一种模拟核燃料装载反馈装置和方法与流程

本申请涉及核临界领域，具体地，涉及一种模拟核燃料装载反馈装置和方法。

背景技术：

这里的陈述仅提供与本发明有关的背景信息，而不必然地构成现有技术。核临界装置是一种具有足够易裂变材料，在无需冷却系统的低功率下，以可控方式维持自持裂变反应的装置，是最精简的反应堆系统。由于没有热工反馈，临界装置是开展反应堆物理实验的最佳平台，也是开展反应堆操纵员培训、反应堆物理实验培训的平台。

技术实现要素：

在下文中给出了关于本申请的简要概述，以便提供关于本申请的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本申请的穷举性概述。它并不是意图确定本申请的关键或重要部分，也不是意图限定本申请的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

根据本申请的一个方面，提供了一种反馈方法，用于模拟核燃料装载，其特征在于，包括：

将模拟核燃料元件装载在反应堆堆芯容器中；

将装载后的模拟核燃料元件的装载信号传递到可编程逻辑控制器；

对所述可编程逻辑控制器获取的信号进行反应性计算；

将反应性计算结果反馈至模拟控制平台。

根据本申请的一些实施例，所述模拟核燃料元件为不包含核燃料和/或吸收体的棒栅。

根据本申请的一些实施例，在所述堆芯容器的上栅格板上方和/或所述堆芯容器的下栅格板下方设置传感器。

根据本申请的一些实施例，在所述堆芯容器的上栅格板上方设置相机，以拍照模式获取模拟核燃料元件的装载信号。

根据本申请的一些实施例，在所述堆芯容器的下栅格板下方设置位置传感器，所述位置传感器的数量与所述堆芯容器能够装载的模拟核燃料元件的数量一致。

根据本申请的一些实施例，通过所述传感器将每一次的模拟核燃料元件的装载信号传递至所述可编程逻辑控制器，当无模拟核燃料元件装载时，传感器传递数值0；当有模拟核燃料元件装载时，传感器传递数值1。

根据本申请的一些实施例，对所述可编程逻辑控制器获取的信号进行反应性计算，以构成由栅格板的孔位尺寸以及0或1组成的二维数组。

根据本申请的一些实施例，将所述二维数组传递至反应性反馈求解器，以将所述堆芯容器中的模拟核燃料元件的装载信号转换为所述堆芯容器的有效增值系数和/或探测器响应信息。

根据本申请的一些实施例，将当前装载后的模拟核燃料元件的装载信号反馈至模拟控制台，以进行堆芯状态显示。

根据本申请的一些实施例，将反应性反馈求解器计算所得的探测器响应信号、反应性信号或者中子与伽马剂量信号中的至少一个反馈至模拟控制台。

根据本申请的一些实施例，将反应性反馈求解器计算所得的信号中的至少一个反馈至模拟控制台的启动监测装置、周期测量系统、功率保护系统、周期保护系统或剂量监测系统中的至少一个。

根据本申请的一些实施例，反馈响应求解器可以为基于中子、光子输运理论的反应性反馈与探测器响应数值求解器。

根据本申请的一些实施例，采用反馈响应求解器实时计算不同位置探测器随时间的计数响应。

根据本申请的一些实施例，采用反馈响应求解器计算堆芯操作每一步的反应性反馈。

根据本申请的一些实施例，通过一种模拟核燃料装载反馈装置，包括：

装载模块，用于将模拟核燃料元件装载在反应堆堆芯容器中；

传递模块，用于将装载后的模拟核燃料元件的装载信号传递到可编程逻辑控制器；

计算模块，用于对所述可编程逻辑控制器获取的信号进行反应性计算；

反馈模块，用于将反应性计算结果反馈至模拟控制平台。

根据本申请的一些实施例，所述模拟核燃料元件为不包含核燃料和/或吸收体的棒栅。

根据本申请的一些实施例，还包括：设置在所述堆芯容器的上栅格板上方和/或所述堆芯容器的下栅格板下方的传感器。

根据本申请的一些实施例，还包括：设置在所述堆芯容器的上栅格板上方的相机，用于拍照模式获取模拟核燃料元件的装载信号。

根据本申请的一些实施例，还包括：设置在所述堆芯容器的下栅格板下方的位置传感器，所述位置传感器的数量与所述堆芯容器能够装载的模拟核燃料元件的数量一致。

根据本申请的一些实施例，所述传递模块通过所述传感器将每一次的模拟核燃料元件的装载信号传递至所述可编程逻辑控制器，当无模拟核燃料元件装载时，传感器传递数值0；当有模拟核燃料元件装载时，传感器传递数值1。

根据本申请的一些实施例，所述计算模块对所述可编程逻辑控制器获取的信号进行反应性计算，以构成由栅格板的孔位尺寸以及0或1组成的二维数组。

根据本申请的一些实施例，还包括：反应性反馈求解器，所述二维数组被传递至反应性反馈求解器，以将所述堆芯容器中的模拟核燃料元件的装载信号转换为所述堆芯容器的有效增值系数和/或探测器响应信息。

根据本申请的一些实施例，所述反馈模块将当前装载后的模拟核燃料元件的装载信号反馈至模拟控制台，以进行堆芯状态显示。

根据本申请的一些实施例，所述反馈模块将反应性反馈求解器计算所得的探测器响应信号、反应性信号或者中子与伽马剂量信号中的至少一个反馈至模拟控制台。

根据本申请的一些实施例，所述反馈模块将反应性反馈求解器计算所得的信号中的至少一个反馈至模拟控制台的启动监测装置、周期测量系统、功率保护系统、周期保护系统或剂量监测系统中的至少一个。

根据本申请的一些实施例，通过一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其中，所述处理器执行所述程序时实现如上所述的方法。

