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首页 / 专利分类库 / 核物理;核工程 / 一种堆芯功率的监测方法及装置、电子设备

一种堆芯功率的监测方法及装置、电子设备

申请号 CN202311862423.X 申请日 2023-12-29 公开(公告)号 CN117912731A 公开(公告)日 2024-04-19
申请人 中国核电工程有限公司; 发明人 申鹏飞; 张鹏; 周梦飞; 袁媛; 张成龙; 徐源; 肖向; 蔡铮阳; 刘国明; 易璇; 邵增; 胡小利; 霍小东;
摘要 本 发明 公开一种 堆芯 功率的监测方法及装置、 电子 设备,属于 核反应堆 工程技术领域。所述方法包括:采集反应堆的状态信息和堆外探测器 信号 ;根据状态信息选择典型工况谐 波数 据库中对应工况的核心谐波组;根据核心谐波组、堆外探测器信号,以及堆外探测器信号对应的堆外探测器响应矩阵,重构出节 块 级堆芯功率分布,以实现堆芯功率监测。所述方法可解决相关技术中存在的依靠少量的堆外探测器信号,无法准确监测堆芯功率的问题。
权利要求

1.一种堆芯功率的监测方法,其特征在于,包括:
采集反应堆的状态信息和堆外探测器信号
根据状态信息选择典型工况谐波数据库中对应工况的核心谐波组;
根据核心谐波组、堆外探测器信号,以及堆外探测器信号对应的堆外探测器响应矩阵,重构出节级堆芯功率分布,以实现堆芯功率监测。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,在所述采集反应堆的状态信息和堆外探测器信号之前,还包括:
建立反应堆的三维堆芯模型;
基于三维堆芯模型构建反应堆功率分布数据库、堆外探测器响应矩阵数据库、典型工况谐波数据库;
对典型工况谐波数据库降维
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述建立反应堆的三维堆芯模型,具体包括:
根据反应堆的堆芯装载方案,应用蒙特卡罗核设计程序或确定论程序建立反应堆的三维堆芯模型,其中,三维堆芯模型包括燃料组件、反射层、控制棒
所述基于三维堆芯模型构建反应堆功率分布数据库,具体包括:
根据功率分布统计需求将三维堆芯模型中的全部堆芯划分为预设数量的节块;
基于三维堆芯模型计算不同工况下各节块的功率,以构建功率分布数据库,所述基于三维堆芯模型构建堆外探测器响应矩阵数据库,具体包括:
基于三维堆芯模型及蒙特卡罗算法,计算堆芯所有节块与目标数量的探测器位置的响应矩阵,以构建堆外探测器响应矩阵数据库。
4.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述基于三维堆芯模型构建典型工况谐波数据库,具体包括:
根据运行参量选取若干组的典型工况;
构建若干组的典型工况下的三维堆芯模型;
在临界计算模式下,基于蒙特卡罗方法统计各组典型工况下三维堆芯模型的裂变矩阵;
求解出裂变矩阵的高阶特征值ki和特征向量si,得到裂变矩阵的特征向量集为高阶谐波库{vi,i=0,1,2,…},以构建典型工况谐波数据库。
5.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述对典型工况谐波数据库降维,具体包括:
S1,根据所适配的不同工况,建立反应堆功率分布数据库与典型工况谐波数据库的若干组对应关系;
S2,针对每一组对应关系基于高阶谐波进行功率展开求解,并绘制不同工况下展开参数随谐波阶数的变化图;
S3,根据所述变化图中展开参数与参数阈值的比较,挑选小于或等于探测器目标数量的谐波作为次核心谐波组;
S4,将次核心谐波组结合堆外探测器响应矩阵数据库,且根据探测器读数重构堆芯功率;
S5,选取堆芯功率重构误差最小的谐波组作为核心谐波组;
S6,循环执行S2‑S5,直至获取若干组对应关系的核心谐波组。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,所述针对每一组对应关系基于高阶谐波进行功率展开求解,具体包括:
针对每一组对应关系,以高阶谐波为基底,求解如下矩阵方程:
MX=B,
其中,M为高阶谐波矩阵,X为展开参数,B为当前组的功率分布矩阵。
7.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,所述将次核心谐波组结合堆外探测器响应矩阵数据库,且根据探测器读数重构堆芯功率,具体包括:
以次核心谐波组为基底,求解如下矩阵方程:
(DM)X=(DBrdf);
求解出X后,根据如下公式得到堆芯功率分布:
P=MX,
