一种超临界电加热模拟瞬态核释热的功率控制装置的制作方法

本发明涉及电加热模拟瞬态核释热的功率控制技术，具体涉及一种超临界电加热模拟瞬态核释热的功率控制装置。

背景技术：

超临界水冷堆是第四代核能系统中唯一入选的水冷堆。由于堆芯结构复杂、出入口冷却剂密度差较大，堆芯中存在发生异相流动不稳定性的危机。另外，冷却剂密度的剧烈变化改变了堆芯的慢化截面场，影响堆芯的功率分布，改变了冷却剂的密度分布，从而形成超临界水冷堆潜在的特殊的核热耦合特征，导致流动不稳定性发生几率的增加以及堆内热工水力参数振荡幅度的增大，影响反应堆的热工水力安全。因此，为了确保超临界水冷堆的安全运行，需要开展超临界条件下并联通道的核热耦合流动不稳定性实验研究。

在热工实验中，需要以电加热模拟瞬态核释热，以反映实际堆芯中的核热耦合规律。本文基于工程背景需要，通过技术创新和实验验证提出了一种新型的超临界电加热模拟瞬态核释热的功率控制装置。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种超临界电加热模拟瞬态核释热的功率控制装置，实现物理计算与热工现象的耦合试验模拟，以研究反应堆中强反馈条件下瞬态热工水力及中子物理参数变化特性，为优化新型堆的经济性和安全性提供试验技术手段，自动调节加热段的功率分布，从而实现利用电加热模拟瞬态核热的功率控制，解决了由于堆芯结构出入口冷却剂密度剧烈变化，影响堆芯的功率分布，增加流动不稳定性发生几率、堆内热工水力参数震荡幅度增大等实验模拟技术问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种超临界电加热模拟瞬态核释热的功率控制装置，包括依次连接的核释热模拟模块、测量模块、数采控制模块、电源模块；

核释热模拟模块，控制分段模拟加热通道的瞬态功率；

测量模块，测量加热通道的入口流量、流体的进出口温度及压力；

数采控制模块，包括依次连接的数据采集系统、通用计算模块、反应性反馈模拟模块、D/A输出模块，数据采集系统将测量模块采集的信息传递至通用计算模块进行能量方程计算，得到实验段的温度参数和流体沿程的密度信息，并通过反应性反馈模拟模块，获得功率变化信息，并经D/A输出模块将数字信息转换为模拟量信息；

电源模块，接收D/A输出模块提供的模拟量信息，自动调节分段模拟加热通道的功率分布。

现有技术中，超临界水堆由于堆芯结构复杂、出入口冷却剂密度差较大，导致水冷堆堆芯功率沿轴向非均匀分布，进而引起堆芯水并联通道流动不稳定性。目前热工实验中开展的流动不稳定性研究，一般采用在非均匀壁厚条件下实现对功率非均匀分布的模拟，这种方式对于一个通道只能得到一组固定的功率分布，无法实现对功率分布的瞬态控制和定向调节。

发明人经大量技术创新和实验验证发现，采用水并联通道分段可调节电加热装置，对水并联通道进行分段加热，且通过本发明控制装置对每段加热功率进行独立瞬态调节，从而满足反应堆热工水力实验研究中对非均匀加热实验条件的模拟。

本发明所述的超临界电加热模拟瞬态核释热的功率控制方法为：在对水并联通道分段加热过程中，采用测量模块，测量水并联加热通道的入口流量、流体的进出口温度、流体的压力即流体在加热通道内的压力等参数，并将该测得的参数信息传输给数采控制模块，经数采控制模块数据处理转换为电源模块可接收的模拟量信息，电源模块根据接收的模拟量信息自动调节对应加热并联通道分段的功率分布，从而实现利用加热模拟瞬态核释热的功率控制。

