陳世超 李銳 左獻(xiàn)迪 劉海軍,3 虞凱程 程懋松 戴志敏

1（中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 上海 201800）

2（中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

3（上?？萍即髮W(xué) 上海 201210）

由于熔鹽堆在固有安全性、經(jīng)濟(jì)性、核燃料資源可持續(xù)發(fā)展及防核擴(kuò)散等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，被第四代核能系統(tǒng)國(guó)際論壇（Generation IV International Forum，GIF-IV）列為6種先進(jìn)候選堆型之一［1］。其中液態(tài)燃料熔鹽堆是目前唯一采用流動(dòng)的液態(tài)燃料鹽同時(shí)作為燃料和冷卻劑的反應(yīng)堆，不同于傳統(tǒng)固態(tài)燃料堆，其具有獨(dú)特的運(yùn)行原理和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性。

核電仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和運(yùn)行過(guò)程中，建模與仿真平臺(tái)發(fā)揮關(guān)鍵作用。建模與仿真平臺(tái)不僅是仿真系統(tǒng)的支持平臺(tái)，能夠保證其正常運(yùn)行，而且也是開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的有效工具。目前國(guó)內(nèi)外已有多家知名仿真公司能夠?yàn)楹穗娤到y(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)提供實(shí)時(shí)的、高精度的建模與仿真系統(tǒng)和服務(wù)。美國(guó)GSE（Global Simulation & Engineering System）是全球領(lǐng)先的能源和工業(yè)過(guò)程仿真公司，主要為核電站、火電站、聯(lián)合循環(huán)電站、生產(chǎn)處理過(guò)程等領(lǐng)域提供仿真系統(tǒng)和服務(wù)。GSE建模與仿真系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各大核電站全范圍模擬機(jī)［2］，主要包括實(shí)時(shí)仿真環(huán)境支持軟件SimExec、輔助系統(tǒng)建模套件（Java Agent Development Framework，JADE）、核反應(yīng)堆熱工水力軟件（Reactor Excursion and Leak Analysis Program，RELAP5）和核反應(yīng)堆堆芯動(dòng)力學(xué)軟件REMARK。

美國(guó)Western Service Cooperation公司開(kāi)發(fā)的3KEYMASTER建模與仿真平臺(tái)廣泛用于核電廠建模與仿真［3］，提供了功能強(qiáng)大的圖形工程站和實(shí)時(shí)仿真支持系統(tǒng)，具有友好便捷的用戶操作環(huán)境，可實(shí)現(xiàn)面向?qū)ο蠼?，并具有便捷的?shù)據(jù)記錄、圖形曲線生成能力。3KEYMASTER平臺(tái)包含了分布式控制系統(tǒng)仿真工具、配置管理系統(tǒng)和基于Web的教室智能輔導(dǎo)系統(tǒng)，并集成了美國(guó)核管會(huì)的嚴(yán)重事故分析程序MELCOR和愛(ài)達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的反應(yīng)堆事故瞬態(tài)分析程序RELAP-3D，提供實(shí)時(shí)可視化功能、嚴(yán)重事故分析、三維熱工水力和三維中子動(dòng)力學(xué)建模功能。國(guó)內(nèi)清華大學(xué)在vPower仿真平臺(tái)的基礎(chǔ)上嵌入THERMIX/BLAST程序，開(kāi)發(fā)了模塊式高溫氣冷堆示范電站工程模擬機(jī)［4］。中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司開(kāi)發(fā)了大型建模與仿真平臺(tái)RINSIM，主要由仿真支撐軟件、教控臺(tái)軟件、動(dòng)態(tài)仿真圖形及軟表盤開(kāi)發(fā)工具軟件、圖形化建模調(diào)試工具軟件等組成，能夠提供實(shí)時(shí)仿真/分時(shí)開(kāi)發(fā)環(huán)境，支持多用戶多任務(wù)，支持團(tuán)隊(duì)并行開(kāi)發(fā)，主要用于模擬機(jī)/仿真機(jī)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、調(diào)試、運(yùn)行和維護(hù)全壽期支持，已成功應(yīng)用于多個(gè)核電站或核反應(yīng)堆［5-7］。

