1、I 摘 要 能源是社会和经济发展的基础，是人类生活和生产的要素。核能在人类生产和生活中的应用的主要形式是核电。由于核燃料资源丰富，运输和贮存方便，核电厂具有污染小、发电成本低等优点。从 1954 年前苏联建成第一座核电厂以来，核能发电得到很大发展。 由于核电生产的特殊性，为了保证能源供应的安全性、可靠性，各国对核电控制技术进行了深入研究。但是，如今核电堆型众多，控制方法各异， 需要对各种堆型进行统一的研究。 为了彻底剖析核反应堆控制方法， 本文阐述了核反应堆堆芯的数学模型 ,并应用该模型建立传递函数 ,最终， 给 出 仿真 结果 。 同时对该模型分别进行了动态分析和 稳定性分析。 另外， 通过
2、分析整理文献资料 ，本文 分别对压水堆、沸水堆、重水堆和快中子增殖堆分别控制方法进行分析 。 通过对各种堆型反应堆控制方法的研究，建立了各种控制方法的区别与联系，为以后的研究提供参考。 关键词 ： 核反应堆 ， 功率控制 ， 数学模型，稳定性分析 II ABSTRACT Energy is a social and economic basis for the development of human life and production elements .The main form of application of nuclear power used in human life an
3、d production is nuclear electricity. Because nuclear fuel is rich in resources, transport and storage convenience, the nuclear power plant dose better in low pollution and low cost. The development of nuclear power generation become fast since the former Soviet Unions first nuclear power plant built
4、 in 1954. As the special nature of nuclear power production, in order to ensure the security of energy supply, reliability， many countries deeply conducted the control of nuclear power research. However, now, there are so many different nuclear power reactor types and control methods that need for a
5、 unified various reactor types. In order to thoroughly analyze nuclear reactor control, this paper expounds the math model of a nuclear reactor and applied this model to set up the transfer function. The simulation results and the dynamic and stability analysis of the model are also given. Through t
6、he analysis of literature, additionally, pressurized water reactor, boiling water reactor, heavy water reactors and fast neutron breeder reactor control method were analyzed. Outlined are some of connections of various reactor control method in this paper to provide reference for future research. KE
7、Y WORDS: nuclear reactor, power control, math model, stability analysis 1 目 录 摘 要 . I ABSTRACT. II 目 录 . 1 第一章 绪论 . 1 1.1 研究背景 . 1 1.2 国内外研究现状 . 2 1.3 研究目的和任务 . 2 1.4 本章小结 . 3 第二章 核反应堆功率控制系统动态特性和数学模型 . 4 2.1 核反应堆原理介绍 . 4 2.2 核反应堆功率控制系统建立的意义 . 4 2.2.1 控制系统的组成 . 4 2.2.2 功率控制的目的 . 5 2.2.3 核反应堆功率控制机理 .
8、5 2.3 数学模型的建立 . 5 2.3.1 数学模型的概念 . 5 2.3.2 核反应堆功率控制系统数学模型的建立 . 5 2.3.3 原理方块图 . 7 2.4 动态特性 . 7 2.4.1 动态特性的概念 . 7 2.4.2 使用 Matlab 进行数学模型动态特性分析 . 8 2.5 其它控制方法 . 12 2.5.1 自适应控制 . 12 2.5.2.模糊控制 . 13 2.5.3 神经网络控制 . 16 2.6 本章小结 . 16 第三 章 反应堆的稳定性分析 . 17 3.1 稳定性的概念 . 17 3.2 系统稳定的意义 . 17 3.3 线性系统的稳定性分析 . 17 3.