其中，数采控制模块具体数据处理过程为：数采控制模块包括依次连接的数据采集系统、通用计算模块、反应性反馈模拟模块、D/A输出模块，测量模块测量获得的参数信息转换后传递至通用计算模块，得到分段加热每个实验段的温度参数和流体的密度信息，然后由反应性反馈模拟模块求解一维中子输运方程，得到功率变化信息，然后经D/A输出模块将功率变化信息由数字信息转换为模拟量信息，提供给电源模块。

本技术方案中核释热模拟模块为反应堆堆芯或反应堆的燃料组件，为核领域的公知常识；测量模块为NI数据采集系统，可快速采集相应加热通道的入口温度、流体的进出口温度、流体在加热通道内的压力或流体在整个实验回路的压力等其他物理参数，且为本领域的现有技术，其结构及原理不再详述；数据采集系统，主要是从测量模块测量获得的参数信息内提取，比如提取核释热模拟模块入口的流量参数、进出口流体温度参数等，其具体型号可为DT9828的数据采集卡，也可为NI-CRIO系列的数据采集系统；通用计算模块的主要作用是将从数据采集系统采集到的电压值等信号转换为实际的温度、压力及流量等信号，通用计算模块为本领域公知的现有设备，其结构及其原理为所属领域的公知常识，不再详述。

反应性反馈模拟模块，提取通用计算模块计算得出的温度参数、流体沿程的密度信息，通过求解中子输运方程，获得功率变化信息，且本技术方案中采用的物理计算模型为一维中子输运方程，相对于现有技术中采用的零维的点堆中子动力学方程，一维中子输运方程计算更加准确，充分考虑了加热功率沿加热通道轴向方向的变化规律，能更好更真实的反应原型反应堆堆芯中功率的轴向分布情况。反应性反馈模拟模块为本领域公知的现有设备，其结构及其原理为所属领域的公知常识，不再详述。

D/A输出模块，将反应性反馈模拟模块获得的功率变化信息转换成相应的电信号，并输送给电源模块，电源模块实时的改变加热功率，从而实现核反应性对功率的反馈作用。D/A输出模块又称D/A转换模块，将数字信号转换为模拟信号。

进一步地，所述电源模块为可编程模块化直流电源，可编程模块化直流电源通过直流电源控制模块进行功率控制，可编程模块化直流电源根据D/A输出模块输送的模拟量信息，调节核释热模拟模块的加热端的功率分布，对模拟瞬态核释热功率的控制。

进一步，所述测量模块为NI数据采集系统。测量模块的一端与实验台架连接，采集试验回路中的热工水力参数，另一端与控制计算机中的功率反馈程序连接，将采集的参数输入到功率控制程序。且NI数据采集系统，采集频率高，能够达到每秒10次，能够真实反映超临界水冷堆的动态特性，而现有技术中一个长周期核反应性对功率的反馈过程极为缓慢，加热功率的变化亦非常缓慢，持续时间长达600s以上，不能真实反映超临界水冷堆流动不稳定性的动态特性。

进一步地，所述核释热模拟模块为核反应堆堆芯或反应堆的燃料组件。核释热模拟模块作为核释热模拟段，为两个并联通道，适用于超临界条件下核释热耦合流动不稳定性研究，能够承受25MPa的压力以及500℃的高温。

进一步地，所述核释热模拟模块包括两并联的加热通道，加热通道上设置至少三个导电铜排，相邻导电铜排之间分别连接一个电源模块。

进一步地，所述加热通道的出口端依次与换热器、储水箱连接，储水箱通过柱塞泵与加热通道的进口端连接。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

（1）本发明采用NI数据采集系统作为测量模块，快速测量核释热模拟模块的加热通道的入口流量、进出口流体温度，采集速率快于瞬态热工现象的变化时间尺度，可真实准确反映实际瞬态变化规律。

（2）本发明超临界电加热瞬态模拟核释热的功率控制装置，采用数采控制模块，可将测量模块采集的参数信息经过一系列数据处理后转换为可直接提供给电源模块的模拟量信息，电源模块可实现对对应加热区域的加热通道进行加热，同时可根据模拟量信息的变化调整加热通道加热段的功率分布，从而实现利用电加热模拟瞬态核释热的功率控制。