其中,M为高阶谐波矩阵,X为展开参数,Brdf为探测器读数,D为对应的堆外探测器响应矩阵,P为重构的堆芯功率分布。
8.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,在所述重构出节块级堆芯功率分布之后,还包括:
基于径向用固定的节块内燃料棒相对因子重构,以及,轴向用多项式拟合或三次样条插值函数拟合节块级堆芯功率,得到芯块级别的堆芯功率分布。
9.一种堆芯功率的监测装置,其特征在于,包括采集模块、选择模块和重构模块,采集模块,用于采集反应堆的状态信息和堆外探测器信号,
选择模块,与采集模块连接,用于根据状态信息选择典型工况谐波数据库中对应工况的核心谐波组,
重构模块,与采集模块和选择模块连接,用于根据核心谐波组和堆外探测器信号所对应的堆外探测器响应矩阵,重构出节块级堆芯功率分布,以实现堆芯功率监测。
10.一种电子设备,其特征在于,包括存储器和处理器,所述存储器中存储有计算机程序,所述处理器被设置为运行所述计算机程序以实现如权利要求1‑8任一项所述的堆芯功率的监测方法。

说明书全文

一种堆芯功率的监测方法及装置、电子设备

技术领域

[0001] 本发明属于核反应堆工程技术领域,具体涉及一种堆芯功率的监测方法及装置、电子设备。

背景技术

[0002] 适用于偏远地区、孤立海岛、深海深空等特定场景的微型核反应堆成为国内外研究热点。相比于大电网的无法触及、常规动的高物流压力和低能量密度,微型核反应堆具有能量密度高,可以长期稳定供电、供热,物流压力低的优势。但是也对微型核反应堆的智能控制、远程实时监测能力提出了更高的要求,因此智能化的堆芯在线监测系统对微型核反应堆的研发和部署至关重要。
[0003] 目前,常规堆型常采用测绘拟合、基于快速计算模型等方法进行堆芯功率的在线监测。但与常规压堆不同,微型核反应堆系统装置布置紧凑,通常没有空间设置足够多的堆内探测器,并且堆内常常是高温高压高辐照的恶劣环境,现有堆内探测器设计无法满足要求。因此,微型核反应堆系统仅能依靠少量的堆外探测器核测信号实现堆芯在线监测,而现有监测方法的精度难以达到要求。例如,对于测绘拟合法,由于微型核反应堆系统无法部署足够多的堆内探测器,因此难以进行拟合且精度极低;对于基于快速计算模型的方法,由于微型核反应堆系统堆型较小、泄漏率高,快速计算模型(即基于扩散方程的求解模型)的求解精度难以达到工程要求。因此,亟需研发一种适用于微型堆堆芯功率的监测方法,以解决现有技术存在监测精度低的问题。

发明内容

[0004] 本发明要解决的技术问题是针对现有技术存在的上述不足,提供一种堆芯功率的监测方法及装置、电子设备,仅依靠少量的堆外探测器核测信号,能快速、准确地达到堆芯功率在线监测的目的。
[0005] 第一方面,本发明提供一种堆芯功率的监测方法,包括:采集反应堆的状态信息和堆外探测器信号;根据状态信息选择典型工况谐波数据库中对应工况的核心谐波组;根据核心谐波组、堆外探测器信号,以及堆外探测器信号对应的堆外探测器响应矩阵,重构出节级堆芯功率分布,以实现堆芯功率监测。
[0006] 优选地,在所述采集反应堆的状态信息和堆外探测器信号之前,堆芯功率的监测方法还包括:建立反应堆的三维堆芯模型;基于三维堆芯模型构建反应堆功率分布数据库、堆外探测器响应矩阵数据库、典型工况谐波数据库;对典型工况谐波数据库降维
[0007] 优选地,所述建立反应堆的三维堆芯模型,具体包括:根据反应堆的堆芯装载方案,应用蒙特卡罗核设计程序或确定论程序建立反应堆的三维堆芯模型,其中,三维堆芯模型包括燃料组件、反射层、控制棒
[0008] 所述基于三维堆芯模型构建反应堆功率分布数据库,具体包括:根据功率分布统计需求将三维堆芯模型中的全部堆芯划分为预设数量的节块;基于三维堆芯模型计算不同工况下各节块的功率,以构建功率分布数据库。
[0009] 所述基于三维堆芯模型构建堆外探测器响应矩阵数据库,具体包括:基于三维堆芯模型及蒙特卡罗算法,计算堆芯所有节块与目标数量的探测器位置的响应矩阵,以构建堆外探测器响应矩阵数据库。
[0010] 优选地,所述基于三维堆芯模型构建典型工况谐波数据库,具体包括:根据运行参量选取若干组的典型工况;构建若干组的典型工况下的三维堆芯模型;在临界计算模式下,基于蒙特卡罗方法统计各组典型工况下三维堆芯模型的裂变矩阵;求解出裂变矩阵的高阶特征值ki和特征向量si,得到裂变矩阵的特征向量集为高阶谐波库{vi,i=0,1,2,…},以构建典型工况谐波数据库。
[0011] 优选地,所述对典型工况谐波数据库降维,具体包括:
[0012] S1,根据所适配的不同工况,建立反应堆功率分布数据库与典型工况谐波数据库的若干组对应关系;