9、4 频率特性法 . 17 3.5 核反应堆数学模型的稳定性分析 . 18 3.6 本章小结 . 20 第四章 各类反应堆控制系统分析 . 21 4.1 反应堆分类 . 21 4.2 压水堆核反应堆 . 21 2 4.2.1 压水堆核电厂 . 22 4.2.2 压水堆功率控制原理 . 22 4.3 重水动力反应堆 . 23 4.3.1重水动力反应堆介绍 . 24 4.3.2 坎杜堆功率调节系统原理 . 24 4.4 沸水反应堆控制系统 . 26 4.4.1 沸水堆发展历史过程 . 26 4.4.2 沸水反应堆运行方式 . 26 4.5 快中子增殖反应堆 . 28 4.5.1 快中子增值反应堆的发
10、展过程 . 29 4.5.2 快中子增值反应堆控制系统 . 29 4.6 本章小结 . 29 参考文献 . 30 致 谢 . 31 华北电力大学本科毕业设计（论文） 1 第 一 章 绪论 1.1 研究背景 能源是人类社会和国民经济发展的基础，是人类生活和生产的必需品。随着社会经济的发展，各国对能源的需求也在不断的增大，而在绿色环保、低碳发展的全球共识下，各国对新能源有着强烈的需求。为了缓解能源对国民经济发展的制约 并使能源可以可持续发展 ， 在积极研究开发太阳能、风能、潮汐能以及生物质能等再生能源的同时，大力发展核能这一种经济、 安全和洁净并可以大规模生产以替代常规能源的清洁经济的现代能源将成
11、为必然。世界多个国家已新建或规划建设一批核电站和与核能和平利用相关的大型实验装置 1。 核电站的发展主要经历了四个阶段：第一代主要是 20 世纪 50 年代美苏研制的原型核电站；第二代主要是 60 年代开始兴建的压水堆、沸水堆、重水堆、石墨水冷堆等核电机组；第三代包括满足美国 URD 的西屋 AP1000 和欧洲 EUR 的AREVA EPA； 2002 年开始研发的第四代核电站， 其高温 气冷堆、纳冷却堆的安全性和经济性更优越，废物量极少，无需厂外应急，并具备固有的防止核扩散能力，给核电自动化提出了新的挑战 2。可以看出核电自动化控制的技术突飞猛进，其控制对象及方法发生了巨大的变化。 核电自
12、动化学科是伴随世界上第一个反应堆的诞生而形成的一门自动化应用学科。信息、控制和系统是其核心，实现人力所不能完成的任务，提高和保障核电站设施的安全与可靠性水平是其目的，现在已经成为核科学技术和自动化技术的主要组 成部分，一个国家和科技水平的重要标志 3。 我国核电建设虽然取得了不小的成绩，但从总体上看，还存在着规模偏小、发展偏慢、自主能力偏低、缺乏相对稳定的长远发展规划等不足。目前全世界核电装机容量约占电力工业总装机容量的 16，而我国核电装机总容量仅 2100MW，约为全国电力装机容量的 1，核电在电力工业中所占比重在世界拥有核电的 30多个国家和地区中居末位。即使在建的 8 台机组全部建成，
13、到 “十五 “末期，我国发电装机容量预计达 到 3.9 亿 kW，核电在我国电力装机的容量也不到 3。我国核电堆型种类偏多，设备自主化和国产化程度低，尚未形成我国自己的标准化、系列化的机组型号，在核电技术研究与开发和自主设计方面与先进核电国家相比还存在较大差距。这种状况有待在今后的发展中逐步予以克服 4。 在十二五规划建议提出了中国核电中长期目标规划。在数量上 到 2020年，核电运行装机容量争取达到 4000 万千瓦；核电年发电量达到 2600-2800 亿千瓦时。 并且要 实现 核电自主化 ，即 实现先进百万千瓦级压水堆核电站的自主设计、自主制造、自主建设和自主运营，全面建立与国际先进水平