熔鹽堆系統(tǒng)是一個(gè)集反應(yīng)堆物理、熱工流體、結(jié)構(gòu)力學(xué)、熔鹽化學(xué)、儀控等學(xué)科于一體的大型復(fù)雜系統(tǒng)。現(xiàn)有技術(shù)成熟的建模與仿真平臺(tái)不能直接用于液態(tài)燃料熔鹽堆實(shí)時(shí)建模與仿真。另外，核電建模與仿真平臺(tái)開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，研制成本高，且需要長(zhǎng)期技術(shù)積累。

綜合考慮平臺(tái)研發(fā)成本，自主可控，在同步輻射大科學(xué)裝置［8-9］和熔鹽堆實(shí)驗(yàn)裝置［10-11］建設(shè)與運(yùn)行過(guò)程中的技術(shù)積累，選擇基于開(kāi)源的實(shí)驗(yàn)物理與工業(yè)控制系統(tǒng)（Experimental Physics and Industrial Control System，EPICS）架構(gòu)研發(fā)開(kāi)放式熔鹽堆實(shí)時(shí)建模與仿真平臺(tái)。本工作以EPICS作為熔鹽堆建模與仿真平臺(tái)的仿真運(yùn)行支撐環(huán)境，擴(kuò)展和集成具備實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)交互功能的液態(tài)燃料熔鹽堆系統(tǒng)分析程序RELAP5-TMSR，集成先進(jìn)的可視化控制與保護(hù)系統(tǒng)和人機(jī)交互界面建模與仿真軟件，研發(fā)液態(tài)燃料熔鹽堆建模與仿真平臺(tái)ThorTypography。并采用由美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Oak Ridge National Laboratory，ORNL)建造并運(yùn)行的熔鹽實(shí)驗(yàn)堆（Molten Salt Reactor Experiment，MSRE）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)題，開(kāi)展ThorTypography平臺(tái)正確性驗(yàn)證和性能測(cè)試。

1 建模與仿真平臺(tái)開(kāi)發(fā)

1.1 EPICS架構(gòu)簡(jiǎn)介

1.2 建模與仿真平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于EPICS分布式控制系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)，建立了液態(tài)燃料熔鹽堆建模與仿真平臺(tái)ThorTypography的軟件架構(gòu)。ThorTypography平臺(tái)的軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由基于EPICS的建模與仿真支撐環(huán)境（主要包括：基于EPICS base的分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)；基于開(kāi)源數(shù)據(jù)庫(kù)軟件PostgreSQL的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)；基于Qt C++開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理工具）、熱工流體系統(tǒng)分析程序、控制與保護(hù)系統(tǒng)、人機(jī)界面（監(jiān)控界面、歸檔數(shù)據(jù)顯示界面和報(bào)警監(jiān)控界面）、教控臺(tái)、報(bào)警系統(tǒng)、數(shù)據(jù)歸檔和管理配置等子模塊組成。OPI層的各應(yīng)用程序之間通過(guò)EPICS 通道訪問(wèn)CA協(xié)議相互連接和通信，使用IOC實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和動(dòng)態(tài)交互，實(shí)現(xiàn)開(kāi)放式的ThorTypography綜合建模與仿真功能。以下將分別重點(diǎn)介紹主要程序和功能模塊。

圖2 ThorTypography軟件架構(gòu)Fig.2 Software architecture of ThorTypography

1.3 熱工流體系統(tǒng)分析程序

RELAP5系統(tǒng)分析程序的參數(shù)輸入和輸出均使用文本文件形式，不適用于動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)仿真。核反應(yīng)堆熱工流體系統(tǒng)分析程序模塊基于中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所［14-16］開(kāi)發(fā)的液態(tài)燃料熔鹽堆系統(tǒng)分析程序RELAP5-TMSR，依據(jù)ThorTypography平臺(tái)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)交互要求，在保證原有程序計(jì)算精度的前提條件下，結(jié)合CA協(xié)議規(guī)范，對(duì)其功能進(jìn)行了一系列的改進(jìn)和擴(kuò)展。

1.3.1 軟件結(jié)構(gòu)重構(gòu)