[0013] S2,针对每一组对应关系基于高阶谐波进行功率展开求解,并绘制不同工况下展开参数随谐波阶数的变化图;
[0014] S3,根据所述变化图中展开参数与参数阈值的比较,挑选小于或等于探测器目标数量的谐波作为次核心谐波组;
[0015] S4,将次核心谐波组结合堆外探测器响应矩阵数据库,且根据探测器读数重构堆芯功率;
[0016] S5,选取堆芯功率重构误差最小的谐波组作为核心谐波组;
[0017] S6,循环执行S2‑S5,直至获取若干组对应关系的核心谐波组。
[0018] 优选地,所述针对每一组对应关系基于高阶谐波进行功率展开求解,具体包括:针对每一组对应关系,以高阶谐波为基底,求解如下矩阵方程:
[0019] MX=B,
[0020] 其中,M为高阶谐波矩阵,X为展开参数,B为当前组的功率分布矩阵。
[0021] 优选地,所述将次核心谐波组结合堆外探测器响应矩阵数据库,且根据探测器读数重构堆芯功率,具体包括:以次核心谐波组为基底,求解如下矩阵方程:
[0022] (DM)X=(DBrdf);
[0023] 求解出X后,根据如下公式得到堆芯功率分布:
[0024] P=MX,
[0025] 其中,M为高阶谐波矩阵,X为展开参数,Brdf为探测器读数,D为对应的堆外探测器响应矩阵,P为重构的堆芯功率分布。
[0026] 优选地,在所述重构出节块级堆芯功率分布之后,堆芯功率的监测方法还包括:基于径向用固定的节块内燃料棒相对因子重构,以及,轴向用多项式拟合或三次样条插值函数拟合节块级堆芯功率,得到芯块级别的堆芯功率分布。
[0027] 第二方面,本发明还提供一种堆芯功率的监测装置,包括采集模块、选择模块和重构模块。
[0028] 采集模块,用于采集反应堆的状态信息和堆外探测器信号。选择模块,与采集模块连接,用于根据状态信息选择典型工况谐波数据库中对应工况的核心谐波组。重构模块,与采集模块和选择模块连接,用于根据核心谐波组和堆外探测器信号所对应的堆外探测器响应矩阵,重构出节块级堆芯功率分布,以实现堆芯功率监测。
[0029] 第三方面,本发明还提供一种电子设备,包括存储器和处理器,所述存储器中存储有计算机程序,所述处理器被设置为运行所述计算机程序以实现如第一方面所述的堆芯功率的监测方法。
[0030] 本发明的堆芯功率的监测方法及装置、电子设备,通过构建典型工况谐波数据库,数据库中包括不同工况对应的核心谐波组,根据实时采集的状态信息确定工况,从而选择出对应的核心谐波组,再基于核心谐波组、实时采集的堆外探测器信号,以及,堆外探测器响应矩阵,重构出节块级堆芯功率分布,以实现堆芯功率监测。这种基于数据驱动结合谐波展开的方法,不受堆型和探测器分布限制,故可实现基于少量的堆外探测器核测信号,且快速、准确地达到堆芯功率在线监测的目的。附图说明
[0031] 图1为本发明实施例1的一种堆芯功率的监测方法的流程示意图;
[0032] 图2为本发明实施例1的一种展开参数随谐波阶数的变化图的示意图;
[0033] 图3为本发明实施例2的一种堆芯功率的监测方法的流程示意图;
[0034] 图4为本发明实施例2的一种典型的气冷微型堆堆芯模型示意图;
[0035] 图5为本发明实施例2的控制棒位为130厘米的典型工况下的100阶高阶谐波的分布图;
[0036] 图6为本发明实施例2的某工况下重构得到的15层节块级堆芯功率分布图;
[0037] 图7为本发明实施例2的某工况下蒙特卡罗计算得到的15层节块级堆芯功率分布图;
[0038] 图8为本发明实施例2的某工况下节块级堆芯功率重构误差区间分布图;
[0039] 图9为本发明实施例3的一种堆芯功率的监测装置的结构示意图。

具体实施方式

[0040] 为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案,下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。
[0041] 实施例1:
[0042] 由于谐波展开法具有理论上的完备性,故可应用于本实施例的展开功率分布,从而在整体上保证功率监测的精度,且将谐波展开法与数据驱动相结合,通过提前制备谐波数据库的方式,不仅能实现在线高精度功率重构,还可以根据反应堆运行状态信息恰当选定特征谐波组合,解决谐波展开阶数的选择问题。因此,本实施例提供的堆芯功率的监测方法基于数据驱动结合谐波展开实现,具有以下有益效果:第一,采取数据驱动的理念,获取了大量正常与事故工况下反应堆堆芯各节块的功率分布作为功率分布数据库,数据量全面。第二,在谐波产生时,本实施例采用蒙特卡罗算法中裂变矩阵法计算谐波,其计算精度和效率更贴近真实物理模型,而谐波综合法采用确定论核设计程序(如扩散计算程序、节块法输运计算程序等)计算谐波,近似处理较多、误差较大。第三,本实施例构建的核心谐波组,有效解决了谐波选择的难题。第四,本实施例的功率监测方法应用范围广。
