一种基于模型降阶和混合数据同化的堆芯测量方法

本发明涉及核电站核反应堆的堆芯测量方法领域，尤其涉及的是一种测量信息丰富且测量成本较低的堆芯状态间接测量方法。

背景技术：

1、如今，对核电站核反应堆的堆芯状态测量手段在反应堆堆芯安全分析领域发挥着至关重要的作用；对堆芯状态的测量主要包括堆芯中子测量、功率测量、温度测量以及压力测量等；而这些测量手段往往需要采用专门的测量传感器或探测器来获取数据，且不同传感器或探测器之间相互独立。

2、当需要对堆芯内部增加更多的物理探测信息时，就需要重新增加多种传感器或探测器并重新启停堆芯，这样不仅提高了测量的成本，尤其是对于一些特种小型反应堆堆芯，其内部空间也不足以安装多种传感器或探测器进行测量或探测。

3、为了从有限的探测器信号中反推出堆芯不同位置精细的物理量分布，往往需要采用数据同化反演方法；传统的数据同化反演方法需要经过大量的高精度多物理场耦合模拟计算，不仅消耗了大量的计算资源，而且计算时间也较长，且测量结果存在有一定的滞后性，难以达到实时测量的程度，也难以应用于工程实际。

4、因为现有的数据同化方法只能通过特定的探测信号对单一的物理场进行同化重构；例如，通过温度探测信号重构得到堆芯内部的温度分布；又如，通过功率探测信号重构得到堆芯内部功率分布；其局限性和缺点如下：

5、1、由于现有的数据同化方法大多基于数据反演算法，通过不断修改相关参数对单一的物理场进行多次的数值计算，直至计算所得到的物理场在探测点位置的分布与探测器信号一致为止；这个过程需要消耗大量的计算资源，同时也需要较长的计算时间；

6、2、由于一种探测信号只能同化重构出一种物理场分布信息，若需要更多物理探测信息，则需要相应增加更多的传感器或探测器，而且在传统反演算法中多个物理场之间的耦合模拟也需要更多的计算时间，同时多个物理场的混合反演算需要的时间也更多，由此大大增大了测量成本。

7、因此，现有的堆芯测量方法尚有待改进和发展。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种基于模型降阶和混合数据同化的堆芯测量方法，可在增加更多测量信息的条件下降低测量成本；同时，无需消耗大量计算资源，且计算时间更短。

2、本发明的技术方案如下：一种基于模型降阶和混合数据同化的堆芯测量方法，由离线阶段六个步骤和在线阶段的三个步骤组成：

3、s210、对于待测量的堆芯，从理论上计算出多个不同堆芯状态 μ下的核-热-流耦合过程，得到不同堆芯状态下的中子分布 ϕ、功率分布 p、温度分布 t、冷却剂流速分布 u和压力分布 p的分布信号样本库；

4、s220、按照待测量的堆芯条件，根据堆芯内部传感器或探测器的种类和位置，从上述分布信号样本库中提取不同堆芯状态下的探测点物理场分布信号 m；

5、s230、分别对不同堆芯状态下计算得到的中子分布 ϕ、功率分布 p、温度分布 t、冷却剂流速分布 u、压力分布 p以及探测点物理场分布信号 m开展本征正交分解，得到不同变量的不同阶本征正交基函数以及对应的不同阶本征正交特征值 λ；

6、s240、分别对中子分布 ϕ、功率分布 p、温度分布 t、冷却剂流速分布 u、压力分布 p以及探测点物理场分布信号 m的本征正交特征值 λ进行分析，选取99.99%的能量保留精度进行截断，确定不同物理场的本征正交基截断阶数；

7、s250、提取每一种堆芯状态下计算得到的中子分布 ϕ、功率分布 p、温度分布 t、冷却剂流速分布 u、压力分布 p样本以及探测点物理场分布信号 m，分别用各个物理场的分布信号样本除该物理场的本征正交基矩阵，得到该堆芯状态下与不同物理场样本相对应的本征正交基系数 a( ϕ)、 a( p)、 a( t)、 a( u)、 a( p)以及探测点物理场基函数系数 a( m)；

8、s260、构建不同堆芯状态下本征正交基系数 a( ϕ)、 a( p)、 a( t)、 a( u)、 a( p)以及堆芯状态参数 μ与探测点物理场基函数系数 a( m)之间的映射关系；

9、s270、当前堆芯运行状态下，从堆芯探测信号中获得堆芯探测点物理场分布信号 m t，用堆芯探测点物理场分布信号 m t除堆芯探测点物理场的本征正交基矩阵，得到待测量堆芯状态下堆芯的探测点物理场基函数系数 a( m t)；

10、s280、通过待测量堆芯状态下堆芯的探测点物理场基函数系数 a( m t)与不同物理场的本征正交基系数以及堆芯状态参数 μ之间的映射关系，得到中子分布 ϕ、功率分布 p、温度分布 t、冷却剂流速分布 u、压力分布 p在待测量堆芯状态下的本征正交基系数 a( ϕ t)、 a( p t)、 a( t t)、 a( u t)、 a( p t)以及堆芯状态参数 μ t；

11、s290、分别用不同物理场的本征正交基系数向量乘各个物理场的本征正交基矩阵，重构得到待测量堆芯状态下堆芯内部的中子分布 ϕ t、功率分布 p t、温度分布 t t、冷却剂流速分布 u t、压力分布 p t以及堆芯的功率水平 pr t、堆芯平均燃耗 bu t、堆芯硼浓度 cb t、堆芯控制棒棒位 cr t、堆芯冷却剂入口流量 g in, t和堆芯冷却剂入口温度 t in, t。

