u为冷却剂流速，t为冷却剂平均温度，z为轴向距离，f为摩擦系数，P为一回路系统压力；（公式4）其中，ρ为冷却剂密度，h为冷却剂焓，u为冷却剂流速，t为冷却剂平均温度，z为轴向距离，A
u
为电加热元件截面积，q(z)为电加热元件表面热流密度；(公式5）其中，C
u
为铀芯比热，ρ
u
为铀芯密度，T
u
为铀芯温度，k
u
T
u
为铀芯材料的导热率，q
v
(r，t)为单位体积释热率，t为冷却剂平均温度，z为轴向距离，r为微元与铀芯中心的距离，微元为以轴心中心为原点，冷却剂流动方向为ｘ轴的坐标点；（公式6）其中，C
u
为铀芯比热，ρ
u
为铀芯密度，T
u
为铀芯温度，k
u
T
u
为铀芯材料的导热率，q
v
(r，t)为单位体积释热率，r为微元与铀芯中心的距离，微元为以轴心中心为原点的坐标点，冷却剂流动方向为ｘ轴的坐标点，t为冷却剂平均温度；（公式7）其中，k
c
是电加热元件的包壳的材料的导热率式，T
c
为电加热元件的包壳的温度，r为计算微元与铀芯中心的距离，t为冷却剂平均温度，T
cs
为包壳外壁面温度；（公式8）其中，D
e
为冷却剂通道水力直径，R
e
为雷诺数、P
r
为普朗特数。
[0014]在一种可能的实现方式中，所述根据所述冷却剂温度分布和所述电加热元件温度分布计算得到内部反应性具体包括：根据所述冷却剂温度分布计算得到冷却剂平均温度；根据所述电加热元件温度分布计算得到电加热元件平均温度；根据所述冷却剂平均温度和所述电加热元件平均温度计算得到内部反应性。
[0015]在一种可能的实现方式中，所述根据所述冷却剂温度分布计算得到冷却剂平均温度具体包括：根据公式9计算冷却剂平均温度，公式9如下：
（公式9）其中，T
av
为冷却剂平均温度，T
i
为冷却剂温度分布。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于核热耦合模拟的自然循环稳定运行装置，其特征在于， 所述自然循环稳定运行装置包括：构成一回路的反应堆模拟体、蒸汽发生器模拟体、主泵模拟体和稳压器；所述一回路的管道内放置有冷却剂；所述稳压器，用于一回路内稳压；所述反应堆模拟体，用于模拟根据一回路的冷却剂温度自动调节功率的热源，以实现自然循环的稳定运行；所述蒸汽发生器模拟体，用于模拟冷源；所述主泵模拟体，用于试验装置启动过程中驱动冷却剂循环；在循环模式为自然循环的情况下，所述冷却剂根据管道内的冷热流体重位差驱动，在所述管道中流动，以实现自然循环。2.根据权利要求1所述的自然循环稳定运行装置，其特征在于，所述反应堆模拟体还包括：构成二回路的冷凝器和二回路给水泵；所述反应堆模拟体的二回路出口通过管道与所述冷凝器的入口连通，所述冷凝器的出口通过管道与所述二回路给水泵的入口连通，所述二回路给水泵的出口通过管道与所述反应堆模拟体的二回路入口连通。3.根据权利要求2所述的自然循环稳定运行装置，其特征在于，所述反应堆模拟体包括：核热耦合模拟器和电加热元件；所述核热耦合模拟器与所述电加热元件连接，控制所述电加热元件的电压。4.根据权利要求1所述的自然循环稳定运行装置，其特征在于，所述自然循环稳定运行装置还包括：止回阀；所述止回阀设置在所述主泵模拟体的入口，用于防止管道中的冷却剂回流。5.