[0043] 如图1所示,本实施例提供一种堆芯功率的监测方法,包括:
[0044] 步骤101,采集反应堆的状态信息和堆外探测器信号。
[0045] 本实施例中,实时采集操作员或智能控制系统的预操作指令,反应堆的状态信息,状态信息包括控制棒棒位等信息,并实时采集堆外探测器信号。
[0046] 步骤102,根据状态信息选择典型工况谐波数据库中对应工况的核心谐波组。
[0047] 本实施例中,根据状态信息确定当前工况,根据当前工况在预设的典型工况谐波数据库中选择对应的核心谐波组。
[0048] 步骤103,根据核心谐波组、堆外探测器信号,以及堆外探测器信号对应的堆外探测器响应矩阵,重构出节块级堆芯功率分布,以实现堆芯功率监测。
[0049] 本实施例中,将选择的核心谐波组与堆外探测器响应矩阵相乘,结合实时采集的堆外探测器信号,利用最小二乘法实时重构出节块级堆芯功率分布,以实现堆芯功率监测。
[0050] 具体地,步骤103包括步骤1031‑步骤1032:
[0051] 步骤1031,求解以下矩阵方程:
[0052] (DM)X=(DBrdf),
[0053] 式中,M为核心谐波组的高阶谐波矩阵,X为展开参数,Brdf为采集的堆外探测器信号,D为对应的堆外探测器响应矩阵。
[0054] 步骤1032,求解出展开参数X后,根据以下公式得到节块级堆芯功率分布:
[0055] Preconstruct=MX,
[0056] 式中,Preconstruct为重构得到的节块级堆芯功率分布。
[0057] 可选地,在采集反应堆的状态信息和堆外探测器信号之前,堆芯功率的监测方法还包括:建立反应堆的三维堆芯模型;基于三维堆芯模型构建反应堆功率分布数据库、堆外探测器响应矩阵数据库、典型工况谐波数据库;对典型工况谐波数据库降维。
[0058] 本实施例中,堆芯功率的监测方法包括构建反应堆功率分布数据库、堆外探测器响应矩阵数据库、典型工况谐波数据库;完成典型工况谐波数据库降维;采集反应堆的状态信息和堆外探测器信号;运用典型工况谐波数据库的预制谐波进行堆芯功率重构和堆芯在线监测状态参数计算。通过在反应堆开始运行前构建反应堆功率分布数据库、堆外探测器响应矩阵数据库、典型工况谐波数据库,从而得到数据驱动的全面的数据来源。
[0059] 可选地,建立反应堆的三维堆芯模型,具体包括:根据反应堆的堆芯装载方案,应用蒙特卡罗核设计程序或确定论程序建立反应堆的三维堆芯模型,其中,三维堆芯模型包括燃料组件、反射层、控制棒。
[0060] 本实施例中,根据反应堆的堆芯装载设计方案,应用普适精准的通用蒙特卡罗核设计程序或者适用于该堆型的确定论程序建立准确的三维堆芯模型,三维堆芯模型包括燃料组件、反射层、控制棒、冷却剂等堆内结构。通过建立准确的三维堆芯模型,有利于获取准确的数据驱动的数据来源,从而提高功率监测的准确性。
[0061] 可选地,基于三维堆芯模型构建反应堆功率分布数据库,具体包括:根据功率分布统计需求将三维堆芯模型中的全部堆芯划分为预设数量的节块;基于三维堆芯模型计算不同工况下各节块的功率,以构建功率分布数据库。
[0062] 本实施例中,基于三维堆芯模型,将全部堆芯按照功率分布统计需求划分为足够精细的统计节块,如预设数量取值为600,需满足各节块的功率综合起来可以表示全部堆芯的功率分布。节块划分好后,建立反应堆全寿期的所有可能工况的模型,计算不同工况下堆芯各节块的功率,以构建功率分布数据库。主要的工况包括不同温度、燃耗深度、控制棒棒位、钐氙毒、功率水平等。还需要包含特定的事故工况,以用于堆芯异常监测。
[0063] 可选地,基于三维堆芯模型构建堆外探测器响应矩阵数据库,具体包括:基于三维堆芯模型及蒙特卡罗算法,计算堆芯所有节块与目标数量的探测器位置的响应矩阵,以构建堆外探测器响应矩阵数据库。
[0064] 本实施例中,计算所有功率统计节块与所有探测器位置的响应矩阵,以构建堆外探测器响应矩阵数据库。可基于蒙特卡罗算法计算三维堆芯模型在不同工况下的响应矩阵,以得到堆外探测器响应矩阵数据库。当计划运行的反应堆将布设10个堆外探测器,则本实施例中目标数量取值为10,需要说明的是,堆外探测器响应矩阵数据库可包括不同目标数量的探测器对应的响应矩阵数据,以扩大数据库的应用范围。
[0065] 可选地,基于三维堆芯模型构建典型工况谐波数据库,具体包括:根据运行参量选取若干组的典型工况;构建若干组的典型工况下的三维堆芯模型;在临界计算模式下,基于蒙特卡罗方法统计各组典型工况下三维堆芯模型的裂变矩阵;求解出裂变矩阵的高阶特征值ki和特征向量si,得到裂变矩阵的特征向量集为高阶谐波库{vi,i=0,1,2,…},以构建典型工况谐波数据库。