將RELAP5-TMSR程序結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解以便于依據(jù)建模與仿真平臺(tái)實(shí)時(shí)計(jì)算要求進(jìn)行計(jì)算流程改進(jìn)，為后續(xù)的實(shí)時(shí)計(jì)算功能、動(dòng)態(tài)交互功能和仿真過(guò)程控制功能實(shí)施奠定基礎(chǔ)。分解后的RELAP5-TMSR程序被分為初始化、瞬態(tài)計(jì)算以及后處理三個(gè)模塊。其中，初始化模塊包含程序的讀取、參數(shù)初始化以及瞬態(tài)計(jì)算參數(shù)設(shè)置；瞬態(tài)計(jì)算模塊包含熱工流體、中子動(dòng)力學(xué)以及換熱等迭代計(jì)算函數(shù)；而后處理模塊包含數(shù)據(jù)清理、數(shù)據(jù)后處理以及程序終止。同時(shí)，瞬態(tài)計(jì)算模塊也被拆分為熱工流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算、熱構(gòu)件換熱計(jì)算、點(diǎn)堆中子動(dòng)力學(xué)計(jì)算以及一維緩發(fā)中子先驅(qū)核（Delayed Neutron Precursors，DNP）輸運(yùn)計(jì)算等模塊。

1.3.2 實(shí)時(shí)計(jì)算功能

ThorTypography平臺(tái)要求系統(tǒng)分析程序具備實(shí)時(shí)計(jì)算功能，即計(jì)算機(jī)實(shí)際處理耗用時(shí)間與所計(jì)算的物理問(wèn)題時(shí)間保持一致。在進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算功能改進(jìn)之前，須確保RELAP5-TMSR程序計(jì)算速度達(dá)到超實(shí)時(shí)狀態(tài)，這是實(shí)時(shí)計(jì)算改進(jìn)的前提條件。結(jié)合重構(gòu)后的RELAP5-TMSR，參考林萌等［17］給出的實(shí)時(shí)計(jì)算功能實(shí)施方法，改進(jìn)了RELAP5-TMSR實(shí)時(shí)計(jì)算流程，實(shí)時(shí)版本程序RELAP5-TMSR-RT計(jì)算流程如圖3所示。其中，ΔT表示仿真交互時(shí)間步長(zhǎng)，Δt表示RELAP5-TMSR計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)（Δt<ΔT），t表示當(dāng)前計(jì)算的累計(jì)t=∑Δti，T1和T2表示計(jì)算機(jī)當(dāng)前時(shí)間。在每個(gè)仿真交互時(shí)間步開(kāi)始時(shí)，記錄當(dāng)前計(jì)算機(jī)時(shí)間T1，然后進(jìn)行模型求解計(jì)算，判斷當(dāng)前計(jì)算的時(shí)間點(diǎn)t是否達(dá)到仿真交互時(shí)間步長(zhǎng)ΔT。若未達(dá)到，則繼續(xù)推進(jìn)時(shí)間步進(jìn)行模型求解，當(dāng)達(dá)到ΔT后，記錄當(dāng)前計(jì)算機(jī)時(shí)間T2，判斷計(jì)算機(jī)實(shí)際處理耗用時(shí)間(T2-T1)是否達(dá)到仿真交互時(shí)間步長(zhǎng)ΔT，若未達(dá)到，則程序需進(jìn)行休眠等待模式，直至計(jì)算機(jī)處理耗用時(shí)間與仿真交互時(shí)間步長(zhǎng)一致，完成一次實(shí)時(shí)計(jì)算循環(huán)。當(dāng)程序完成全部計(jì)算，滿足計(jì)算結(jié)束條件時(shí)，則自動(dòng)退出計(jì)算循環(huán)，終止運(yùn)行。

圖3 RELAP5-TMSR-RT實(shí)時(shí)計(jì)算流程Fig.3 Flowchart of RELAP5-TMSR-RT real-time calculation

1.3.3 動(dòng)態(tài)交互功能

在基坑施工過(guò)程中，支撐軸力變化并不是單一不變的，其變化波動(dòng)起伏但又存在一定規(guī)律，出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要是由于外部環(huán)境、荷載、及現(xiàn)場(chǎng)施工情況等不斷變化。[6]因此，在整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，應(yīng)對(duì)支撐軸力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并記錄外部環(huán)境、現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度等詳細(xì)信息，結(jié)合所記載信息對(duì)支撐軸力的變化進(jìn)行科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治?，?zhǔn)確的預(yù)測(cè)基坑變形趨勢(shì)并及時(shí)提出預(yù)警，為基坑工程安全施工進(jìn)行有效的指導(dǎo)。

