液态熔盐堆堆芯功率内模控制器设计与仿真

内模控制是一种基于过程数学模型进行控制器设计的新型控制策略,具有结构简单、设计直观、无需精确的数学模型、在线调整参数少等优点。为探索内模控制在反应堆控制领域中的应用,以熔盐实验堆堆芯功率控制为例,通过建立熔盐实验堆一回路系统线性化模型,采用内模控制技术,结合粒子群优化算法设计堆芯功率内模控制器。并基于MATLAB/Simulink建立熔盐实验堆一回路仿真系统,开展熔盐实验堆堆芯阶跃反应性扰动下的功率控制研究。结果表明,所设计的堆芯功率内模控制器可很好地控制堆芯功率,实现系统的快速稳定。     

基于多节点模型的液态熔盐堆堆芯功率控制

液态熔盐堆以流动的氟化物作为燃料,燃料熔盐靠主泵驱动在主回路系统中流动,采用控制棒对堆芯功率进行控制。为研究液态熔盐堆堆芯功率控制,基于多节点建模方法,将熔盐实验堆堆芯划分为9个节点区域,建立熔盐实验堆堆芯非线性模型,并对模型进行线性化。基于堆芯线性化模型,采用PID控制方法设计堆芯功率控制系统,对堆芯反应性扰动等工况开展控制研究。结果表明,基于堆芯多节点模型设计的堆芯功率PID控制器可以实现对液态熔盐堆堆芯功率的良好控制。     

基于堆芯线性化模型的液态熔盐堆功率控制研究

液态熔盐堆中熔盐燃料依托主泵驱动在一回路中流动,在流动过程中造成了反应性损失,直接引起堆芯功率变化。考虑到熔盐燃料流动对堆芯功率控制的影响,建立了堆芯非线性模型,并对模型进行线性化处理。基于堆芯线性化模型,采用线性二次型高斯/回路传输（LQG/LTR）技术设计堆芯功率控制系统。以熔盐实验堆为例,开展堆芯反应性扰动控制研究。结果表明,采用堆芯线性化模型和LQG/LTR技术可以实现对液态熔盐堆堆芯功率的控制。      

基于Dragon与Donjon程序的液态熔盐实验堆临界计算与分析

基于组件输运程序Dragon与堆芯节块法程序Donjon,对包含有上下熔盐腔室、控制棒、实验孔道与中子源孔道的液态熔盐实验堆堆芯进行了计算与分析,给出了液态熔盐实验堆不同组件的等效均匀化模型。根据液态熔盐实验堆特性将中子能群划分为5种少群能群结构,基于所划分的每一种少群能群结构,对单根控制棒与不同控制棒组插入堆芯后的有效增殖因数和控制棒价值进行了计算分析。结果表明,7群能群结构具有更好的计算结果。基于7群能群结构开展了堆芯径向与纵向功率分布,以及控制棒拔出后堆芯的温度反应性系数计算分析,其计算结果与MCNP5计算结果相近,证明了模型等效的合理性以及Dragon和Donjon程序对液态熔盐实验堆的适用性。     

基于Dragon与Donjon程序的液态熔盐实验堆临界计算与分析

基于组件输运程序Dragon与堆芯节块法程序Donjon,对包含有上下熔盐腔室、控制棒、实验孔道与中子源孔道的液态熔盐实验堆堆芯进行了计算与分析,给出了液态熔盐实验堆不同组件的等效均匀化模型。根据液态熔盐实验堆特性将中子能群划分为5种少群能群结构,基于所划分的每一种少群能群结构,对单根控制棒与不同控制棒组插入堆芯后的有效增殖因数和控制棒价值进行了计算分析。结果表明,7群能群结构具有更好的计算结果。基于7群能群结构开展了堆芯径向与纵向功率分布,以及控制棒拔出后堆芯的温度反应性系数计算分析,其计算结果与MCNP5计算结果相近,证明了模型等效的合理性以及Dragon和Donjon程序对液态熔盐实验堆的适用性。     

T-S型模糊切换控制器在堆芯功率控制中的应用

采用传统比例-积分-微分(PID)控制器开展堆芯功率控制,控制过程中存在超调量大、调节时间长的问题。为解决这一问题,基于堆芯传递函数模型,采用T-S型模糊规则对比例-微分(PD)控制器、PID控制器、模糊控制器进行加权及切换,设计T-S型模糊切换控制器。以铅冷快堆堆芯功率控制为例,建立堆芯功率T-S型模糊切换控制系统,开展堆芯相对功率设定值阶跃、堆芯冷却剂进口温度扰动仿真。结果表明,基于堆芯传递函数模型设计的T-S型模糊切换控制器可以实现对堆芯功率的良好控制。     