[0066] 本实施例中,根据反应堆的设计特征,特别是功率分布随各运行参量(运行参量包括但不限于不同温度、燃耗深度、控制棒棒位、钐氙毒、功率水平等)的特性,选取若干组典型工况,构建典型工况下的三维堆芯模型,并开展高阶谐波计算。具体地,高阶谐波的计算需采用蒙特卡罗方法,统计裂变矩阵,并使用瑞利商迭代法等方法进行求解。开展高阶谐波计算包括步骤S11‑S12:
[0067] S11,使用蒙特卡罗方法在临界计算模式下统计裂变矩阵H。裂变矩阵的统计方法为:记录每一个源中子的位置s(i),当其发生裂变时,记录裂变位置s(j),将抽样裂变中子数vk记录到Hij元素中。
[0068] S12,使用瑞利商迭代法等数值方法求解出裂变矩阵H的高阶特征值ki和特征向量si。裂变矩阵的特征向量集就是该三维堆芯模型的高阶谐波库{vi,i=0,1,2,…}。裂变矩阵的特征向量集是空间完备集,即对于任意的功率分布φ,都可用特征向量进行展开:
[0069]
[0070] 式中ci为第i个展开参数。需要说明的是,典型工况的运行参量通常能够从反应堆的状态信息和堆外探测器的信号中直接或快速获取。计算得到典型工况下的高阶谐波后,即完成构建典型工况谐波数据库。
[0071] 在获得功率分布数据库、堆外探测器响应矩阵数据库、典型工况谐波数据库后,由于高阶谐波理论上具有完备性,可以保证堆芯功率在线重构的精度。然而由于探测器数量有限,不能使用所有高阶谐波进行功率重构和在线监测。因此,需要进行谐波数据库降维。可选地,对典型工况谐波数据库降维,包括步骤S1‑S6:
[0072] S1,根据所适配的不同工况,建立反应堆功率分布数据库与典型工况谐波数据库的若干组对应关系。
[0073] S2,针对每一组对应关系基于高阶谐波进行功率展开求解,并绘制不同工况下展开参数随谐波阶数的变化图。
[0074] S3,根据所述变化图中展开参数与参数阈值的比较,挑选小于或等于探测器目标数量的谐波作为次核心谐波组。
[0075] S4,将次核心谐波组结合堆外探测器响应矩阵数据库,且根据探测器读数重构堆芯功率。
[0076] S5,选取堆芯功率重构误差最小的谐波组作为核心谐波组。
[0077] S6,循环执行S2‑S5,直至获取若干组对应关系的核心谐波组。
[0078] 本实施例中,由于反应堆功率分布数据库、典型工况谐波数据库中的数据分别与不同工况存在映射关系,故可建立功率分布数据库与典型工况谐波数据库的对应关系。具体地,将不同工况的反应堆功率分布数据库与适配工况的谐波数据库进行对应分组。每一个分组中,基于高阶谐波进行功率展开,并绘制不同工况下展开参数随谐波阶数的变化图,如图2所示的展开参数(即展开系数)随谐波阶数的变化图。在变化图中选择大于参数阈值的展开参数所对应的谐波,且不超过探测器目标数量的谐波作为次核心谐波组。基于高阶谐波进行功率展开并筛选出次核心谐波组的目的是初步筛选出关键谐波组。基于次核心谐波组结合堆外探测器响应矩阵数据库,进行基于探测器读数的堆芯功率重构。使用次核心谐波组部分谐波做基于探测器读数的堆芯功率重构时,堆芯功率的重构误差最小。选定堆芯功率重构误差最小的谐波组作为核心谐波组。核心谐波组在不同的分组中差别小,完成所有分组的核心谐波组筛选后,得到最终用于在线功率监测的核心谐波组数据库,可理解为典型工况谐波数据库包括核心谐波组数据库。基于堆芯功率重构误差最小的条件从次核心谐波组中筛选出核心谐波组,即进一步筛选出关键的核心谐波,使得后续应用核心谐波重构功率分布的准确性高。通过对典型工况谐波数据库进行降维,能获取不同工况下关键的核心谐波,且谐波的阶数小于或等于反应堆实际部署的探测器数量,从而依靠少量的探测器,基于数据驱动和谐波展开可实现快速、准确地监测功率分布,进一步地,典型工况谐波数据库降维可减少后续计算量,从而节约功率监控的计算资源。
[0079] 可选地,针对每一组对应关系基于高阶谐波进行功率展开求解,具体包括:针对每一组对应关系,以高阶谐波为基底,求解如下矩阵方程:
[0080] MX=B,
[0081] 其中,M为高阶谐波矩阵,X为展开参数,B为当前组的功率分布矩阵。通常使用最小二乘法求解如上矩阵方程,求解后,可以绘制不同工况下展开参数随谐波阶数的变化图。
[0082] 可选地,将次核心谐波组结合堆外探测器响应矩阵数据库,且根据探测器读数重构堆芯功率,具体包括:以次核心谐波组为基底,求解如下矩阵方程:
[0083] (DM)X=(DBrdf);
[0084] 求解出X后,根据如下公式得到堆芯功率分布:
[0085] P=MX,