基于EPICS的CA實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議開(kāi)發(fā)了包括數(shù)據(jù)獲取和推送功能的RELAP5-TMSR實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互接口模塊，實(shí)現(xiàn)RELAP-TMSR與ThorTypography建模與仿真平臺(tái)間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。用戶只需要按照規(guī)定的輸入格式編制相應(yīng)的輸入卡，接口模塊將根據(jù)用戶定義的輸入卡內(nèi)容，動(dòng)態(tài)輸出和輸入?yún)?shù)，實(shí)現(xiàn)仿真平臺(tái)仿真參數(shù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集和輸出。

1.3.4 仿真過(guò)程控制功能

盡管RELAP5-TMSR具有重啟（RESTART）功能，但是一旦進(jìn)入計(jì)算循環(huán)，RELAP5-TMSR程序并不能靈活地響應(yīng)控制臺(tái)發(fā)出的運(yùn)行、凍結(jié)、復(fù)位、快照和停止功能，用戶只能等待計(jì)算結(jié)束。因此，需要對(duì)程序進(jìn)行仿真控制流程的改進(jìn)。

對(duì)重構(gòu)后的RELAP5-TMSR進(jìn)行仿真控制流程調(diào)整，如圖4所示。程序啟動(dòng)后在每次循環(huán)過(guò)程中都將接收來(lái)自控制臺(tái)發(fā)出的指令。若控制臺(tái)發(fā)送凍結(jié)指令1（Freeze），則程序凍結(jié)在當(dāng)前位置直至接收下一個(gè)指令；若控制臺(tái)發(fā)送運(yùn)行指令2（Run），則程序進(jìn)入下一個(gè)計(jì)算循環(huán)，首先從外部數(shù)據(jù)庫(kù)動(dòng)態(tài)獲取控制參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，待計(jì)算完成后，再將熱工流體參數(shù)動(dòng)態(tài)輸出給數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行更新，最后進(jìn)入休眠等待程序，完成一次實(shí)時(shí)循環(huán)計(jì)算，等待控制臺(tái)下一個(gè)指令；若控制臺(tái)發(fā)送快照指令3（Snapshot），則程序?qū)⑸梢粋€(gè)重啟文件，并將當(dāng)前數(shù)據(jù)存入重啟文件中；若控制臺(tái)發(fā)送復(fù)位指令4（Reset），則程序調(diào)用重啟文件，將程序恢復(fù)到之前用快照保存過(guò)的狀態(tài)；若控制臺(tái)發(fā)送停止指令5（Stop），則程序?qū)⑼Ｖ惯\(yùn)行。

圖4 RELAP5-TMSR-RT仿真控制流程Fig.4 Flowchart of RELAP5-TMSR-RT simulation control

1.4 控制與保護(hù)系統(tǒng)

RELAP5程序自帶的控制系統(tǒng)建模與仿真功能簡(jiǎn)單有限，不適用于大型復(fù)雜、先進(jìn)的控制系統(tǒng)建模與仿真。因此，通過(guò)集成技術(shù)成熟、功能強(qiáng)大的商業(yè)軟件Matlab/Simulink和開(kāi)源軟件Scilab/Xcos軟件，擴(kuò)展ThorTypography平臺(tái)的控制與保護(hù)系統(tǒng)建模與仿真能力。Matlab/Simulink和Scilab/Xcos采用圖形化建模方式，所建模型邏輯直觀，可讀性強(qiáng)，同時(shí)具有十分豐富的控制功能模塊庫(kù)，可供用戶直接使用或者進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，極大地提升了控制系統(tǒng)建模效率。

同樣地基于CA協(xié)議，通過(guò)進(jìn)一步封裝LabCA接口，實(shí)現(xiàn)Matlab/Simulink和Scilab/Xcos與ThorTypography平臺(tái)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)交互。在仿真系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，Simulink和Xcos通過(guò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)交互接口，讀取IOC實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的RELAP5-TMSR輸出，經(jīng)由內(nèi)部的控制與保護(hù)邏輯計(jì)算處理后，再將熱工流體系統(tǒng)的控制參量寫(xiě)入IOC實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中，以供RELAP5-TMSR讀取調(diào)用。循環(huán)上述流程，直到接收到教控臺(tái)的終止指令，結(jié)束實(shí)時(shí)交互仿真。