14、接轨的建设和运华北电力大学本科毕业设计（论文） 2 营管理模式，形成比较完整的自主化核电工业体系。 核能发展战略已由“积极发展”转为“加速发展”。 1.2 国内外研究现状 20 世纪 70 年代，美法等国从反应堆辅助应用系统开始，逐步掌握了核电自动化技术，积累了控制系统研发经验，形成了配套发规和标准。目前，国外研究单位主要有英国 CCLRC、印度 BARC、日本 AIST、美国 ORNL、加拿大 INRS、法国CEA、俄罗斯 IPPE、德国 INIS 等。核电企业包 括美国西屋、法国 AREVA NP、日本三菱、德国西门子、美国英维斯、日本日立。 2009 年，采用西屋 AP1000 技术的三
15、代核电站在浙江首建。 2010 年， EPR 三代核电站在广东开建。 国内的核电研发机构有中国核动力研究设计院、国家核电上海核工程研究设计院、中核集团中国核电工程有限公司、中科华核电技术研究院、华东电力研究院等。高校中，清华大学、上海交通大学、西安交通大学和哈尔滨工程大学等，主要研究反应堆工程、核动力装置、核电自动化软件等。北京广利核系统工程有限公司、北京中核东方控制系统工程有限公司、中控科技集团、 上海自动化仪表股份有限公司、国核自仪股份有限公司等是核电设计、集成和服务的主要厂商。北京广利核系统工程有限公司已成功研发“核电站安全级数字化控制平台”成为国内第一个获得具有 1E 级安全级别的系统
16、 5。 国核自仪股份有限公司致力于AP1000 自动化技术的引进、消化和国产化 6。 尽管国内的核自动化领域具备一定的基础，拥有自主知识产权 的数字化控制系统平台，在工业领域也得到了较广泛的应用，但是 与国外水平相比 国内的技术水平还是 比较 落后，国外的大公司垄断了 大部分的 先进的技术 使得我国的产业化面临巨大的挑战 。 国家核能发展的需求为核电自动化的发展提供了巨大的 机遇。我国 的 核电自动化 需要前瞻性地在学科发展、理论创新、技术创新、人才培养、产品研发和产业化等反相上做好科学规划，才能为我国核科学的发展作出巨大的贡献。 1.3 研究目的和任务 电厂的绝大多数过程 常常是相互交织并且
17、 快速 进行 的，以致当人们意识到 发生故障应及时 干预时，总是 无法立马实现 。自动化控制的任务正是 以最大的可靠性和可利用性来满足工艺要求。 尽管反应堆功率控制系统只应用于正常运行的工况，并不用来执行安全功能，但它却控制着对于核反应堆安全运行具有重要影响的反应堆功率。因此 对反应堆功率控制系统性能进行研究，对保障反应堆的安全性有着非常重要的作用 。 本文把核反应堆功率控制作为研究的重点。目的是通过研究核反应堆功率控华北电力大学本科毕业设计（论文） 3 制系统的数学模型，最终能够对其进行仿真 。在广泛阅读文献的基础上分析整理一些具有有代表性的核反应堆堆型比如压水堆、沸水堆、重水堆、快中子增殖
18、堆和气冷堆的控制系统。 研究任务 主要有： 1.根据自动控制基 本原理，通过点堆动态方程等，建立核反应堆的数学模型。同时分析该模型的优缺点，给出用该模型仿真时的具体步骤，并由此分析核反应堆的动态特性和进行稳定性分析。 2. 通过分 析整理文献资料分别对压水堆、沸水堆、重水堆和快中子增殖堆分别控制方法进行分析。 1.4 本章小结 本章首先介绍了核能发展的前景及核电自动控制系统的研究背景，介绍了核电自动化在世界和中国的发展现状和发展前景，并分析了核电控制系统的国内外研究现状，指出了中国在此控制领域的优点和不足。最后阐述了研究内容，为展开下一章的内容打下基础。 华北电力大学本科毕业设计（论文） 4
19、第二章 核反应堆功率控制系统 动态特性和 数学模型 2.1 核反应堆原理介绍 核反应堆，又称为原子反应堆或反应堆，是装配了核燃料 能以可控方式实现大规模 自持链式核裂变反应的装置 。原子由原子核与核外电子组成。原子核由质子与中子组成。当铀 235 的原子核受到外来中子轰击时，一个原子核会吸收一个中子分裂成两个质量较小的原子核，同时 释放 出 两 到 三 个中子。这裂变产生的中子又去轰击另外的铀 235 原子核，引起新的裂变。如此持续进行就是裂变的链式反应。链式反应产生大量热能。用循环水 (或其他物质 )带 走热量才能避免反应堆因过热烧毁。导出的 热量可以使水变成水蒸气， 进而 推动气轮机发电。