[0086] 其中,M为高阶谐波矩阵,X为展开参数,Brdf为探测器读数,D为对应的堆外探测器响应矩阵,P为重构的堆芯功率分布。
[0087] 本实施例中,通常使用最小二乘法求解矩阵方程,求解后,可以得到使用次核心谐波组部分谐波做基于探测器读数的堆芯功率重构时,堆芯功率的重构误差最小。
[0088] 可选地,在重构出节块级堆芯功率分布之后,堆芯功率的监测方法还包括:基于径向用固定的节块内燃料棒相对因子重构,以及,轴向用多项式拟合或三次样条插值函数拟合节块级堆芯功率,得到芯块级别的堆芯功率分布。
[0089] 本实施例中,基于当前工况下堆芯各节块的功率,径向采取固定的节块内燃料棒相对因子重构,轴向采用多项式拟合或三次样条插值函数拟合,得到芯块级别的堆芯功率重构。
[0090] 可选地,根据重构的堆芯功率,计算当前工况下堆芯功率水平、热点因子、轴向功率偏移等堆芯状态参数,用于堆芯安全分析或指导堆芯后续运行策略。
[0091] 本实施例的堆芯功率的监测方法,通过采用数据驱动和谐波展开相结合的思路,首先基于准确的三维堆芯模型和普适精确的蒙特卡罗核设计程序获得大量正常与事故工况下微型堆堆芯各节块的功率分布数据库、堆外探测器响应矩阵数据库、典型工况谐波数据库,完成谐波数据库降维。之后在线功率监测时,首先采集反应堆状态信息和堆外探测器信号,选用典型工况谐波数据库中的预制谐波(即工况对应的核心谐波组)结合堆外探测器响应矩阵,利用最小二乘法实时重构出节块级堆芯功率分布。从而实现仅依靠少量堆外探测器核测信号快速、准确地达到堆芯功率在线监测的目的。因此,针对布置紧凑的微型核能系统结构特点,本实施例提供的堆芯功率的监测方法具有智能化、基于数据库、拟合精度高、消耗本地计算资源少的仅依靠少量堆外核测信号实现堆芯在线监测的效果,能够准确、快速地计算堆内功率分布、热点因子等堆芯参量。该方法采用数据驱动和谐波展开相结合,故不受堆型和探测器分布限制。
[0092] 实施例2:
[0093] 如图3所示,本实施例提供一种堆芯功率的监测方法,以典型的棱柱型高温气冷微型堆堆芯功率在线监测过程为例。
[0094] 典型的气冷微型堆堆芯模型如图4所示,1为堆芯,由活性区内几何结构相同的六棱柱燃料组件、控制棒组件、反射层构成,堆外布置有含砖、吊篮、压力容器、屏蔽层、车厢框架等。EX为堆外中子探测器,布置在屏蔽层外侧,径向采取不对称布置3个位置,每个位置轴向有4组探测器,即共有12组堆外探测器。堆芯径向共有12个燃料组件列,每列组件轴向有3层燃料组件,因此全堆共有36个燃料组件。每个燃料组件内有18根燃料棒,每根燃料棒轴向有15个燃料芯块。控制棒布置有两套,第一套位于活性区外侧,有6组控制棒,用于堆芯运行控制、冷停堆热停堆、紧急停堆等;第二套位于堆芯中心,有1组控制棒,作为备用的停堆手段,仅当第一套控制棒不能停堆时,实现堆芯热停堆。
[0095] 堆芯功率的监测方法包括:
[0096] 首先在微型反应堆开始运行前:
[0097] S21,建立准确的三维堆芯模型。
[0098] 根据典型的气冷微型堆设计方案,应用先进通用蒙特卡罗程序建立堆芯真实、详细的三维堆芯模型。模型包括燃料颗粒在燃料芯块中的弥散分布,燃料棒结构,燃料组件及其内部盲段、端塞等结构,堆内燃料组件、控制棒组件、反射层的布置,堆外含硼碳砖、吊篮、压力容器、屏蔽层、堆外探测器、车厢框架等结构,建模时按照各部件真实的尺寸、材料、设计方案进行设置。堆芯模型如图4所示。
[0099] S22,构建微型堆功率分布数据库。
[0100] 基于三维堆芯模型,将全部堆芯按照功率分布统计需求划分为轴向15层、径向30个节块,共450个节块的堆芯功率分布统计节块。各节块的功率加起来可以表示全部堆芯的功率分布。节块划分好后,建立微型堆全寿期的所有可能工况的模型,包括不同温度、燃耗深度、控制棒棒位、钐氙毒、功率水平等共计135种工况,计算不同工况下堆芯各节块的功率,构建功率分布数据库。
[0101] S23,构建堆外探测器响应矩阵数据库。
[0102] 计算所有功率统计节块与所有探测器位置的响应矩阵,构建堆外探测器响应矩阵数据库,包含450个节块与12个探测器位置的响应矩阵。采用蒙特卡罗正向计算方法:统计堆内各位置的裂变中子源强分布;根据裂变中子源强设置源项,利用蒙特卡罗程序采取固定源模式计算,通过栅元重要性设置功能,解决中子深穿透问题,统计堆外各探测器的空间响应矩阵;计算不同工况下的响应矩阵,构造响应矩阵数据库。
[0103] S24,采用蒙特卡罗方法构建典型工况谐波数据库。