通过以下结合附图对本发明的优选实施例的详细说明，本发明的这些以及其他优点将更加明显。

附图说明

为了进一步阐述本发明的以上和其它优点和特征，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分。具有相同的功能和结构的元件用相同的参考标号表示。应当理解，这些附图仅描述本发明的典型示例，而不应看作是对本发明的范围的限定。

在附图中：

图1示出了根据本申请的一些实施例的参数化核临界实验数据库构建方法的示意图；

图2示出了根据本申请的一些实施例的测量核临界装置运行全过程不同时刻的核临界状态数据的示意图；

图3示出了根据本申请的一些实施例的临界实验数值模型的示意图；

图4示出了根据本申请的一些实施例的数据库建设方法流程图；

图5示出了根据本申请的一些实施例的模拟核燃料装载反馈方法逻辑示意图；

图6示出了根据本申请的一些实施例的模拟核燃料装载的反馈方法的示意图；

图7示出了根据本申请的一些实施例的核临界实验模拟方法逻辑示意图；

图8示出了根据本申请的一些实施例的模拟装置结构示意图；

图9示出了根据本申请的一些实施例的堆芯模拟模块采集临界实验数据示意图；

图10示出了根据本申请的一些实施例的堆芯模拟模块模拟临界过程数值示意图；

图11示出了根据本申请的一些实施例的操作台模拟模块验证数值计算程序示意图；

图12示出了根据本申请的一些实施例的核临界实验模拟平台模块的数据计算流程示意图。

具体实施方式

在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本申请内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。

在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的设备结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

首先，简要描述本申请的基本概念。

可编程逻辑控制器(programmablelogiccontroller，plc)

可编程逻辑控制器是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。它采用一种可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。可编程逻辑控制器是具有微处理器的用于自动化控制的数字运算控制器，可以将控制指令随时载入内存进行储存与执行。可编程控制器由cpu、指令及数据内存、输入/输出接口、电源、数字模拟转换等功能单元组成。

现在工业上使用的可编程逻辑控制器已经相当或接近于一台紧凑型电脑的主机，其在拓展性和可靠性方面的优势使其被广泛应用于目前的各类工业控制领域。不管是在计算机直接控制系统还是集中分散式控制系统dcs，或者现场总线控制系统fcs中，总是有各类plc控制器的大量使用。

plc的基本组成部件

可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成详细描述如下：

电源

电源用于将交流电转换成plc内部所需的直流电，目前大部分plc采用开关式稳压电源供电。

中央处理单元

中央处理器(cpu)是plc的控制中枢，也是plc的核心部件，其性能决定了plc的性能。中央处理器由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集中在一块芯片上，通过地址总线、控制总线与存储器的输入/输出接口电路相连。中央处理器的作用是处理和运行用户程序，进行逻辑和数学运算，控制整个系统使之协调。

存储器

存储器是具有记忆功能的半导体电路，它的作用是存放系统程序、用户程序、逻辑变量和其他一些信息。其中系统程序是控制plc实现各种功能的程序，由plc生产厂家编写，并固化到只读存储器(rom)中，用户不能访问。

输入单元

输入单元是plc与被控设备相连的输入接口，是信号进入plc的桥梁，它的作用是接收主令元件、检测元件传来的信号。输入的类型有直流输入、交流输入、交直流输入。

输出单元

输出单元也是plc与被控设备之间的连接部件，它的作用是把plc的输出信号传送给被控设备，即将中央处理器送出的弱电信号转换成电平信号，驱动被控设备的执行元件。输出的类型有继电器输出、晶体管输出、晶闸门输出。

plc除上述几部分外，根据机型的不同还有多种外部设备，其作用是帮助编程、实现监控以及网络通信。常用的外部设备有编程器、打印机、盒式磁带录音机、计算机等。

当可编程逻辑控制器投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，可编程逻辑控制器的cpu以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

输入采样

在输入采样阶段，可编程逻辑控制器以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入i/o映象区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，i/o映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

用户程序执行

在用户程序执行阶段，可编程逻辑控制器总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统ram存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在i/o映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在i/o映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在i/o映象区或系统ram存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。

在程序执行的过程中如果使用立即i/o指令则可以直接存取i/o点。即使用i/o指令的话，输入过程映像寄存器的值不会被更新，程序直接从i/o模块取值，输出过程映像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。

输出刷新

当扫描用户程序结束后，可编程逻辑控制器就进入输出刷新阶段。在此期间，cpu按照i/o映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是可编程逻辑控制器的真正输出。

开关量的计算

开关量也称逻辑量，指仅有两个取值，0或1、on或off。它是最常用的控制，对它进行控制是plc的优势，也是plc最基本的应用。开关量控制的目的是，根据开关量的当前输入组合与历史的输入顺序，使plc产生相应的开关量输出，以使系统能按一定的顺序工作。所以，有时也称其为顺序控制。

模拟量是指一些连续变化的物理量，如电压、电流、压力、速度、流量等。plc是由继电控制引入微处理技术后发展而来的，可方便及可靠地用于开关量控制。由于模拟量可转换成数字量，数字量只是多位的开关量，故经转换后的模拟量，plc也完全可以可靠的进行处理控制。由于连续的生产过程常有模拟量，所以模拟量控制有时也称过程控制。

外推法(extrapolation)

外推法是根据过去和现在的发展趋势推断未来的一类方法的总称，用于科技、经济和社会发展的预测，是情报研究法体系的重要部分。外推法通俗地说，它是一种很好的近似计算方法。对于已求得的低精度近似值，只要作几次最简单的四则运算，便立刻得到高精度的近似值.更简单地说，它是一种把低精度近似值加工到高精度的近似值的一种方法，简称精加工。外推法利用过去和现在已知其构成规律的动态统计数列向未来的延伸的方法。外推法是把现有的科学结论或结果推广到该领域以外的未知领域中去。它是猜想的方法之一，也可以说是类比推理的一种特殊应用。外推法是指采用后向数值误差估计思想由精确解推出近似解的误差值。

