热管冷却固体堆传热与中子物理模块的实时仿真方法

1.本发明涉及的是一种核电站仿真领域的技术，具体是一种基于虚实结合的热管冷却固体堆传热与中子物理模块的实时仿真方法。


背景技术：

2.热管冷却反应堆是一种以高温热管作为冷却方式的固体堆芯反应堆，具有一体化小型化、结构紧凑简单、高传热效率、非能动安全等优良特性。中子动力学模型被用于描述反应堆动态运行时中子密度或堆功率的瞬态变化，功率变化将导致温度发生变化。使用中子与靶核的反应截面来描述堆内核反应过程的概率，而反应截面受堆内温度变化的影响很大。此外，固体堆芯在高温下的热膨胀效应会进一步加剧中子泄露，进而降低功率。因此在中子动力学方程中需要考虑温度变化引入的反馈效应，通常使用耦合中子动力学模型与瞬态热工模型的方法来描述这一反馈效应。然而目前对于瞬态热工模型，如热管被动输热模型、气隙导热模型等，的机理认识与模型构建仍然存在局限性。


技术实现要素：

3.本发明针对现有技术无法在模型与硬件之间实时传递温度数据的效果的缺陷以及无法针对固体反应堆进行可靠核热耦合仿真的不足，提出一种热管冷却固体堆传热模块与中子物理模块的实时耦合方法，实现通过传热装置测得温度数据对中子动力学模型运行求解的实时校正，对于研究固体堆动态响应特性具有重要意义。因此本发明提出的方法以温度数据测量代替瞬态热工模型，从而能够对考虑温度反馈效应的中子动力学模型进行实时仿真。为提高该方法实施过程中软硬件之间的数据传输效率，使用labview开发集数据测量 模型求解于一体化的实时仿真平台。
4.本发明是通过以下技术方案实现的：
5.本发明涉及一种热管冷却固体堆传热与中子物理模块的实时仿真方法，通过构建用于实时仿真的中子动力学简化点堆模型并进行初始化后，采用以热管冷却固体堆模块传热实验装置的实验温度测量代替中子动力学简化点堆模型求解过程，以热工模型预测系统温度。技术效果
6.本发明使用传热实验替代传热模型，提出一种实物(传热) 模型(中子物理)的实时仿真方法，解决实物与模型之间数据同步传递与交换的问题，揭示在温度反馈效应作用下固体堆快速启动过程中的温度、功率振荡现象。与现有技术相比，本发明在低成本桌面级pc上实现热管冷却堆实时仿真平台，通过温度实验数据与功率模拟数据的管理算法，满足250ms下的实时仿真要求，确保虚实数据的同步性。仿真结果清晰地捕捉到快速启堆过程中功率与温度的相互振荡效应，为固体堆后续详细安全设计提供指引。
附图说明
7.图1为本发明流程图；
8.图2为热管冷却固体堆模块传热实验装置示意图；
9.图中：热电偶1、隔热层2、铜-水热管3、铝块4、加热管5、温度采集卡6、可编程直流电源7、仿真模块8；
10.图3为实施例中时间步长250ms下实时性验证示意图；
11.图4为实施例温度与功率的动态耦合效应示意图。
具体实施方式
12.如图1所示，为本实施例涉及一种基于虚实结合的热管冷却固体堆传热模块与中子物理模块的实时耦合方法，包括以下步骤：
13.步骤1)构建用于实时仿真的中子动力学简化点堆模型并进行初始化；
14.所述的中子动力学简化点堆模型具体为：其中：下标i表示6组缓发中子的编号，βi、ci、λi分别为每一组的缓发中子份额、缓发中子先驱核浓度以及衰变常数；λ为瞬发中子代寿命；β为6组βi之和；p表示反应堆功率；ρ为反应堆反应性，该参数与反应堆当前运行温度t之间满足：ρ＝α(t-t
ref
)，其中：α与t
ref
分别为反应性系数和参考温度，βi、ci、λi、λ、α与t
ref
均为常数，统称为点堆参数。
15.所述的中子动力学简化点堆模型用于求解上述公式以获得功率p随运行时间的关系。然而功率变化必然引起反应堆温度的变化，而堆内中子与靶核的反应概率受到温度的影响较大，其实质上反映热管堆温度变化对点堆模型下功率求解的反馈效应。然而当前对于热管堆内瞬态传热模型的机理认识有限，尚未总结出充分合理的瞬态热工模型(如热管传热模型、气隙传热模型)，不能准确地评估堆功率变化下温度的变化。
16.所述的初始化是指：确定点堆参数等常数、输入时间步长δt、输入温度采样率fs。
17.步骤2)采用以热管冷却固体堆模块传热实验装置的实验温度测量代替中子动力学简化点堆模型求解过程，以热工模型预测系统温度，具体包括：
18.2.1)通过温度采集卡周期性采集热管冷却固体堆模块传热实验装置的温度；
19.2.2)根据采集到的温度输入模型进行离散求解，具体为：为解决温度数据从测量板卡到上传到点堆模型所运行的仿真模块labview程序之间可能存在的迟滞问题，本方法充分利用labview数据先进先出(fifo)机制，将传递到模型的温度数据暂存在仿真模块缓存中，在一个仿真步长过后一次性提取暂存的n个数据(n＝δt