[0104] 根据气冷微堆的设计特征,选取不同控制棒位的5组典型工况,构建典型工况下的三维蒙特卡罗堆芯模型,采用蒙特卡罗方法统计裂变矩阵,计算高阶谐波。计算得到典型工况下的高阶谐波后,即完成构建典型工况谐波数据库。控制棒位为130厘米的典型工况下的100阶高阶谐波的分布图如图5所示,图片的左部分为前50阶谐波,图片的右部分为后50阶谐波。
[0105] 在获得功率分布数据库、堆外探测器响应矩阵数据库、典型工况谐波数据库后,进行典型工况谐波数据库降维。具体地,典型工况谐波数据库降维包括:
[0106] (1)建立气冷微堆功率分布数据库与典型工况谐波数据库的对应关系。
[0107] 根据不同工况的控制棒位不同,将气冷微堆功率分布数据与适配该工况的谐波数据库进行对应分组,共分5组。
[0108] (2)基于高阶谐波做功率展开。
[0109] 针对第(1)步的每一个分组,基于高阶谐波进行功率展开。具体地,以高阶谐波为基底,求解矩阵方程:
[0110] MX=B,
[0111] 式中,M为高阶谐波矩阵,X为展开参数,B为该分组的功率分布矩阵。
[0112] 上述矩阵通常使用最小二乘法求解。使用100阶谐波展开了对应分组下39个工况的功率分布,绘制的展开参数随谐波阶数的变化图如图2所示。
[0113] (3)高阶谐波筛选。
[0114] 依据在第(2)步中绘制的展开参数随谐波阶数的变化图,依据参数的显著性,挑选不超过核探测器的数目的谐波作为次核心谐波组。在图2的示例中,挑选第0、1、6、11、14、16、13、24、43、42、41、23共12阶谐波组成次核心谐波组。
[0115] (4)基于探测器读数进行堆芯功率重构,选择核心谐波组。
[0116] 在第(3)步得到次核心谐波组后,结合堆外探测器响应矩阵数据库,进行基于探测器读数的堆芯功率重构。具体地,以次核心谐波组为基底,求解矩阵方程
[0117] (DM)X=(DB),
[0118] 式中,M为高阶谐波矩阵,X为展开参数,B为该分组的功率分布矩阵,D是对应的堆外探测器响应矩阵。
[0119] 上述矩阵通常使用最小二乘法求解。在图2的案例中,使用第0、1、6、11阶谐波做基于探测器读数的堆芯功率重构时,堆芯功率的重构误差最小,节块的功率重构误差的均方差为3%以内。因此,选定以上4阶谐波组作为核心谐波组。
[0120] 核心谐波组在不同的分组中通常差别不大,完成所有分组的核心谐波组筛选后,得到最终用于在线功率监测的核心谐波组数据库。
[0121] 之后进行在线功率监测时,需要进行:
[0122] S25,采集反应堆状态信息和堆外探测器信号。
[0123] 采集操作员或智能控制系统的预操作指令,包括控制棒棒位等信息。收集当前未知工况下堆外探测器的不重复的12组核测信号,如表1所示。本实施例同样采用控制棒位接近130cm的工况作下一步监测。
[0124] 表1某工况下12个探测器信号值
[0125]
[0126]
[0127] S26,选择典型工况谐波数据库中的核心谐波组结合堆外探测器响应矩阵。
[0128] 依据S25中采集到的控制棒位接近130cm的反应堆状态信息,选择出对应工况在典型工况谐波数据库中的4阶谐波组成的核心谐波组。并将核心谐波组与堆外探测器响应矩阵相乘,待下一步处理。
[0129] S27,利用最小二乘法实时重构节块级堆芯功率分布。
[0130] 依据S26中得到的核心谐波组与堆外探测器响应矩阵的乘积,结合S25中采集到的堆外探测器信号,利用最小二乘法实时重构出节块级堆芯功率分布,具体地,求解矩阵方程:
[0131] (DM)X=(DBrdf),
[0132] 式中,M为核心组4个高阶谐波组成的矩阵,X为展开参数,Brdf为采集到的12个堆外探测器的信号值,D是对应的堆外探测器响应矩阵。
[0133] 求解出X后,通过下式可以得到节块级堆芯功率分布:
[0134] Preconstruct=MX,
[0135] Preconstruct为重构得到的15层节块级堆芯功率分布(从下到上,共15层),如图6所示,第一行为底部1‑5层节块,第二行为中段6‑10层节块,第三行为顶部11‑15层节块。基于蒙特卡罗计算得到的功率分布(即堆型设计目标)如图7所示(从下到上,共15层),图6和图7对比可知,基于本实施例的堆芯功率的监测方法得到的功率分布与设计目标非常接近,说明本实施例得到的功率分布结果准确性高。本实施例重构误差区间分布,如表2和图8所示,可知,节块功率的平均误差仅1.6%,最大重构误差仅4.1%,符合在线监测的精度要求。
[0136] 表2功率重构误差区间分布表
[0137]
[0138]
[0139] S28,芯块级功率重构。
[0140] 基于该未知工况下堆芯各节块的功率,径向采取固定的节块内燃料棒相对因子重构,轴向采用多项式拟合或三次样条插值函数拟合,得到芯块级别的堆芯功率重构。