定量分析中的外推法：

趋势平均法

所谓趋势平均法，是指以最近若干时期的平均值为基础，来计算预测期预期值的一种方法。

指数平滑法

指数平滑法是在移动平均法基础上发展起来的一种时间序列分析预测法，它是通过计算指数平滑值，配合一定的时间序列预测模型对现象的未来进行预测。

线性外推法

线性趋势外推法是最简单的外推法。这种方法可用来研究随时间按恒定增长率变化的事物。在以时间为横坐标的坐标图中应用线性外推法，首先是收集研究对象的动态数列，然后画数据点分布图，如果散点构成的曲线非常近似于直线，则可按直线规律外推。

指数曲线法

指数曲线法(exponentialcurve)是一种重要的趋势外推法。当描述某一客观事物的指标或参数在散点图上的数据点构成指数曲线或近似指数曲线时，表明该事物的发展是按指数规律或近似指数规律变化。如果在预测期限内，有理由说明该事物仍将按此规律发展，则可按指数曲线外推。

对于处在发生和发展阶段的技术，指数曲线法是一种重要的预测方法，一次指数曲线因与这个阶段的发展趋势相适应，所以比较适合处于发生和发展阶段技术的预测，一次指数曲线也可用于经济预测，因为它与许多经济现象的发展过程相适应，二次指数曲线和修正指数曲线则主要用于经济方面的预测。

生长曲线法

生长曲线模型(growthcurvemodels)可以描述事物发生、发展和成熟的全过程，是情报研究中常用的一种方法。

生物群体的生长，例如人口的增加、细胞的繁琐，开始几乎都是按指数函数的规律增长的。在达到一定的生物密度以后，由于自身和环境的制约作用，逐渐趋于一稳定状态。通过对技术发展过程的研究，发现也具有类似的规律。由于技术性能的提高与生物群体的生长存在着这种非严谨的类似，因而可用生长曲线模拟技术的发展过程。

生长曲线法几乎可用来研究每个技术领域的发展，它不仅可以描述技术发展的基本倾向，而更重要的是，它可以说明一项技术的增长由高速发展变为缓慢发展的转折时期，为规划决策确定开发新技术的恰当时机提供依据。

根据本申请的一些实施例，提供一种参数化核临界实验数据库构建方法。

核临界装置是一种具有足够易裂变材料，在无需冷却系统的低功率下，以可控方式维持自持裂变反应的装置，是最精简的反应堆系统。由于没有热工反馈，临界装置是开展反应堆物理实验的最佳平台，也是开展反应堆操纵员培训、反应堆物理实验培训的平台。核临界实验是以实验手段研究核物理临界性能的学科。反应堆的工程设计特别是新型反应堆研发离不开物理临界实验作为支撑，核数据库系统、特种材料、核燃料循环特种工艺环节的临界宏观检验也需要通过临界实验进行校准、验证。临界实验数据是临界实验开展过程中所产生的实验过程步骤、探测器响应信息、元件及控制棒反应性价值与空间剂量信息，其作用是记录所开展实验的全过程，使得日后可以复现已经开展实验过程的某一时刻点，用于科学研究及工程校验的用途。参数化核临界实验数据库是将核临界装置运行过程中涉及的各种工况离散，预先开展实验测量、结合模拟数值计算后构成的参数库，其可以作为数据源用于核临界装置的临界过程、实验过程复现，运行过程模拟。通过构建参数化核临界实验数据库，将以时间轴为序的临界实验数据整理成以反应性为单位的不同元件位置、不同控制棒位置、不同水位、不同温度的参数化临界实验数据，并整合成库。

现有技术是基于实时求解中子扩散方程得到不同堆芯状态下的反应性及堆芯探测器响应信息，用以模拟反应堆运行过程，案例是美国studsvik公司的s3r程序。其方案是将随时间变化的反应堆模型的时间变量离散成大量状态点，对每个状态点分别求解中子输运方程，得到反应堆运行状态信息。缺点是单个状态点的求解速度为秒量级，对于核反应过程其反应性变化的趋势时间尺度是很小的，对现行微机的计算能力是一大挑战，且实时求解中子输运方程需要对模型做大量简化，不利于表征反应微观尺度下的变化。

参数化核临界实验数据库是将复杂临界系统问题拆解成若干离散点，构成临界装置运行工况矩阵，维度包括：

不同位置的燃料元件装载；

控制棒棒位；

慢化剂水位；

燃料温度、慢化剂温度；

中子源状态；

探测器响应计数。

针对以上参数，将不同维度下状态点建立计算模型矩阵。开展临界实验复现、反演、外推拓展工作时，离散点间可以通过线性插值的方法获得矩阵覆盖范围内的不同工况下的数据。插值速度较输运方程求解速度有极大的提高，同时由于数据源头是来自于实验测量值，该方法同样具有较高的结果精度和分辨率，利于表征反应微观尺度下的变化。

开展临界实验复现、反演工作时，相比较传统方法，无需求解中子输运方程，离散点间可以通过插值外推拓展的方法获得矩阵覆盖范围内的不同工况下的反应性数据。插值外推速度远高于中子输运方程求解速度。

通过数值计算以连续形式表征实验，采用经实验数据修正后的数值模拟复现实验过程及实验方法，拓展实验数据的覆盖范围，实现基于离散测量实验数据及高精度三维临界装置数值计算的高精度实验数据复现、外推；为核临界物理实验设计、中子学过程细致分析、中子学现象机理定量化研究、实验结果溯源提供新的技术途径和解决方案。