1.5 人機(jī)界面

開(kāi)源軟件CSS（Control System Studio）［18］是由EPICS提供的OPI工具之一，用于開(kāi)發(fā)人機(jī)界面。其主要特點(diǎn)包括：基于Java技術(shù)的跨平臺(tái)開(kāi)發(fā)工具；提供豐富的組件可用于動(dòng)態(tài)圖形功能的開(kāi)發(fā)，如實(shí)時(shí)數(shù)值顯示、圖形顏色變化、尺寸和位置變化等；自定義圖形符號(hào)庫(kù)的開(kāi)發(fā)，作為人機(jī)界面的基本圖符，并可反復(fù)使用；自我測(cè)試功能，以預(yù)覽圖形動(dòng)態(tài)效果；可與過(guò)程模型的變量點(diǎn)隨時(shí)進(jìn)行通信連接；與實(shí)時(shí)仿真運(yùn)行環(huán)境保持獨(dú)立，可在仿真模型運(yùn)行期間，在線修改人機(jī)界面。為滿足液態(tài)燃料熔鹽堆建模與仿真平臺(tái)需求，對(duì)CSS源代碼進(jìn)行了重新編譯和功能擴(kuò)展，集成了報(bào)警系統(tǒng)與關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)PostgreSQL，開(kāi)發(fā)了包含數(shù)據(jù)歸檔顯示、報(bào)警監(jiān)控和控制系統(tǒng)操作界面在內(nèi)的人機(jī)界面模塊。

如圖5所示，初步設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了MSRE功率控制界面，仿真過(guò)程中各圖形組件可以通過(guò)接口程序讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中的過(guò)程變量，圖形化實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)主要運(yùn)行參數(shù)值，如控制棒棒位和堆芯功率的變化趨勢(shì)。通過(guò)控制組件按鈕可以觸發(fā)操作信號(hào)，模擬操作員的行為動(dòng)作，如功率調(diào)節(jié)（自動(dòng)或手動(dòng)）、緊急停堆等，以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互控制。此外，設(shè)置了跳轉(zhuǎn)按鈕，便于在各層級(jí)監(jiān)控界面之間進(jìn)行切換。

圖5 MSRE功率控制人機(jī)界面Fig.5 Human-machine interface of MSRE power control

2 建模與仿真平臺(tái)驗(yàn)證

2.1 MSRE建模與仿真

由美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)建造的MSRE是目前世界上唯一成功運(yùn)行的熔鹽堆，在其運(yùn)行期間進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)且保存了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)［19］，這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也成為了目前熔鹽堆系統(tǒng)分析工具開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證的判定依據(jù)。

以MSRE的啟泵、停泵、自然循環(huán)和反應(yīng)性引入實(shí)驗(yàn)作為驗(yàn)證基準(zhǔn)題，對(duì)ThorTypography開(kāi)展了初步驗(yàn)證。驗(yàn)證方案如下：分別單獨(dú)使用RELAP5-TMSR程序和使用仿真平臺(tái)ThorTypography對(duì)以上基準(zhǔn)題進(jìn)行建模與仿真，首先使用RELAP5-TMSR程序針對(duì)以上基準(zhǔn)題進(jìn)行建模和仿真，基準(zhǔn)題中所涉及的中子物理-熱工-控制均由RELAP5-TMSR程序單獨(dú)完成；然后應(yīng)用仿真平臺(tái)ThorTypography對(duì)相同基準(zhǔn)題進(jìn)行再次仿真計(jì)算，其中中子物理-熱工部分由改進(jìn)后的系統(tǒng)分析程序模塊RELAP5-TMSR-RT建模，而控制與保護(hù)邏輯的建模與仿真則由ThorTypography的控制與保護(hù)模塊實(shí)現(xiàn)，二者通過(guò)EPICS/IOC實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)完成實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)交互仿真。仿真完成后，將兩次仿真結(jié)果與MSRE實(shí)驗(yàn)值作比較，評(píng)估所建仿真模型精確性；同時(shí)對(duì)比兩次仿真結(jié)果是否吻合，以驗(yàn)證ThorTypography各子程序模塊間動(dòng)態(tài)交互仿真計(jì)算的正確性；監(jiān)測(cè)記錄針對(duì)各基準(zhǔn)題仿真時(shí)，ThorTypography實(shí)際總的仿真計(jì)算時(shí)間是否與總的物理問(wèn)題時(shí)間保持一致，同時(shí)監(jiān)測(cè)RELAP5-TMSR-RT程序每個(gè)仿真交互時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)計(jì)算機(jī)等待時(shí)間是否大于零，以驗(yàn)證ThorTypography的實(shí)時(shí)計(jì)算功能。RELAP5-TMSR的MSRE節(jié)點(diǎn)圖如圖6所示，主要的建模參數(shù)［20-21］列于表1和表2。