[0141] S29,各堆芯监测状态参数计算。
[0142] 根据重构的堆芯功率,计算该未知工况下堆芯功率水平、热点因子(最大的归一化节块功率因子或芯块功率因子)、轴向功率偏移(轴向前半部分与后半部分功率之差与它两之和的比值)等堆芯状态参数,用于堆芯安全分析或指导堆芯后续运行策略。
[0143] 本实施例的堆芯功率的监测方法,适用于微型核能系统的仅依靠少量堆外探测器核测信号快速、准确地实现堆芯功率在线监测,且能得到堆芯功率分布、热点因子等运行参量,可用于先进微型核能系统的远程实时监测和智能控制,提高反应堆的安全性。
[0144] 实施例3:
[0145] 如图9所示,本实施例提供一种堆芯功率的监测装置,包括采集模块91、选择模块92和重构模块93。
[0146] 采集模块91,用于采集反应堆的状态信息和堆外探测器信号。
[0147] 选择模块92,与采集模块91连接,用于根据状态信息选择典型工况谐波数据库中对应工况的核心谐波组。
[0148] 重构模块93,与采集模块91和选择模块92连接,用于根据核心谐波组和堆外探测器信号所对应的堆外探测器响应矩阵,重构出节块级堆芯功率分布,以实现堆芯功率监测。
[0149] 可选地,堆芯功率的监测装置还包括构建模块。
[0150] 构建模块,用于建立反应堆的三维堆芯模型,基于三维堆芯模型构建反应堆功率分布数据库、堆外探测器响应矩阵数据库、典型工况谐波数据库,对典型工况谐波数据库降维。
[0151] 可选地,构建模块包括第一构建单元,第一构建单元用于根据反应堆的堆芯装载方案,应用蒙特卡罗核设计程序或确定论程序建立反应堆的三维堆芯模型,其中,三维堆芯模型包括燃料组件、反射层、控制棒。
[0152] 可选地,构建模块还包括第二构建单元,第二构建单元用于根据功率分布统计需求将三维堆芯模型中的全部堆芯划分为预设数量的节块,基于三维堆芯模型计算不同工况下各节块的功率,以构建功率分布数据库。
[0153] 可选地,构建模块还包括第三构建单元,第三构建单元用于基于三维堆芯模型及蒙特卡罗算法,计算堆芯所有节块与目标数量的探测器位置的响应矩阵,以构建堆外探测器响应矩阵数据库。
[0154] 可选地,构建模块还包括第四构建单元,第四构建单元用于根据运行参量选取若干组的典型工况,构建若干组的典型工况下的三维堆芯模型,在临界计算模式下,基于蒙特卡罗方法统计各组典型工况下三维堆芯模型的裂变矩阵,以及,用于求解出裂变矩阵的高阶特征值ki和特征向量si,得到裂变矩阵的特征向量集为高阶谐波库{vi,i=0,1,2,…},以构建典型工况谐波数据库。
[0155] 可选地,构建模块还包括降维单元,降维单元用于根据所适配的不同工况,建立反应堆功率分布数据库与典型工况谐波数据库的若干组对应关系,用于针对每一组对应关系基于高阶谐波进行功率展开求解,并绘制不同工况下展开参数随谐波阶数的变化图,用于根据所述变化图中展开参数与参数阈值的比较,挑选小于或等于探测器目标数量的谐波作为次核心谐波组,用于将次核心谐波组结合堆外探测器响应矩阵数据库,且根据探测器读数重构堆芯功率,用于选取堆芯功率重构误差最小的谐波组作为核心谐波组,直至获取若干组对应关系的核心谐波组。
[0156] 可选地,降维单元具体用于针对每一组对应关系,以高阶谐波为基底,求解如下矩阵方程:
[0157] MX=B,
[0158] 其中,M为高阶谐波矩阵,X为展开参数,B为当前组的功率分布矩阵。
[0159] 可选地,降维单元具体用于以次核心谐波组为基底,求解如下矩阵方程:
[0160] (DM)X=(DBrdf);
[0161] 求解出X后,根据如下公式得到堆芯功率分布:
[0162] P=MX,
[0163] 其中,M为高阶谐波矩阵,X为展开参数,Brdf为探测器读数,D为对应的堆外探测器响应矩阵,P为重构的堆芯功率分布。
[0164] 可选地,堆芯功率的监测装置还包括计算模块,计算模块用于基于径向用固定的节块内燃料棒相对因子重构,以及,轴向用多项式拟合或三次样条插值函数拟合节块级堆芯功率,得到芯块级别的堆芯功率分布。
[0165] 实施例4:
[0166] 本实施例提供一种电子设备,包括存储器和处理器,所述存储器中存储有计算机程序,所述处理器被设置为运行所述计算机程序以实现如实施例1或实施例2所述的堆芯功率的监测方法。
[0167] 可以理解的是,以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式,然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言,在不脱离本发明的精神和实质的情况下,可以做出各种变型和改进,这些变型和改进也视为本发明的保护范围。