液态熔盐堆堆芯功率模糊PID控制

液态熔盐堆采用熔融氟化盐为燃料,燃料熔盐出口温度是衡量熔盐堆安全的重要指标。通过堆芯功率控制可实现燃料熔盐出口温度控制。将液态熔盐堆堆芯划分成内区和外区,并基于能量守恒原理建立堆芯非线性模型,采用微扰理论对非线性模型进行线性化。基于堆芯线性化模型,采用模糊比例-积分-微分(PID)控制器设计堆芯功率控制系统。以熔盐增殖堆(MSBR)为例,开展堆芯功率控制仿真。结果表明,引入10^-3、2×10^-3阶跃反应性时,模糊PID控制器可以减小系统响应的上冲幅度和超调量,并且在堆芯功率发生了较大的负荷变化时,模糊PID控制器可以对堆芯功率的变化实现良好跟踪。故所采用的模糊PID控制器具有良好的动态性能,可实现对堆芯功率的良好控制。     

基于蚁群算法的小型铅基堆堆芯功率控制研究

小型铅基堆适用范围广、运行工况复杂多变,采用传统的控制方法难以实现堆芯功率的良好控制。为解决传统线性二次高斯控制（LQG）/回路传输恢复技术（LTR）控制器参数无法实现在线调整问题,采用微扰理论建立堆芯状态空间模型,设计一种基于蚁群算法的LQG/LTR控制器,建立小型铅基堆堆芯功率控制系统,实现了LQG/LTR控制器参数在线调整,并开展了堆芯动态仿真研究。结果表明,基于蚁群算法的LQG/LTR控制器相较于传统LQG/LTR控制器更易达到稳定,且变化幅值更小。      

液态燃料熔盐堆三维动力学程序开发及验证

液态燃料熔盐堆的燃料熔盐在一回路中循环流动,一回路高温熔盐既是燃料,又是冷却剂,大部分核裂变能直接释放在燃料熔盐之中。随着燃料熔盐流动,一部分缓发中子先驱核（Delayed Neutron Precursors,DNP）在堆芯外一回路中衰变引起反应性损失。液态燃料熔盐堆中子物理与热工流体紧密耦合,传统固态燃料反应堆堆芯核热耦合程序不再适用于液态燃料熔盐堆。针对液态燃料熔盐堆特点,建立了包含带对流项的DNP输运方程和带热内热源热工流体方程的液态燃料熔盐堆动力学模型,并基于节块展开法,开发了堆芯三维动力学程序ThorCORE3D。使用美国橡树岭国家实验室建造运行的熔盐实验堆（Molten Salt Reactor Experiment,MSRE）稳态和瞬态实验基准题,对ThorCORE3D程序进行了初步验证。结果表明：ThorCORE3D程序计算值与MSRE实验值吻合良好,适用于液态燃料熔盐堆稳态设计与瞬态分析。     

基于模糊多模型的堆芯功率控制

传统的堆芯功率PID控制器是基于单一功率水平处的堆芯局部模型设计的,难以准确描述整个堆芯功率水平范围的控制。因此,本文基于5个不同功率水平下的传递函数模型,通过三角隶属度函数加权,建立堆芯模糊多模型,并依据该模型设计堆芯功率模糊PID控制。以TMI型压水堆堆芯为对象,开展不同初始功率水平下的堆芯功率跟踪、堆芯进口温度扰动的控制仿真。结果表明,基于模糊多模型设计的堆芯功率模糊PID控制器可实现对堆芯功率的良好控制。     

固态燃料熔盐堆自适应功率控制器设计及分析

钍基熔盐堆核能系统(Thorium-based Molten Salt Reactor,TMSR)是中国科学院首批启动实施的战略性先导科技专项,旨在研发第四代反应堆核能系统。固态燃料钍基熔盐实验堆(The Solid Fuel Thorium-based Molten Salt Experimental Reactor,TMSR-SF1)是一个10 MW热功率的氟盐冷却球床堆,目前已经完成方案设计和初步工程设计。功率控制系统是反应堆一个关键控制系统,实现反应堆正常启动、功率运行和正常停堆功能,对保证反应堆安全和稳定运行起着极其重要的作用。根据TMSR-SF1运行控制要求,结合自适应控制理论,基于Lyapunov稳定性理论设计了一种TMSR-SF1模型参考自适应功率控制器。基于TMSR仿真平台,使用MATLAB/Simulink建立了自适应功率控制系统模型,并开展了控制器特性分析。结果表明,自适应功率控制器具备良好的负荷跟随能力,抗干扰能力强、稳定性好、可靠性高,能够满足TMSR-SF1功率控制的要求,确保堆芯的输出功率与功率设定值相匹配。     

基于TREND程序的石墨通道液态熔盐堆无保护反应性引入事故初步分析

采用自编系统分析程序TREND,基于液态点堆动力学模型,针对10 MW石墨通道液态熔盐堆的设计,研究分析不同反应性在阶跃引入和线性引入情况下10 MW石墨通道液态熔盐堆堆芯功率、石墨温度和堆芯出口熔盐温度的瞬态变化。结果表明,阶跃引入低于570pcm（1pcm=10?5）反应性,堆系统能在无保护的情况下安全运行;当单根控制棒失提引入约800pcm时,反应性引入速率不超过8pcm/s,反应堆能够利用自身的温度、功率负反馈特性有效地控制功率峰值和降低堆芯出口温度,保证反应堆在无保护情况下安全运行。因此,液态熔盐堆具有良好的固有安全性。      

