[發明專利]基于模型降階和數據同化的堆芯功率分布監測方法及系統

有效

• 申請號: 202110671185.9
• 申請日: 2021-06-17
• 公開（公告）號: CN113409975B
• 公開（公告）日: 2022-11-15
• 發明（設計）人: 李慶;龔禾林;陳長;趙文博;于穎銳;彭星杰;宮兆虎;劉琨;周冰燕;劉佳藝;張斌;王冬勇
• 申請（專利權）人: 中國核動力研究設計院
• 主分類號: G21C17/104
• 分類號: G21C17/104;G21C17/12;G21C17/10
• 代理公司: 成都行之專利代理事務所(普通合伙) 51220
• 代理人: 胡曉麗

本發明公開了基于模型降階和數據同化的堆芯功率分布監測方法及系統，該方法包括：獲取當前運行狀態下的堆芯運行狀態參數；確定當前堆芯運行狀態參數的局部參數域；確定局部參數域的離散；利用堆芯物理計算程序和并行計算架構，計算離散的參數集合對應的物理場分布集合；采用模型降階法對物理場分布集合進行降維，得到基函數；讀取堆芯內外探測器讀數，進行響應函數建模；進行基函數系數計算；將當前物理場近似為基函數的線性組合，系數為所求的基函數系數；不斷更新局部參數域，重復以上步驟，實現對反應堆運行狀態下堆芯功率分布的在線監測。本發明實現了高精度、快速度的在線計算，擺脫了背景物理場求解不準確對功率分布重構精度的影響。

技術領域

本發明涉及核反應堆堆芯運行和安全技術領域，具體涉及基于模型降階和數據同化的堆芯功率分布監測方法及系統。

背景技術

核反應堆堆芯功率分布在線監測對保障反應堆堆芯安全、提高核電廠經濟效益具有重要意義。但堆芯功率分布并非一個直接監測量，而是通過對中子通量密度的測量間接測量堆芯功率分布。為了實時測量堆芯中子通量密度，在反應堆堆內或堆外安裝有中子探測器，但這些中子探測器只布置在特定的位置且數目有限，因此若要實現空間連續的功率分布實時監測，研究堆芯功率分布在線重構方法是十分必要的。

堆芯監測系統的核心技術之一是堆芯物理場重構算法，即如何通過有限的堆內外探測器讀數重構出全堆的功率分布。國內外學者對這一問題進行了大量研究，主要分為基于背景物理場分布的重構方法和背景無關的重構方法。

(1)基于背景物理場的重構方法

這類物理場重構方法，在給定的背景(background)物理場分布的基礎上，通過堆內外探測器的實測值，對背景進行修正或擬合，得到實測堆芯功率分布。背景物理場通常由理論計算分布，或前一時刻的實測分布，與當前真實的功率分布存在一定的偏差。這類物理場重構的方法主要有插值擬合法、耦合系數法、數據同化法等。

1)插值擬合法：西屋公司開發的BEACON系統，其物理場的重構則是基于實測和理論計算物理場在實測點的偏差進行樣條函數插值。此外，還有早期發展的權重系數法、普通Kriging法等。

2)耦合系數法：Combustion Engineering公司開發的耦合系數法(CECOR)計算流程簡單且在工程上得到廣泛應用，其核心思想是假設理論計算分布與真實分布差別不大，基本能夠描述物理場的性狀，理論與實際物理場的小量偏差則通過實測結合耦合系數加以修正。Webb對耦合系數法進行了改進，發展出Lagrange乘子法，其計算思想和計算精度與CECOR的差別不大。

3)數據同化法(Data assimilation)：數據同化旨在考慮數據時空分布以及觀測場和背景場誤差的基礎上，在數值模型的動態運行過程中融合新的觀測數據的方法。它是在過程模型的動態框架內，通過數據同化算法不斷融合時空上離散分布的不同來源和不同分辨率的直接或間接觀測信息來自動調整模型軌跡，以改善動態模型狀態的估計精度，提高模型預測能力。數據同化在氣象學、天氣預報、海洋、環境等領域應用于結合有限的測量值和理論值重構物理場研究與應用尤為廣泛。Bryson首先對卡爾曼濾波方法應用于堆芯功率分布的重構進行了嘗試；近些年來，以法國電力公司(EDF)為代表的研究團隊針對不同的數據同化方法應用于堆芯通量、功率重構進行了廣泛研究。最新的研究表明，數據同化方法具備對多源異構探測器測量信息的利用潛力，即能夠綜合利用不同來源、不同精度、不同分布的探測器信息以提高重構精度，但是數據同化方法本身不具備優化探測器分布的能力。此外，對于高維物理場，數據同化需要建模的物理場協方差矩陣維度很高，極大地增加了建模的不確定性和計算成本。

(2)背景無關的物理場重構方法

這類物理場重構算法，無需事先給定參考的物理場分布，二是通過計算數據庫或直接求解控制方程，結合實測值得到實測功率分布。這類算法主要有最小二乘法、諧波展開法以及模型降階數據同化方法等。