较传统的以实验过程时间轴为序的临界实验离散数据点相比，基于参数化核临界实验数据库可以记录临界装置实验的微观过程，在参数化包含的维度间自由组合，拓展了临界实验数据覆盖范围。

参数化核临界实验数据库构建

根据本申请的一些实施例，提供一种参数化核临界实验数据库构建方法，参见图1，该方法包括：

一、实验数据采集，测量核临界装置运行全过程不同时刻的核临界状态数据s501：

基于周期法或逆动态法测量给定系统临界状态数据，具体参见图2，测量核临界装置运行全过程不同时刻的有效增值系数值5012、临界附近元件价值5014、安全棒积分价值5016、调节棒微分价值5018、水位系数值5020；

核临界装置运行全过程不同位置中子探测器的电流和计数信息；

核临界装置运行全过程不同位置伽马探测器剂量信息。

二、数据拓展，拓展测量所得的核临界状态数据以建立临界实验数值模型s503：

建立精细等比临界实验数值模型，采用高精度数值计算程序2422，对实验堆芯临界系统进行建模，建立覆盖实验案例前后的模型。

调整高精度数值计算程序2422计算模型，使得所建立模型与步骤一中的实验测量状态一致，具体参见图3，并调用数值计算程序2422开展数值计算；所述数值计算程序为高精度数值计算程序。

当高精度数值计算程序2422计算模型与步骤一中测量所得的所述核临界状态数据存在偏差时，以相同堆芯装载为等价依据，基于实验实测数据获得较该装载情况下与数值计算对应点的反应性偏差常数ρ，并以此为依据修正高精度数值计算程序2422数值计算结果，获得相对于实验修正的数值计算结果。

采用实验数据离散点验证或修正后的高精度数值计算程序2422计算结果绘制趋势，外推获得基于高精度数值计算程序2422拓展的临界实验数据结果；此基础上拓展测量所得的实验数据矩阵，获得完整连续的核临界状态数据。

基于拓展后的核临界状态数据，可以采用反馈响应求解器124实时计算不同位置探测器随时间的计数响应；也可以采用所述反馈响应求解器124计算所述核临界装置的堆芯操作每一步的反应性反馈；反馈响应求解器124可以为基于中子、光子输运理论的反应性反馈与探测器响应数值求解器，可以获得临界装置任一时刻反应性与探测器状态。

燃料元件装载规则5032分为同心圆分布式、矩形分布式、六角形分布式，如果堆芯为1/2、1/4、1/8对称几何，则可以建立对称模型进行求解。同心圆分布式的燃料元件装载规则5032为由中心点向外逐圈递增；矩形分布式的燃料元件装载规则5032为由中心点向外逐圈递增，同时每圈的每条边由中心向两边装载；六角形分布式的燃料元件装载规则5032为由中心点向外逐圈递增，同时每圈的每条边由中心向两边装载。以每一根燃料棒为单位，依次产生对应的反应性引入量信息，以δk/k/pin或pcm/pin为单位；

控制棒棒位规则5033分为对应实际临界装置的第一调节棒、第二调节棒等等；第一安全棒、第二安全棒等等；将每根调节棒随运动过程分为10步，分别计算每一根控制棒的每一运动步长对应情况下的反应性，以δk/k/mm或pcm/mm为单位；

慢化剂水位规则5034对应实际的核临界装置水位高度等分为10层，分别计算每一层在每种堆芯装载情况下的反应性引入，将每一层反应性引入除以层高获得对应装载下的“反应性/液位”系数，以δk/k/mm或pcm/mm为单位；

燃料温度规则5035、慢化剂温度规则5036对应实际的核临界装置分为以每5℃为一个温度区间，分别计算每一个温度区间在每种堆芯装载情况下的反应性引入，将每一温度区间反应性引入除以温度间隔获得对应装载下的“反应性/温度”系数，以δk/k/℃或pcm/℃为单位；

中子源状态规则5037，记录中子源类型(固定源、脉冲源)、状态(堆内、堆外)、源强；

探测器响应计数规则5038，按不同探测器位置设置探测器计数响应计算模型，并按照矩阵采用棒栅pin-by-pin理论的中子、光子输运数值求解器进行计算。计算结果预处理成矩阵形式，以δk/k或pcm为单位，建立离线数据库，以备核临界实验模拟方法对实验过程复现时使用。

三、数据标准化整理，根据所述临界实验数值模型来标准化核临界状态数据s505：

根据以上信息，建立离线计算的临界装置运行工况矩阵，维度包括：

不同位置的燃料元件装载的反应性价值32；

控制棒棒位，包括安全棒状态38、调节棒状态40；

临界装置水位高度36；

燃料温度、慢化剂温度；

中子源状态34；

中子探测器的响应计数和中子探测器的电流信号42；

伽马探测器的响应计数和伽马探测器的电流信号44。

四、针对以上参数，将不同维度下状态点整理成标准化格式矩阵s507，具体方法如下：

不同位置的燃料元件装载的反应性价值32，满水位情况下，根据栅格板m行*n列个double类型数；

每根安全棒由完全提出到完全进入分为100等分，给出安全棒价值单位刻度下100个double类型数；每根调节棒由完全提出到完全进入分为100等分，给出调节棒价值单位刻度下100个double类型数；

临界装置水位高度36按照满水位到零水位将高度等分10份，共计10*m行*n列个double类型数；

在临界装置运行温度区间以每5摄氏度为间隔，分别给出该系统的燃料温度系数和慢化剂温度系数；

给出中子源状态34(bool类型数)、源类型(int类型数)和源强大小(double类型数)；

中子探测器的响应计数(int类型数)和中子探测器的电流信号(double类型数)、以每10毫秒为时间间隔；

伽马探测器的响应计数(int类型数)和伽马探测器的电流信号(double类型数)、以每10毫秒为时间间隔。

参数化核临界实验数据库具有以下有益效果：

高效率：使单个状态点的求解速度控制在微秒量级，实现了求解速度量级的跨越。解决了模拟临界实验过程计算需求和计算能力之间矛盾的关键问题，使得可以通过数值计算模拟临界实验过程，为临界实验模拟装置的构建提供理论基础；

