[发明专利]一种热管反应堆核功率的控制方法及系统

说明书

本发明公开了一种热管反应堆核功率的控制方法及系统，该方法包括：获取热管反应堆热端温度偏差；将热管反应堆热端温度偏差送入比例积分控制器，得到热管反应堆热端温度控制量；获取热管反应堆热端温度控制量和需求负荷之和，得到需求功率；根据需求功率获取功率偏差；将功率偏差送入比例积分控制器，获取核功率控制量；将核功率控制量转换为旋转鼓给定转速，并将旋转鼓给定转速送到旋转鼓驱动机构，旋转鼓驱动机构驱动旋转鼓以旋转鼓给定转速转动。本发明的目的在于提供一种热管反应堆核功率的控制方法及系统，有利于热管反应堆的稳定运行，并提供多样化控制方式以提高控制系统可靠性，也有利于容错运行，提高热管反应堆的长期可用性。

技术领域

本发明涉及热管反应堆技术领域，尤其涉及一种热管反应堆核功率的控制方法及系统。

背景技术

热管反应堆(Heat Pipe Reactor)是指采用热管替代传统冷却剂回路布置，将反应堆堆芯产生的热量直接传导至能量转换装置的反应堆。热管反应堆具有无冷却剂回路系统，无需泵阀等能动部件，具有高固有安全性、系统设计高度简化、超静音性、运行操作简单等特征，在中小功率应用中具有体较小、重量轻的突出优势，是未来高隐身、高可靠和高智能化特种装备核能源供应的重要堆型选项之一。

热管反应堆产生的能量需借助能量转换装置转换成电能(如热声电发电机、温差发电机等)或转换成机械能(如采用开式布雷顿循环加热空气推动涡轮做功等)。无论哪种能量转换方式，热管反应堆产生的能量总是利用插入堆芯的热管端作为热端，与负载的冷端之间的温差实现能量的传递，如热声电发电机就利用这一温差诱发气体产生自激声振荡，然后利用振荡声能驱动直线发电机发电，温差发电机则利用热电偶不同材料之间的塞贝克效应产生温差电动势发电，开式布雷顿循环则可将空气视为冷端，利用与热管之间温差加热空气，使之膨胀后喷出以产生推力。

在上述应用场景中，用电负荷或推进所需空气流量均可作为热管反应堆的需求负荷，其能量传递都是利用热管端(热端)与负荷(冷端)之间温差实现，因此基于这一共有特性，无论采用哪种能量转换装置，均可对热管反应堆核功率采用统一的控制方式。

文献[1]《基于PI控制的空间堆电功率协同控制策略》(李华琪等.核动力工程，第38卷第5期，2017年10月)。该文献主要针对碱金属冷却、热电偶热电转换的空间堆，研究了反应堆核功率的控制方法，提出了直接令反应堆核功率跟踪电功率输出需求的控制方法，将反应堆核功率与电功率输出需求之间偏差送入比例-积分控制器，产生旋转鼓的转动控制信号，从而改变堆芯反应性，通过这一闭环控制回路使反应堆核功率跟踪需求负荷。

文献[2]《Autonomou Control of Space Reactor Systems：Final Report》(Belle R.Upadhyaya.技术报告，田纳西大学，2007年11月)。该文献同样针对碱金属冷却、热电偶热电转换的空间堆，研究了反应堆核功率的控制方法，采用预测控制方法使反应堆核功率跟踪电功率输出需求，预测控制产生的控制信号同样控制旋转鼓的转动，改变堆芯反应性，使反应堆核功率跟踪需求负荷。

文献[1][2]没有阐述直接采用反应堆核功率跟踪电功率输出需求这一控制方式的合理性，没有分析反应堆核功率控制背后的能量转换过程，仅提出一种控制方式并加以仿真验证，没有探讨其它可行的控制方式。其控制方式实际上忽略了热电转换装置热端和冷端之间的热传递过程，没有根据热传递的特点研究相应的控制方法——需求负荷作为设定值可以快速变化，直接调节反应性跟踪需求负荷会使控制系统动作过于灵敏，难以结合反应堆的热惯性及自稳自调性，共同平稳地调节反应堆核功率。并且，采用反应堆核功率作为反馈控制参量的多样性不足，在核测量系统故障后无法实施正确的控制，可靠性较低，也难以满足空间堆等场合长期无人值守、容错运行的可用性要求。

发明内容