表1 U-233和U-235中子學(xué)參數(shù)Table 1 Neutronics parameters for U-233 and U-235

表2 MSRE主要設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2 Main design parameters of MSRE

圖6 MSRE節(jié)點(diǎn)圖Fig.6 Node diagram of MSRE

各實(shí)驗(yàn)基準(zhǔn)題相關(guān)的控制與保護(hù)有：?jiǎn)⒈煤屯１眠^(guò)程中，控制調(diào)節(jié)一回路熔鹽泵流量，同時(shí)控制控制棒的移動(dòng)，使反應(yīng)堆保持臨界狀態(tài)；自然循環(huán)期間，自然循環(huán)流量邊界條件，由控制與保護(hù)系統(tǒng)輸入；反應(yīng)性引入實(shí)驗(yàn)工況中，通過(guò)調(diào)節(jié)控制棒棒位來(lái)引入相應(yīng)反應(yīng)性值。以上控制與保護(hù)邏輯基于Matlab/Simulink實(shí)現(xiàn)，其中啟泵與停泵的控制與保護(hù)邏輯如圖7所示。Matlab/Simulink控制系統(tǒng)通過(guò)擴(kuò)展的數(shù)據(jù)讀取模塊，從EPICS/IOC實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取當(dāng)前仿真時(shí)間、堆芯功率以及前一時(shí)間步的堆芯功率。其中，熔鹽泵流量由仿真時(shí)間與熔鹽泵流量的函數(shù)關(guān)系插值獲得；為保持啟、停泵過(guò)程中堆芯功率不變，計(jì)算前后時(shí)間步的堆芯功率偏差值，經(jīng)由比例-飽和-積分控制運(yùn)算，轉(zhuǎn)化為需要由控制棒引入的反應(yīng)性值（控制棒棒位也可由控制棒積分價(jià)值換算得到）。以上控制與保護(hù)邏輯計(jì)算結(jié)果，最后通過(guò)數(shù)據(jù)寫(xiě)入模塊返還給數(shù)據(jù)庫(kù)，以供RELAP5-TMSR讀取。

圖7 啟泵、停泵控制與保護(hù)邏輯Fig.7 Control and protection logic of pump start-up and coast-down

2.2 正確性驗(yàn)證

2.2.1 啟泵和停泵實(shí)驗(yàn)

啟泵和停泵實(shí)驗(yàn)是在MSRE裝載U-235燃料運(yùn)行期間開(kāi)展的［22］，由于實(shí)驗(yàn)在反應(yīng)堆零功率工況下進(jìn)行，因此模擬計(jì)算過(guò)程中可以忽略溫度反饋效應(yīng)。啟泵實(shí)驗(yàn)初始時(shí)刻一回路燃料鹽處于靜止?fàn)顟B(tài)，在t=0時(shí)刻，開(kāi)啟一回路燃料鹽泵，燃料鹽流量加速上升，大約8 s達(dá)到額定流量，如圖8所示。由于燃料鹽的流動(dòng)，部分緩發(fā)中子先驅(qū)核也隨之流出堆芯，造成反應(yīng)性損失。損失的這部分反應(yīng)性需要通過(guò)控制系統(tǒng)提升控制棒進(jìn)行補(bǔ)償，以維持堆芯臨界。大約16 s后，當(dāng)一回路中的DNP隨著燃料鹽再次流回堆芯，需要控制棒引入的反應(yīng)性降低，經(jīng)過(guò)幾次波動(dòng)后逐漸穩(wěn)定。