高精度：数据源头取自实验真实值，较采用纯模拟计算方法精度更高；

可拓展：基于高精度数值求解外推拓展了实验数据，开展临界实验复现、反演工作时不受限于实验测量点数量限制；

参数化核临界实验数据库以数据为形式，作为桥梁将临界实验测量与临界实验反演、复现相衔接，使核临界实验的高精度、高性能数字化表征成为可能。

数据库建设方法流程图如图4所示，数据采集：数据源来自于反应堆临界实验测量或数值计算；数据标准化整理：(整理成标准化格式)根据不同位置处元件的反应性价值32；中子源状态34；反应堆水位高度36；安全棒状态38；调节棒状态40；中子探测器的电流信号42；伽马探测器的电流信号44。整理以上7类随时间变化的情况形成标准化格式。

模拟核燃料装载反馈

根据本申请的一些实施例，提供一种模拟核燃料装载反馈方法。

模拟核燃料装载反馈是一种数字化核临界实验模拟系统的触发方法机制，目的是用于模拟燃料元件(硬件)与物理反馈计算内核(软件)进行同步触发操作的。数字化核临界实验模拟平台是开展核临界实验反演、复现的平台，其核心采用数值计算反馈替代了核反应反馈，模拟核燃料装载反馈方法是该反馈的关联触发机制方法，有效地解决了硬件调用软件时的反馈触发的问题。现有技术是核电站的操纵员培训用仿真机，如美国gse公司产品。两者的区别是核电站模拟机不包括堆本体的硬件模拟和真实核燃料装载过程的体现，因此不涉及该软硬件关联触发机制。

采用模拟核燃料装载反馈方法的优势是：作为桥梁衔接了数字化核临界实验模拟系统的软件和硬件系统，基于本方法可以真实模拟了临界实验装置上的模拟燃料元件装载这一行为过程。

模拟核燃料装载反馈方法构成了模拟堆芯装置平台10(硬件)与反应性反馈内核(软件)的桥梁，解决了在数字化核临界实验模拟系统中，模拟燃料元件装载后的反应性反馈触发的关键问题。基于本方法实现了以数值计算软件信号模拟反馈替代了真实核反应反馈。

核临界装置是一种具有足够易裂变材料，在无需冷却系统的低功率下，以可控方式维持自持裂变反应的装置，是最精简的反应堆系统。由于没有热工反馈，临界装置是开展反应堆物理实验的最佳平台，也是开展反应堆操纵员培训、反应堆物理实验培训的平台。在真实核临界装置上，给定系统中核燃料装载的每一过程对链式裂变反应的程度有直接影响，通过中子探测器测量中子通量水平可以监测核临界装置的运行状态，并开展有关的核临界实验。但真实核临界装置在建造运行方面门槛高，有诸多不便因素：造价成本高、运维成本高、核材料受监管、需要专业运行人员等。

数字化核临界实验模拟平台是为解决以上问题矛盾而设计的数字化核临界装置，其核心是用数值计算反馈替代核反应反馈，数值计算反馈是基于当前临界装置的核燃料装载数量情况，因此反馈软件内核需要得到当前的核燃料装载情况作为反馈计算的触发操作信号，模拟核燃料装载反馈方法很好的解决了这一问题。

根据本申请的一些实施例，提供一种模拟核燃料装载反馈方法，如图5所示，主要包括以下步骤：

步骤一：模拟核燃料元件102。为模拟堆芯内元件装载过程，模拟元件采用与真实核燃料、吸收体元件外形尺寸一致，但不包含核燃料、吸收体材料的棒栅。

步骤二：装载后模拟堆芯位置传感器14信号反馈至plc。

模拟核燃料装载反馈方法基于燃料元件位置传感器108，有两种方案：

a)在上栅格板上方中心位置悬挂一工业相机，以拍照模式取上栅格板的元件装载位置情况；

b)模拟元件布置在模拟堆芯容器104下栅格板的位置传感器，传感器数量与栅格板可装载的燃料元件数一致，以传感器反馈模式取元件装载位置。

基于方案a)或b)，通过的位置传感器将每一次的模拟核燃料元件102(硬件)装载信号传递至plc控制系统，当无模拟元件装载时传感器反馈0，当有模拟元件装载时传感器反馈1。

步骤三：反应性计算。所有布置于下栅格板的位置传感器信号传递至plc控制系统，经整理构成由栅格板孔位大小，0和1构成的两维数组。位于计算服务器上的反应性反馈求解器16以一定时间间隔读取plc控制系统提供的当前模拟核燃料装载情况，传递并调用反应性反馈求解器16(软件)，该软件的目的是将堆芯的模拟燃料元件装载情况快速转换为堆芯的有效增值系数及探测器响应信息。

步骤四：反应性反馈，具体分为：①将当前核临界装置模拟燃料元件装载情况信号反馈至模拟控制台12进行堆芯状态显示；②将调用反应性反馈求解器16(软件)计算后得到的探测器响应信号、反应性信号、中子与伽马剂量分别反馈至模拟控制台12的启动监测装置、周期测量系统、功率保护系统、周期保护系统、剂量监测系统。数字化核临界实验模拟平台启动后，反复迭代执行步骤①与步骤②，此过程直至平台运行结束。