·
fs)取平均值其中采样率为fs；由点堆模型读取后，利用求解器离散并求解步骤1中点堆常微分方程组，解出下一时刻的运行功率p
n 1
；
20.2.3)根据求解得到的功率p
n 1
设置程控电源的电压输出信号，并将该电压输出信号控制热管冷却固体堆模块传热实验装置；
21.2.4)循环执行步骤2直至达到总模拟时间t
e，n
，以及等待时间δt-t
e，n
。
22.如图2所示，所述的热管冷却固体堆模块传热实验装置包括：隔热层2、以及设置于其内部的带有热电偶1的18根铜-水热管3和铝块4，其中：热电偶1与温度采集卡6相连并输出温度信号，铝块4分别与铜-水热管3和外部的4根加热管5相连，该加热管5与可编程直流
电源7相连以接收电压输出信号，温度采集卡6和可编程直流电源7分别与仿真模块8相连。
23.所述的仿真模块8包括：温度计算单元，根据实验实物传递过来的δt内全部温度数据，计算该步长下平均温度点堆方程求解单元，输入平均温度，求解下一时刻的功率p
n 1
；功率传递单元，将计算得到的功率p
n 1
以电压信号的方式传递到实验平台可编程电源中；等待单元，留出一定时间余量，以确保每一步时间步长确定为250ms，保障仿真的实时性。
24.所述的铜-水热管3和加热管5的布置要求满足：1根加热管周围均匀布置6根热管的方式紧凑排布。增大热管的数量有利于提高装置整体的散热能力，因而提升总的传热上限，增大实验容许功率范围。加热管-热管中心距离为14.5mm，加热管、热管与铝块之间留出1mm左右空隙用于插入热电偶，安装完毕后向这些空隙中涂抹高温硅脂以强化传热。热管的冷凝段暴露在空气中自然对流冷却，传热装置的其它部分则用隔热棉包裹以减少热损失。
25.所述的加热管5用于模拟核燃料棒中的中子裂变释热，每一根加热管直径为8.6mm，额定电压与额定功率分别为36v与250w。采用铜烧结芯的水热管模拟实际情况下的高温碱金属热管，每一根热管直径为10mm，有效长度为24cm。
26.所述的铝块4用于模拟不锈钢固体堆芯基体的同时固定铜-水热管3和加热管5。
27.所述的热电偶1，在每根铜-水热管3和加热管5上分别各设置两个热电偶，每个热电偶探头外径为1mm，包裹特氟龙保护层，耐受温度为260℃。其中埋入铝块基体内部的八个测点温度取平均值用于表示固体堆模块的平均温度。
28.经过具体实际实验，在恒定外界室温为305k，在热管冷端提供4m/s空气自然对流冷却的条件下，针对反应堆启动的瞬态工况，设置初始功率为1w，设置初始反应性为0$，实验目标加热功率为100w。瞬态时间总时间为6000s。实验需要得到温度与功率数据，其中固体实验堆温度通过热电偶在实验平台上测得；功率数据由运行在仿真模块的模型程序求解点堆方程获得。具体所获实验效果如下：在一个仿真步长内时间消耗的结果如图3所示。选取实时仿真步长δt＝250ms，物理实物部分的温度板卡采样率fs设置为40hz，由此可推算出在一个步长内仿真模块将采集n＝10个温度数据。如图3所示，求解这250ms步长间隔内的点堆方程实际消耗的真实时间为120ms，而步骤2所消耗的全部时间约为216ms，因此引入一段长度为34ms的等待时间，实际运行中t
e，n
、δt与等待时间之间的数量关系达到实时仿真的要求。
29.如图4所示，为基于本方法开展的热管冷却固体堆模块动态运行特性实验的结果图。在实验开始的5分钟后引入一个迅速上升的功率，此时温度也逐渐上升。随着温度上升而引入的负反馈效应将减小功率，降低的功率将引起温度的降低，因此在20～120分钟的时间内功率与温度均出现比较明显的振荡现象，随着振荡幅值逐渐减小，在约150分钟之后建立起新的稳态。以上结果表明采用本方法成功观测到热管堆动态运行过程中温度与功率的耦合变化效应，这对后续热管固体堆瞬态研究具有重要意义。
30.与现有技术相比，本发明在低成本桌面级pc上实现热管冷却堆实时仿真平台，通过温度实验数据与功率模拟数据的管理算法，满足250ms下的实时仿真要求，确保虚实数据的同步性。仿真结果清晰地捕捉到快速启堆过程中功率与温度的相互振荡效应，为固体堆后续详细安全设计提供指引。
31.上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同
的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。