圖8 受保護(hù)啟泵實(shí)驗(yàn)過(guò)程中控制棒引入的反應(yīng)性變化Fig.8 Variation of reactivity inserted during protected pump start-up experiment

停泵實(shí)驗(yàn)初始狀態(tài)一回路燃料鹽流量為額定流量，在t=0時(shí)刻，關(guān)閉一回路燃料鹽泵，燃料鹽流量大約在20 s后降低為零，如圖9所示。堆芯DNP的損失隨著燃料鹽流量的降低而減少，導(dǎo)致反應(yīng)性升高，需要通過(guò)控制棒的下插來(lái)維持堆芯臨界。如圖8、9所示，仿真平臺(tái)ThorTypography實(shí)時(shí)計(jì)算結(jié)果和原有RELAP5-TMSR程序的超實(shí)時(shí)計(jì)算結(jié)果對(duì)比基本一致，并且與ORNL報(bào)告中的MSRE實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。

圖9 受保護(hù)停泵實(shí)驗(yàn)過(guò)程中控制棒引入的反應(yīng)性變化Fig.9 Variation of reactivity inserted during protected pump coast-down experiment

2.2.2 自然循環(huán)實(shí)驗(yàn)

自然循環(huán)實(shí)驗(yàn)是在MSRE裝載U-233燃料運(yùn)行期間進(jìn)行的［23］，反應(yīng)堆初始功率為4.1 kW，控制棒棒位始終保持不變，一回路燃料鹽泵處于關(guān)閉狀態(tài)，僅依靠堆芯進(jìn)出口溫度差導(dǎo)致的自然對(duì)流來(lái)驅(qū)使燃料鹽的循環(huán)流動(dòng)，燃料鹽流量幾乎為零，反應(yīng)堆維持穩(wěn)態(tài)。瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)是通過(guò)逐步增加空氣散熱器的散熱量，待反應(yīng)堆達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)，再進(jìn)行下一步的變化?？諝馍崞魃崃康脑黾訉?dǎo)致堆芯入口處燃料鹽溫度降低，由于燃料鹽和石墨的溫度負(fù)反饋效應(yīng)，堆芯功率上升，進(jìn)而引起堆芯進(jìn)出口溫差增大，一回路自然循環(huán)流量上升。自然循環(huán)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，堆芯功率隨時(shí)間變化如圖10所示。仿真平臺(tái)ThorTypography實(shí)時(shí)計(jì)算結(jié)果和原有RELAP5-TMSR程序的超實(shí)時(shí)計(jì)算結(jié)果對(duì)比基本一致，并且與ORNL報(bào)告中的MSRE實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好。

圖10 自然循環(huán)實(shí)驗(yàn)堆芯功率變化Fig.10 Variation of core power during the natural circulation experiment

2.2.3 反應(yīng)性引入實(shí)驗(yàn)

反應(yīng)性引入實(shí)驗(yàn)是在MSRE裝載在U-233燃料運(yùn)行期間開(kāi)展的［24］，在1 MW、5 MW和8 MW三種不同功率水平工況下，分別階躍引入2.48×10-4、1.9×10-4和1.39×10-4反應(yīng)性，導(dǎo)致堆芯功率急劇上升，進(jìn)而堆芯溫度升高。過(guò)程中由于燃料鹽和石墨的溫度負(fù)反饋效應(yīng)，減緩了堆芯功率達(dá)到峰值前的上升速度，在達(dá)到峰值以后功率開(kāi)始逐漸下降至初始功率水平。反應(yīng)性引入實(shí)驗(yàn)的功率響應(yīng)結(jié)果如圖11~13所示，仿真平臺(tái)ThorTypography實(shí)時(shí)計(jì)算結(jié)果和原有RELAP5-TMSR程序的超實(shí)時(shí)計(jì)算結(jié)果對(duì)比基本一致，與ORNL報(bào)告中的MSRE實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在整體趨勢(shì)上較為符合。

圖11 1 MW條件下階躍引入2.48×10-4反應(yīng)性后功率響應(yīng)Fig.11 Power response after a 2.48×10-4 step insertion of reactivity at 1 MW