基于本模拟核燃料装载反馈方法，实现了模拟燃料元件(硬件)与物理反馈计算内核(软件)进行的同步触发操作。

在临界装置中作为桥梁将数值模拟反应性反馈替代了真实核燃料的物理反馈，解决了模拟临界实验过程中模拟燃料元件装载后的反应性反馈触发的关键问题。

根据本申请的一些实施例，提供一种模拟核燃料装载反馈方法，主要包括以下步骤，参见图6：

①启动模拟平台s101：按照正常流程启动数字化核临界实验模拟平台，假定此时堆芯为空；

②装载模拟燃料元件s103：按照实验大纲，将一定量与真实核燃料、吸收体元件外形尺寸一致，但不包含核燃料、吸收体材料的模拟燃料元件装入堆芯；

③传递装载信号s105：由布置于上栅格板上方的工业相机或布置于下栅格板的位置传感器取当前堆芯方案的核燃料装载情况，通过的位置传感器将每一次的模拟核燃料元件102(硬件)装载信号传递至plc控制系统，当无模拟元件装载时传感器反馈0，当有模拟元件装载时传感器反馈1；

④反应性计算s107：所有布置于下栅格板的位置传感器信号传递至plc控制系统，经整理构成由栅格板孔位大小，0和1构成的两维数组。位于计算服务器上的反应性反馈求解器16以一定时间间隔读取plc控制系统提供的当前模拟核燃料装载情况，传递并调用反应性反馈求解器16(软件)；

⑤反应性反馈s109，具体分为：将当前核临界装置模拟燃料元件装载情况信号反馈至模拟控制台12堆芯状态显示；将调用反应性反馈求解器16(软件)计算后得到的探测器响应信号、反应性信号、中子与伽马剂量分别反馈至模拟控制台12的启动监测装置、周期测量系统、功率保护系统、周期保护系统、剂量监测系统。

⑥根据实验大纲及控制台反馈信号判断下一步操作流程；

⑦需要二次添加元件时，重复操作步骤②至步骤⑤过程，此过程直至平台运行结束。

数据驱动的核临界实验模拟平台

根据本申请的一些实施例，提供一种数据驱动的核临界实验模拟平台。

目前最为接近的技术是核电站的操纵员培训用仿真机，如美国gse公司产品。两者的区别是：核电站模拟机不包括堆本体的硬件模拟和真实核燃料装载过程的体现，因此不涉及该软硬件关联触发机制。其缺点是：不能模拟实验操纵过程；其数据源于计算模型，非实验测量数据，精度低；不具备真实临界实验反演功能。数据驱动的核临界实验模拟平台与核电仿真机的区别是：数据驱动的核临界实验模拟平台数据源来自实验测量数据，以此提供运行支撑数据，其结果近似于真实值，精度高，而核电仿真机数据源来自实时模拟数值计算，精度低于核临界实验模拟平台；数据驱动的核临界实验模拟平台完整复现了核燃料装载这一过程，除核燃料采用模拟燃料元件替代外，平台还高度还原了堆本体结构，这是核电仿真机所不具备的；仿真机的功能是为解决反应堆操作培训的需求，数据驱动的核临界实验模拟平台目的为是解决核临界实验复现、反演及拓展等需求，两者定位不同。

核临界装置是一种具有足够易裂变材料，在无需冷却系统的低功率下，以可控方式维持自持裂变反应的装置，是最精简的反应堆系统。由于没有热工反馈，临界装置是开展反应堆物理实验的最佳平台，也是开展反应堆操纵员培训、反应堆物理实验培训的平台。核临界实验是以实验手段研究核物理临界性能的学科。反应堆的工程设计特别是新型反应堆研发离不开物理临界实验作为支撑，核数据库系统、特种材料、核燃料循环特种工艺环节的临界宏观检验也需要通过临界实验进行校准、验证。目前，为获取核临界实验数据，需要在真实的核临界装置上完成核临界过程，存在以下缺点：在以真实核燃料驱动裂变反应的临界装置上开展临界物理实验，具有建造成本高(千万元量级)、维护成本高、准备周期长(两至三年)、不易开展(全过程需经监管部门监督审批)的特点；传统临界装置物理实验测量数据类型及数据点有限且难以复用，细致中子学过程无法直接测量，中子学现象的机理研究难以定量开展；传统的反应堆核设计方法以静态为主，现有稳态计算方法受制于能量、几何适应性难以模拟临界装置实验过程，无法支持临界装置的实时运行状态分析和动态实验的设计；基于历史上已开展实验的实验数据，难以复现实验过程；专用性强，对新堆型需重新设计建造对应的临界实验装置。

数据驱动的核临界实验模拟平台的优势：用高精度数值计算替代核反应反应性信号开展临界物理实验，便于不具备实体反应堆建设条件的单位开展反应堆临界实验；数值计算可以以连续形式表征实验，采用经实验数据修正后的数值模拟复现实验结果，可以拓展实验数据的覆盖范围，表征传统物理实验难以测量的细致中子学过程，研究中子现象机理。采用高精度数值计算技术复现实验过程及实验方法，可以实现基于离散测量实验数据及高精度三维临界装置数值计算的高精度实验数据复现、外推；为零功率物理实验设计、中子学过程细致分析、中子学现象机理定量化研究、实验结果溯源提供新的技术途径和解决方案；较真实的临界实验装置测量的离散数据点相比，基于时空动力学方法高精度数值计算，模拟、记录临界装置动态实验的微观过程；对于之前已经开展过临界实验，充分利用已经开展的临界实验历史数据，复现实验过程。挖掘已开展临界装置实验数据，将历史实验数据的价值充分发挥。基于实验数据拓展指导临界装置设计、建造、运行全过程，起到实验数据“标尺”的作用；开展临界实验的培训教学工作；对于之前未开展过临界实验的新型临界装置设计，采用数字化核临界实验模拟系统进行临界实验的模拟，指导临界实验的开展。