基于NSGA-Ⅱ算法的核反应堆功率LQG控制器设计

反应堆功率控制系统的设计与核电厂的安全性和经济性息息相关。为提高其功率控制性能,本研究以某压水堆核电厂为研究对象,建立了其非线性动态数学模型,推导了其状态空间模型;采用线性二次型高斯（LQG）最优控制方法,设计了堆芯功率控制器;进一步基于遗传算法NSGA-Ⅱ对LQR权重系数进行了多目标优化;将本文所设计的控制器与传统PID控制器进行了典型工况的仿真对比。结果表明,与传统PID控制器相比,基于NSGA-Ⅱ方法优化的LQG控制器不但响应快速、控制精度高、稳定性好,而且具有良好的鲁棒性,能获得更优越的堆芯功率控制效果。     

基于变论域模糊PID的液态熔盐堆堆芯功率控制

液态熔盐堆堆芯系统具有非线性、时变性等特点,模糊比例积分微分(PID)控制技术因初始论域不能跟随误差变化而伸缩,使得系统的控制精度降低,故设计了一种基于变论域模糊PID控制器的堆芯功率控制策略。以熔盐增殖堆MSBR堆芯为例,在堆芯入口温度扰动或堆芯反应性扰动下,使用Matlab/Simulink对PID控制、模糊PID控制与变论域模糊PID控制下的效果进行仿真对比。结果表明,基于变论域模糊PID控制器建立的堆芯功率控制系统响应速度更快,超调量更小,控制效果更佳。     

10MWt固态燃料熔盐堆控制棒失控抽出事故分析

钍基熔盐堆核能系统项目是中科院先导科技专项之一,其战略性目标是研发第四代熔盐冷却裂变反应堆核能系统。基于10 MWt固态燃料熔盐堆的系统设计,开发了适用于球床式反应堆系统的安全分析软件,并以高温气冷堆为对象对程序计算结果的准确性进行了验证。基于该软件程序,对固态燃料球床堆(Thorium Molten Salt Reactor-Solid Fuel,TMSR-SF)控制棒失控抽出事故进行了分析计算,研究了不同停堆限值及各停堆信号对事故的影响。计算结果表明,超功率停堆限值越高,出口温度限值越大,信号延迟时间越长,反应堆停堆越晚,堆芯功率和燃料最高温度越高。在TMSR-SF控制棒失控抽出事故下,燃料最高温度不超过860°C,远低于1 600°C的熔化温度限值。     

1GW固态燃料熔盐堆运行瞬态分析

钍基熔盐堆(Thorium-based Molten Salt Reactor,TMSR)作为一种新的堆型,具有独特的安全与运行特性。研究其热工水力特性,对其进行瞬态分析,将有助于深刻理解该反应堆。本文介绍了1 GW固态熔盐堆的堆芯设计方案,并描述了用于瞬态分析的详细程序结构。其中,利用RELAP5对其热工水力模型进行模拟;利用Simulink对其控制系统模型进行模拟。通过预期运行瞬态,例如功率降低、堆芯反应性引入、二回路温度变化等工况显示了其运行特性,并验证了控制系统可以使反应堆达到安全稳定状态,而不触发保护系统动作。     

Application of Fuzzy Logic Controller to Load-Follow Operations in Pressurized Water Reactors

The fuzzy logic controller was developed to control load-follow operations in pressurized water reactors. The reactor core characteristics change according to different fuel cycles or core exposures, thus making a nonlinear time-varying control problem. This proposed method, however, does not require a mathematical model to design the controller, and so avoids redesigning or tuning controller gain for various cores. Clearly, this method is very suitable for reactor load-following operation control. The control system has two subsystems: one is to track the desired power, and the other is to keep axial offset close to the target value. Both controllers use fuzzy logic: one is the conventional type, and the other uses fuzzy logic to tune the parameters of the controller so the controller can correspond to various core characteristics. Simulation results show that the control system performs well for different cores, and so this system is useful for load-follow operation.     

熔盐堆热管式非能动余热排出系统建模及程序开发

热管式非能动余热排出系统（HP-PRHRS）概念设计可有效提升熔盐堆非能动安全特性。基于HP-PRHRS结构和熔盐堆运行特点,建立了一套较为完整的数学物理模型,涵盖了熔盐堆堆芯物理热工耦合、高温热管和HP-PRHRS运行等。采用上述模型开发了HP-PRHRS分析程序PRAC,利用MSRE基准题和瞬态实验数据进行了对比验证。结果表明：PRAC程序计算值与基准题和实验结果吻合良好,证明了模型和程序的准确性。HP-PRHRS模型和PRAC程序能为后续开展HP-PRHRS深入设计提供模型和软件基础。