（3）本发明超临界电加热模拟瞬态核释热的功率控制装置，包括一定信号连接关系的测量模块，数采控制模块、电源模块、核释热模拟模块，对核释热模拟模块的加热通道的加热功率进行控制，实现密度反应性对功率的自动反馈控制，可用于采用电加热模拟堆芯核释热下的瞬态物理和热工特性堆外试验。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的结构示意框图；

图2为本发明实施例3的核释热模拟模块框图；

图3为本发明实施例5的功率控制装置控制方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图1所示，本发明一种超临界电加热模拟瞬态核释热的功率控制装置，包括依次连接的核释热模拟模块、测量模块、数采控制模块、电源模块；

核释热模拟模块，控制分段模拟加热通道的瞬态功率；

测量模块，测量加热通道的入口流量、流体的进出口温度及压力；

数采控制模块，包括依次连接的数据采集系统、通用计算模块、反应性反馈模拟、D/A输出模块，数据采集系统将测量模块采集的信息传递至通用数据模块进行能量方程计算，得到实验段的温度参数和流体沿程的密度信息，并通过反应性反馈模拟模块，获得功率变化信息，并经D/A输出模块将数字信息转换为模拟量信息；

其中，电源模块为可编程模块化直流电源，可编程模块化直流电源通过直流电源控制模块进行功率控制。

其中，所述测量模块为NI数据采集系统。

本实施例中，核释热模拟模块为反应堆堆芯。

实施例2：

本实施例与实施例1的区别之处在于：核释热模拟模块为反应堆的燃料组件，并将实施例1所述的超临界电加热模拟瞬态核释热的功率控制装置用于燃料组件的功率控制。

实施例3：

如图2所示，本实施例与实施例1的区别之处在于：核释热模拟模块包括两并联的加热通道，加热通道上设置至少三个导电铜排，相邻导电铜排间分别连接一个电源模块，并将实施例1所述的超临界电加热模拟瞬态核释热的功率控制装置用于本实施例中所述核释热模拟模块的功率控制。

具体操作方法为：相邻两个导电铜排间连接一个电源模块，NI数据采集系统采集加热通道的入口流量和进出口流体的温度，数采控制系统的数据采集系统从NI数据采集系统中提取所需的加热通道的入口流量、流体的进出口温度、流体在实验回路的压力或加热通道内流体的压力等参数信息，转换后，经通用数据计算获得实验段的温度参数、流体密度信息，将该参数信息通过求解一维中子输送方程，得到加热通道功率变化信息，接着由D/A输出模块将数字信息住哪换为模拟量信息，提供给对应的电源模块，电源模块与加热通道一一对应，直流电源控制模块可根据提供给的模拟量信息通过控制直流电源进而控制加热通道的功率分布，从而实现利用电加热模拟瞬态核释热的功率控制。

实施例4：

本实施例在实施例3的基础上进一步限定，所述加热通道的出口端依次与换热器、储水箱连接，储水箱通过柱塞泵与加热通道的进口端连接，构成核释热模拟实验的循环回路。

实施例5：

采用上述实施例所述的一种超临界电加热模拟瞬态核释热的功率控制装置，其具体控制方法如图3所示，在试验回路稳定运行的情况下，启动核释热功率控制程序，由于此时回路稳定运行，核释热模块加热功率为恒定值。此时给回路一个扰动，例如降低回路流量，数据采集系统将采集新时刻的流量、温度、压力以及功率。同时，通用计算模块将这些采集到的电压信号转化为真实的流量值、压力值、温度值、功率值，并将这些参数传输至反应性反馈模块。反应性反馈模拟模块开展基于一维中子输运方程及能量方程的功率计算，得到新时刻的功率值，并将该值通过D/A输出模块传输至直流电源控制模块，实现电加热模拟核释热的瞬态功率控制。

本实施例中一维中子输送方程及能量方程均为本领域的公知常识，不再详述。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。