根据本申请的一些实施例，提供一种核临界实验模拟方法，包含：

核临界实验数据采集方法；核临界过程数值模拟方法；核临界实验数据拓展方法和模拟核燃料装载反馈方法四个部分。

根据本申请的一些实施例，参见图7，数据驱动的核临界实验模拟平台涉及的硬件有：模拟堆芯装置平台10和模拟控制台12。

模拟堆芯装置平台10具体的硬件包括：

①模拟核燃料元件102，与真实核燃料外形尺寸一致，但不包含裂变材料的棒栅；②模拟堆芯容器104，为桶装容器，与真实的临界装置无差异；③控制棒驱动机构106，提供当前控制棒位置信息；④燃料元件位置传感器108，提供当前元件装载数量情况；⑤水回路110，提供当前水位高度信息。③、④、⑤变量每更新一次即调用一次反馈响应求解器124求解，循环迭代该过程。

模拟控制台12为与真实临界装置控制台外观一致的一个实体部件，其目的为临界装置启停堆操纵、控制棒控制、水位控制、仪控仪表显示、堆芯状态显示，可选择其数据来源于：

反馈响应求解器124(实时数值求解)；不同位置探测器随时间的计数响应，采用反馈响应求解器124进行实时计算；堆芯操作每一步的反应性反馈，采用反馈响应求解器124进行计算。反馈响应求解器124可以为基于中子、光子输运理论的反应性反馈与探测器响应数值求解器。

实验数据交互平台122(历史数据插值反演)。

实验数据源采用反馈响应求解器124时，以中子输运数值计算替代真实核反应反馈，以位置相关传感器作为每次计算当前燃料装载反应性计算的触发信号。

通过读取标准格式记录复现实验过程；

通过棒栅pin-by-pin理论的中子、光子输运数值计算反馈临界实验每一步操作的探测器响应及反应性状态。

对于之前未开展过临界实验的新型临界装置设计，直接采用数值计算系统进行临界实验每一步的反应性模拟。用于指导临界实验的开展。

实验数据源采用实验数据交互平台122时，对于已开展实验，基于实验数据采集系统对已开展过的实验归档的临界基准数据1222、临界装置启动运行数据1224、临界装置运行监测数据1226，采用实验数据拓展技术，采用实验的数据离散点修正数值计算结果的趋势线，外推获得连续的基于实验数据拓展和修正的临界实验结果。

用以拓展临界实验数据的应用范围。可以基于历史实验数据将实验过程复现，用以开展反应堆操纵员、反应堆物理实验的培训和教学工作。

根据本申请的一些实施例，数据驱动的核临界实验模拟平台，如图8所示，包括堆芯模拟模块22和控制台模拟模块24。

其中，堆芯模拟模块22包括：

临界实验数据采集222：具体参见图9，基于高精度实验数据采集系统，获得所开展实验的中子探测器计数信息2222、伽马剂量信息2224、控制棒价值信息2226、毒物价值信息2228等相关的临界堆芯物理参数，并整理评价建库，作为数据源；

采用实验的数据离散点修正高精度数值计算程序2422结果的趋势线，外推获得基于高精度数值计算程序2422拓展的临界实验数据结果，获得完整实验数据矩阵；

采用所述反馈响应求解器124实时计算不同位置探测器随时间的计数响应；采用所述反馈响应求解器124计算堆芯操作每一步的反应性反馈；反馈响应求解器124可以为基于中子、光子输运理论的反应性反馈与探测器响应数值求解器。

临界过程数值模拟224：基于棒栅pin-by-pin理论的中子、光子输运数值求解，数值计算建模复现临界装置临界实验过程。如图10所示，获得相对于临界实验数据采集222的不同工况下堆芯在装载真实核燃料时的反应性参数及临界状态；

控制台模拟模块24包括：

临界实验数据拓展242：具体参见图11，基于评价后的临界实验数据，验证高精度数值计算程序2422，a)数值计算结果与实验数据符合良好：直接采用高精度数值计算程序2422对同类型的临界实验进行模拟；b)数值计算结果与实验数据存在一定偏差：以相同堆芯装载为等价依据，基于实验实测数据获得较该装载情况下与数值计算对应点的反应性偏差ρ，并以此为依据修正数值计算结果，获得相对于实验修正的数值计算结果。基于a)或b)可以获得实验数据验证或修正后离散的典型工况核临界状态数据，即不同的堆芯核临界状态(反应性价值32、中子源状态34、临界装置水位高度36、安全棒状态38、调节棒状态40、中子探测器的电流信号42、伽马探测器的电流信号44)对应反应性或宏观截面信息，该数据以离散数据点形式存储。数据外推插值后，得到完整连续的核临界状态数据。所得数据通过反馈响应求解器124计算得到不同堆芯装载下某一刻的临界实验反应性信息及对应的探测器响应计数信息。

核临界实验模拟平台堆芯模拟模块22和控制台模拟模块24的数据计算流程如图12所示。

模拟燃料装载反馈244：设置与真实核燃料元件外形尺寸一致的但不包含核燃料的模拟燃料元件；设置燃料元件位置传感器108：a)在上栅格板上方中心位置悬挂一工业相机；b)在堆芯容器栅格板下安装多个不同位置下的金属感应器。基于a)或b)可以获得模拟燃料元件在堆芯容器内的装载位置信息，当模拟燃料元件装入模拟堆芯容器104时，位置传感器将燃料装载采集信号反馈至plc硬件中控系统，plc系统调用反馈响应求解器124(传递堆芯燃料装载情况、控制棒信息、水位信息、毒物元件装载信息)，获得该装载情况下对应的堆芯物理参数(中子探测器计数信息2222、周期信息、功率信息、伽马剂量信息2224)，并反馈至模拟控制台12。数值求解采用棒栅pin-by-pin输运的数值求解器，此过程中以数值计算反馈替代了真实核反应反馈。