12、所述的基于模型降阶和混合数据同化的堆芯测量方法，其中，所述步骤s210具体包括以下步骤：

13、s212、根据待测量堆芯的运行经验，先选定压水堆状态参数的范围包括：堆芯功率水平 pr、堆芯平均燃耗 bu、堆芯硼浓度 cb、堆芯控制棒棒位 cr、堆芯冷却剂入口流量 g in、堆芯冷却剂入口温度 t in；随后按照运行经验对每一个堆芯状态参数在设定参数范围内选取 n i个状态点， n i为正整数， i指代各个状态参数；

14、s214、对各个状态参数的不同状态点进行组合，确定堆芯总的状态参数 μ( pr， bu， cb， cr， g in， t in)，共有 n pr× n bu× n cb× n cr× n g× n t个状态参数组合；

15、s216、在每一个状态参数组合条件下开展核-热-流耦合模拟，得到该状态参数组合下的中子分布 ϕ、功率分布 p、温度分布 t、冷却剂流速分布 u和压力分布 p的分布信号样本库；

16、s218、将每一个物理场在不同状态参数组合下的分布信号样本组装为一个 n d行 n pr× n bu× n cb× n cr× n g× n t列的二维矩阵， n d为正整数，表示数值模拟的网格数。

17、所述的基于模型降阶和混合数据同化的堆芯测量方法，其中，所述步骤s220具体包括以下步骤：

18、s222、根据待测堆芯内部传感器或探测器的布置情况，确定堆芯测量参数以及测量点的空间位置；

19、s224、根据堆芯内部探测器或传感器的种类和位置，从上述分布信号样本库中提取不同状态参数组合下探测器或传感器位置的物理量分布，组成新的探测点物理场分布信号 m；

20、s226、将探测点物理场分布信号 m组装为一个 n m行 n pr× n bu× n cb× n cr× n g× n t列的二维矩阵， n m为正整数，表示探测点的数量。

21、所述的基于模型降阶和混合数据同化的堆芯测量方法，其中，所述步骤s230具体包括以下步骤：

22、s232、分别对不同物理场的样本矩阵开展本征正交分解，得到 n pr× n bu× n cb× n cr× n g× n t个 n d行的列向量以及 n pr× n bu× n cb× n cr× n g× n t个特征值，该列向量是不同阶的物理场本征正交基，与本征正交基相对应的特征值从大到小排列；

23、s234、对探测点物理场分布信号 m开展本征正交分解，得到 n pr× n bu× n cb× n cr× n g× n t个 n m行的列向量以及 n pr× n bu× n cb× n cr× n g× n t个特征值，该列向量是不同阶的物理场本征正交基，与本征正交基相对应的特征值从大到小排列。

24、所述的基于模型降阶和混合数据同化的堆芯测量方法，其中，所述步骤s240具体包括以下步骤：

25、s242、对于每一个物理场，先求所有阶本征正交特征值之和，随后从第一个本征正交特征值开始，逐项累加并计算累加特征值与所有特征值之和的比值；将 ε>99.99%时的 l作为该物理场需要保留的本征正交基阶数；

26、s244、将该物理场的前 l个本征正交基组装成为 n m行 l列的物理场本征正交基矩阵；

27、s246、对探测点物理场分布样本 m，也同样进行上述特征值分析，得到探测点物理量的本征正交基矩阵。

28、所述的基于模型降阶和混合数据同化的堆芯测量方法，其中，所述步骤s250中：对各个物理场，分别用每一个状态参数组合下的物理量分布信息（即列向量）除该物理场的本征正交基矩阵，得到当前状态参数组合条件下的基函数系数 a k， k=1, 2, …, l。

29、所述的基于模型降阶和混合数据同化的堆芯测量方法，其中，所述步骤s260中：对每一个中子场的各阶基函数系数以及状态参数，构建其与探测数据基函数系数之间的映射关系。

30、所述的基于模型降阶和混合数据同化的堆芯测量方法，其中，所述步骤s270具体包括以下步骤：

31、s272、在堆芯运行阶段，从堆芯探测器在线提取各个探测点的探测数据，组装成为探测数据向量 m t，该矩阵是一个 n m行的列向量， n m是探测点的数量；

32、s274、用探测数据向量 m t除探测点物理场本征正交基矩阵，在线得到当前堆芯运行状态下的探测点物理场基函数系数 a( m t)。

33、所述的基于模型降阶和混合数据同化的堆芯测量方法，其中，所述步骤s280中：采用步骤s260所建立的各个物理场基函数系数之间的映射关系，由探测点物理场基函数系数 a( m t)确定各个物理场的基函数系数以及堆芯状态参数。

34、所述的基于模型降阶和混合数据同化的堆芯测量方法，其中，所述步骤s290中：对于各个物理场，分别用其基函数系数向量乘本征正交基矩阵，得到当前堆芯状态下的物理场精细分布条件。

35、本发明所提供的一种基于模型降阶和混合数据同化的堆芯测量方法，以模型降阶和混合数据同化方法为基础，可以在不改变现有探测器配置的情况下，快速获取不同物理场的分布信息；本发明的创新点在于建立堆芯内部耦合多物理场的降阶模型以及各个物理场，包括探测数据，之间的降阶模型系数映射关系，将不同物理场之间的耦合关系转化为少数几个降阶模型系数之间的简单插值映射关系，以快速获得不同物理场的分布条件；既可获得更多物理场信息，又无需重新启停堆芯，使得测量的成本较低；同时，也无需消耗大量计算资源，计算时间更短。