圖12 5 MW條件下階躍引入1.9×10-4反應(yīng)性后功率響應(yīng)Fig.12 Power response after a 1.9×10-4 step insertion of reactivity at 5 MW

圖13 8 MW條件下階躍引入1.39×10-4反應(yīng)性后功率響應(yīng)Fig.13 Power response after a 1.39×10-4 step insertion of reactivity at 8 MW

2.3 實(shí)時(shí)性驗(yàn)證

監(jiān)測(cè)記錄仿真平臺(tái)在針對(duì)不同實(shí)驗(yàn)基準(zhǔn)題進(jìn)行仿真測(cè)試時(shí)所耗用的總的實(shí)際仿真時(shí)間，同時(shí)記錄RELAP5-TMSR-RT程序在每個(gè)交互時(shí)間步長(zhǎng)（0.1 s）內(nèi)的等待時(shí)間，與總的物理問(wèn)題時(shí)間共同列于表3。仿真平臺(tái)的實(shí)時(shí)計(jì)算功能改造要求原有程序需具備超實(shí)時(shí)計(jì)算能力。從表3中可以看出，在0.1 s的仿真交互時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)，各基準(zhǔn)題的最小和最大等待時(shí)間大于0 s且小于0.1 s，滿足實(shí)時(shí)計(jì)算功能改造的前提要求。同時(shí)，監(jiān)測(cè)得到的總的實(shí)際仿真時(shí)間與總的物理時(shí)間同步一致，表明仿真平臺(tái)的實(shí)時(shí)計(jì)算功能得以實(shí)現(xiàn)。

表3 實(shí)時(shí)仿真測(cè)試結(jié)果Table 3 Test results of real-time simulation

3 結(jié)語(yǔ)

為滿足液態(tài)燃料熔鹽堆實(shí)時(shí)建模與仿真需求，改進(jìn)了RELAP5-TMSR程序?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)交互功能，擴(kuò)展了可視化控制與保護(hù)系統(tǒng)模塊?；贓PICS架構(gòu)，配置了仿真運(yùn)行支撐環(huán)境，通過(guò)EPICS CA的API，將RELAP5-TMSR-RT系統(tǒng)程序、可視化控制與保護(hù)系統(tǒng)以及圖形化人機(jī)交互界面模塊進(jìn)行集成，開(kāi)發(fā)了適用于液態(tài)燃料熔鹽堆的開(kāi)放式實(shí)時(shí)建模與仿真平臺(tái)ThorTypography。并以MSRE實(shí)驗(yàn)為基準(zhǔn)題，對(duì)仿真平臺(tái)ThorTypography進(jìn)行了正確性驗(yàn)證和實(shí)時(shí)性計(jì)算功能測(cè)試。建模與仿真平臺(tái)計(jì)算結(jié)果與原版的RELAP5-TMSR程序計(jì)算結(jié)果一致并與MSRE實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好，驗(yàn)證了建模與仿真平臺(tái)的正確性；實(shí)時(shí)性測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，建模與仿真平臺(tái)滿足實(shí)時(shí)仿真計(jì)算要求。建模與仿真平臺(tái)ThorTypography適用于液態(tài)燃料熔鹽堆實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)交互仿真，為液態(tài)燃料熔鹽堆設(shè)計(jì)優(yōu)化，運(yùn)行控制，操作培訓(xùn)等提供了有效的支撐工具，具有重要的工程參考價(jià)值。

作者貢獻(xiàn)聲明陳世超負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)建模與仿真平臺(tái)開(kāi)發(fā)及驗(yàn)證，數(shù)據(jù)處理、分析及文章撰寫(xiě)；李銳負(fù)責(zé)軟件技術(shù)支持；左獻(xiàn)迪負(fù)責(zé)研究輔助指導(dǎo)；劉海軍負(fù)責(zé)可視化呈現(xiàn)；虞凱程負(fù)責(zé)提出文章修改建議；程懋松負(fù)責(zé)提出研究思路，文章審閱與修訂；戴志敏負(fù)責(zé)研究方案指導(dǎo)、研究進(jìn)度監(jiān)督以及研究項(xiàng)目資金支持。