有益效果：

无需核燃料，不需受到核安全监管部门监督管理，降低了核临界装置的建造和使用门槛，可用于高校、核电厂及科研院所的反应堆培训、教学工作；

成本较真实核临界装置低，扩大了核临界装置的受众群体；

表征传统物理实验难以测量的细致中子学过程，研究中子现象机理；

为零功率物理实验设计、中子学过程细致分析、中子学现象机理定量化研究、实验结果溯源提供新的技术途径和解决方案；

基于时空动力学方法高精度数值计算，模拟、记录反应堆动态实验的微观过程；

复现已开展临界实验：挖掘已开展反应堆临界实验数据，将历史实验数据的价值充分发挥；

拓展已开展临界实验数据：真实反应堆临界实验数据以稳态离散点形式体现，难以连续表征整个空间连续变化形式；

基于离散测量实验数据及高精度三维反应堆数值计算的高精度实验数据复现、外推；

基于历史实验数据拓展指导反应堆设计、建造、运行全过程，起到实验数据“标尺”的作用；

反演已开展实验、开展临界实验的培训教学工作；

对于之前未开展过临界实验的新型反应堆设计，采用数字化核临界实验模拟系统进行临界实验的模拟，指导临界实验的开展。

根据本申请的一些实施例，针对一个采用轻水慢化uo2燃料的棒栅核临界装置，该堆芯由17×17棒栅燃料元件组成。

采用实验数据采集系统记录该核临界系统在真实临界过程中的反应性、周期、功率、探测器响应计数等物理参数及实验的过程，包括临界装置启动运行数据1224、临界装置运行监测数据1226及评价后的临界基准数据1222；经信号处理主机预处理后以标准数据格式(时间、事件、探测器电流、反应性)记录存档。

采用反馈响应求解器124作为堆芯装载燃料后的反应性反馈内核。反馈响应求解器124基于棒栅pin-by-pin理论建立中子、光子输运的求解模型，将每一次堆芯状态改变，包括：控制棒驱动机构106提供的当前控制棒位置信息、燃料元件位置传感器108提供的元件装载数量情况、水回路110提供的水位高度信息；以上三项变量反馈至反馈响应求解器124，基于拓展后的核临界状态数据，经过棒栅pin-by-pin的中子、光子输运模型求解后，获得对应该装载情况下的反应性、临界状态参数及探测器响应信号，将探测器响应计数和反应性反馈至控制台当前堆芯状态显示。

建立临界实验装置模型，采用高精度数值计算程序2422对对应的模型进行计算，基于采集的零散临界实验数据点，对模拟计算结果进行修正：a)数值计算结果与实验数据符合良好：直接采用高精度数值计算程序2422对同类型的临界实验进行模拟；b)数值计算结果与实验数据存在一定偏差：以相同堆芯装载为等价依据，基于实验实测数据获得较该装载情况下与数值计算对应点的反应性偏差ρ，并以此为依据修正数值计算结果，获得相对于实验修正的数值计算结果。基于a)或b)可以获得实验修正后的不同堆芯装载情况下的临界实验反应性信息(不同位置元件、不同控制棒棒位、不同吸收体)及对应的探测器响应计数信息。

采用实验的数据离散点修正数值计算结果的趋势线，外推获得基于高精度数值计算程序2422拓展的临界实验数据结果，获得完整实验数据矩阵。截止此步，已经获得用于临界实验数值模拟的计算条件。

模拟装料反馈基于燃料元件位置传感器108，有两种方案：a)在上栅格板上方中心位置悬挂工业相机，以拍照模式取元件装载位置；b)布置在模拟堆芯容器104下栅格板的位置传感器，以传感器反馈模式取元件装载位置。基于方案a)或b)，通过的位置传感器将每一次的模拟核燃料元件102装载信号传递至基于棒栅pin-by-pin理论的中子、光子输运反馈响应求解器124，求解器通过数值计算将反应性信号、探测器响应计数反馈至控制台的仪控系统，此过程中以数值计算软件信号模拟反馈替代了真实核反应反馈。

临界实验模拟系统分为模拟堆芯装置平台10、模拟控制台12，共两大组成部分。模拟堆芯装置平台10为一套硬件系统，平台硬件由：模拟核燃料元件102；模拟堆芯容器104；控制棒驱动机构106；燃料元件位置传感器108和水回路110等五部分构成。模拟堆芯装置平台10的功能是：临界实验过程展示和数值模拟反馈的计算信号触发。模拟燃料元件由此装入堆芯容器。

模拟控制台12为一个实体部件，其目的为临界装置启停堆操纵、控制棒控制、水位控制、仪控仪表显示、堆芯状态显示，其数据来源于实验数据交互平台122；数据来源于实验数据交互平台122时，通过读取标准格式记录复现实验过程；对于已开展实验，基于实验数据采集系统对已开展过的实验归档的临界基准数据1222、临界装置启动运行数据1224、临界装置运行监测数据1226，采用实验数据拓展技术，采用实验的数据离散点修正数值计算结果的趋势线，外推获得连续的基于实验数据拓展和修正的临界实验结果。

还需要指出的是，在本发明的装置、方法和系统中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应该视为本发明的等效方案。并且，执行上述系列处理的步骤可以自然地按照说明的顺序按时间顺序执行，但是并不需要一定按时间顺序执行。某些步骤可以并行或彼此独立地执行。

最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上虽然结合附图详细描述了本发明的实施例，但是应当明白，上面所描述的实施方式只是用于说明本发明，而并不构成对本发明的限制。对于本领域的技术人员来说，可以对上述实施方式作出各种修改和变更而没有背离本发明的实质和范围。因此，本发明的范围仅由所附的权利要求及其等效含义来限定。