根据权利要求1所述的自然循环稳定运行装置，其特征在于，所述自然循环稳定运行装置还包括：流量计；两个流量计分别设置在一回路和二回路上；所述自然循环稳定运行装置还包括：压力传感器；所述压力传感器设置在所述主泵模拟体的入口；所述自然循环稳定运行装置还包括：温度传感器；两个所述温度传感器分别设置在所述反应堆模拟体的一回路入口和一回路出口。6.一种基于核热耦合模拟的自然循环稳定运行装置的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：在循环模式为自然循环的情况下，反应堆模拟体执行以下操作，以在自然循环中建立冷却剂温度与电加热功率之间的负反馈关系，抑制热工参数的波动，保证自然循环工况稳定运行：根据热工参数计算总反应性；根据所述总反应性和点堆方程计算核功率；根据所述核功率确定目标电压，根据所述目标电压调整电加热元件的电压。7.根据权利要求6所述的自然循环稳定运行装置的控制方法，其特征在于，在循环模式为自然循环之前，所述控制方法还包括：启动稳压器和蒸汽发生器模拟体，当稳压器内压力达到预设主泵启动压力阈值时，启动主泵模拟体，以确定循环模式为强迫循环；
获取一回路流量；当所述一回路流量达到预设一回路流量阈值时，调整所述稳压器的电压，并启动反应堆模拟体，以模拟热源；获取一回路压力、一回路入口的冷却剂温度和一回路出口的冷却剂温度，根据一回路入口的冷却剂温度和一回路出口的冷却剂温度得到冷却剂平均温度；当所述一回路压力达到预设压力阈值且所述冷却剂平均温度达到预设冷却剂温度阈值时，关闭所述主泵模拟体，以进入自然循环模式。8.根据权利要求6所述的自然循环稳定运行装置的控制方法，其特征在于，所述根据热工参数计算总反应性具体包括：根据所述热工参数和预设模拟试验装置数据集计算得到冷却剂温度分布和电加热元件温度分布；根据所述冷却剂温度分布和所述电加热元件温度分布计算得到内部反应性；根据所述热工参数和所述预设模拟试验装置数据集计算得到外部反应性；根据所述内部反应性和外部反应性计算得到总反应性。9.根据权利要求8所述的自然循环稳定运行装置的控制方法，其特征在于，所述根据所述热工参数和预设模拟试验装置数据集计算得到冷却剂温度分布和电加热元件温度分布具体包括：假定公式1满足一维条件，根据公式1得到公式2
‑
4，联立公式2
‑
8，计算得到冷却剂温度分布和电加热元件温度分布，公式1
‑
8如下：（公式1）其中，S为源项，ρ为冷却剂密度，u为冷却剂流速，t为冷却剂平均温度和z为轴向距离；（公式2）其中，ρ为冷却剂密度，u为冷却剂流速，t为冷却剂平均温度，z为轴向距离，A为冷却剂截面积；（公式3）其中，ρ为冷却剂密度，u为冷却剂流速，t为冷却剂平均温度，z为轴向距离，f为摩擦系数，P为一回路系统压力；（公式4）其中，ρ为冷却剂密度，h为冷却剂焓，u为冷却剂流速，t为冷却剂平均温度，z为轴向距离，A
u
为电加热元件截面积，q(z)为电加热元件表面热流密度；(公式5）
其中，C
u
为铀芯比热，ρ
u
为铀芯密度，T
u
为铀芯温度，k
u
T
u
为铀芯材料的导热率，q
v
(r，t)为单位体积释热率，t为冷却剂平均温度，z为轴向距离，r为微元与铀芯中心的距离，微元为以轴心中心为原点，冷却剂流动方向为ｘ轴的坐标点；（公式6）其中，C
u
为铀芯比热，ρ
u
为铀芯密度，T
u
...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄彦平，唐瑜，徐建军，周慧辉，谢峰，谢添舟，彭劲枫，谭曙时，彭兴建，
申请(专利权)人：中国核动力研究设计院，
类型：发明
国别省市：