20、 图 2-1 采用压水式反应堆的核电站 2.2 核反应堆功率控制系统建立的意义 电厂的绝大多数过程是相互交织并且常常是快速的，以致当人们意识到应正确地干预时，总是力不能及。 而自动化控制则可很好的 避免这一问题。 自动化控制的任务正是以最大的可靠性和可利用性来满足工艺要求。 尽管反应堆功率控制系统只应用于正常运行 的工况 ，并不用来执行安全功能，但它却控制着对于核反应堆安全运行具有重要影响的反应堆功率。因此反应堆功率控制系统性能是否优良，与反应堆的安全性有着非常密切的关系。 2.2.1 控制 系统的组成 华北电力大学本科毕业设计（论文） 5 控制系统 的主要 由控制器、 被控对象 、 调节 机
21、构、检测 元件与变送器 组成。 2.2.2 功率控制的目的 功率控制的目的 1）能使反应堆输出功率与负荷需求相适应 2）出现内外扰动时，反应堆能能消除扰动的作用 2.2.3 核反应堆功率控制机理 核反应堆是能够使原子核裂变的链式反应有控制地持续进行的装置。通过改变反应堆内的中子数和中子密度 ,就可以改变核反应的剧烈程度 ,从而改变反应堆功率。控制棒是由强烈吸收中子的材料制成的，耐辐射，控制的能力要比核反应堆的剩余功率能力大很多 ， 通过控制棒可以有效的控制反应堆反应速度。当反应堆反应强烈时 ， 将控制棒从活性区插入深一些 ,使被吸收的中子增多 ， 进而使链式反应减慢 ； 反之 ,当控制棒向外拉
22、出一些 ， 核反应速度将增加。因此 ， 功率控制系统对反应堆输出功率的调节就是对控制棒位置的调节。 2.3 数学模型的建立 2.3.1 数学模型的概念 描述系统特性的数学表达式叫系统对数学模型。数学模型是用数学的语言描述了系统中各物理量之间的关系。控制系统由控制器、放大器、执行机构、控制对象和检测装置等组成。控制系统的数学模型是在系统元件和部件数学模型的基础上，运用系统的物理学定律建立的。它代表了系统中运行中各变量之间的关系。只有获得较为准确的数学 模型才能设计出优良的控制系统 。 2.3.2 核反应堆功率控制系统数学模型 的建立 核反应堆功率控制系统的控制对象是反应堆 ,输出量是反应堆的输出
23、功率，当反应堆在高功率运行时，需要考虑反应堆内部的反馈作用。反应堆的反馈作用极为复杂，它与反应堆的物理、结构和热工水力密切相关。当反应堆的功率变化时，燃料的温度就发生变化，而且其温度变化的时间延迟很小。 核反应堆 功率控制 系统由定值放大器、电压放大器、功率放大器、伺服电机、减速器、控制棒及反馈等部件或环节组成 可以实时的检测反应堆的工作状态 ,并通过回路反馈到控制器，控制对象为核反应堆， 反应堆功率控制系统框图如图 2-2 所示。 华北电力大学本科毕业设计（论文） 6 图 2-2 反应堆功率控制系统框图 首先逐一建立 各部分 数学模型 (1).调节放大器 此装置的功能是将输入信号 放大 ，放
24、大 后的信号经限幅后控制电机运动。 其中 定值放大器、电压放大器和功率放大器近似为比例放大器，分别以各自的比例增益 Kd,Kv和 Ks表示 ， 它 们 的大小直接影响系统品质的优劣。 (2).伺服电机 系统采用 伺服电机，而 伺服电机 为直流电机， 故 其传递函数为 （ 2-1） (3).减速器 伺服 电机的转动通过减速器降低转速，再由齿轮 -齿条将圆周运动转换成上下直线运动，以便带动调节棒上下运动。 传递函数为 ，其中 Ki 由 伺服电机到齿条轮的减速比和齿条轮的节圆直径决定。 (4).控制棒 控制棒环节描述了控制棒的反应性价值，近似看作是常数用 K 表示。控制棒的行程为 500 20mm。每根控制 棒的反应性积分价值为 0.15%，平均反应性微分价值为 3 10-6。考虑到控制棒微分价值的非线性因素，根据控制棒理论刻度曲线，把控制 棒最大的微分价值选为 K =410 -3。 (5).位置反馈 位置反馈环节的反馈信号与电机 的转速成正比，传递函数为 H(s)=0.0075;
