先进小型反应堆技术现状及未来发展趋势研究

我国实验快堆技术及存在的问题陈俊豪核科学与技术学院摘要：随着核能发展和应用，核反应堆的可靠性、安全性和经济性等不断改进和提高。

为迎接21世纪核能的发展，美国于2000年提出了第四代先进核能系统，包括六种有应用前景的核反应堆系统，其中有三种是快堆。

我国已经开始工程技术发展的钠冷快堆就是其中一种。

我国快堆技术历经上世纪60年代中后期起的基础研究，纳入国家八六三高技术计划后的应用基础研究，正在建造65MW中国实验快堆，该堆计划于2009年首次临界。

我国钠冷快堆的技术路线和发展目标与第四代先进核能系统的发展目标是一致的。

钠冷快堆是当今唯一现实的核燃料增殖的堆型，发展快堆利相关的燃料循环可将铀资源的利用率从单单发展压水堆的1%左右提高到60～70%。

快堆是我国核能可持续人规模安全供应和替代化石燃料、减少C02排放的关键堆型。

关键词：中国实验快堆发展现状存在问题1 引言我国的核电虽刚进入起步阶段, 但随着核电的发展, 铀资源的要求将不断增加。

然而铀资源是有限的, 天然铀中235U 只占0. 71 %左右, 必须要在发展压水堆核电站的同时将快中子增殖堆(快堆) 技术发展起来, 用这种堆型快速增殖核燃料, 使核电容量增长无燃料匮乏之忧。

核电站的发展将逐渐积累起长寿命稀有锕系核素, 这些放射性物质要衰变三、四百万年才能达到天然铀的水平, 绝非常规包装、埋藏所能安全处置的, 较现实的方法是放在快堆中当作燃料烧掉, 使之变成一般裂变产物。

因此把快堆技术发展起来可以消除发展核能的环境影响之虑。

上述快堆的两大用途, 决定了快堆在闭式钚2铀燃料循环中的重要地位。

现在, 我国快堆技术正在国家高技术‘863’计划的领导下进行开发, 作为快堆工程发展的第一步。

在第四代核能国际论坛提出的6种堆型中，有3种是快堆。

快堆是未来核电站的发展方向。

我国目前正在建设实验快堆，示范快堆电站建设也在积极准备，技术路线为钠冷快堆。

我国钠冷快堆的技术选择和战略目标与第四代先进核能系统的目标要求总体上是一致的，而高增殖能力更符合我国需要。

秸秆生物反应堆应用原理及现状一、秸秆生物反应堆研究的依据和原理所渭秸秆生物反应堆技术，就是采用生物技术，将秸秆转化为作物所需要的二氧化碳、热量、生防效应、矿质元素、有机质等，进而获得高产、优质、无公害的农产品。

该项技术的实施，可加快农业生产要素的有效转化，使农业资源多层次充分再利用，农业生态进入良性循环。

秸秆反应堆的技术原理是：植物光合吸收二氧化碳和水形成的秸秆，通过加入微生物菌种、催化剂和净化剂，在通氧的条件下定向重新产生二氧化碳、水、热和矿质元素，在这个过程中又产生出大量的抗病虫的菌孢子，再通过一定的工艺设施，提供给作物，使作物更好地生长发育。

这样植物光合合成有机物，微生物氧化分解有机物，二者在物质转化，重复再利用的过程中构成了一个良性循环的生物圈。

这就是秸秆生物反应堆的依据和原理。

二、秸秆生物反应堆技术效能与作物生长表现（一）技术效能，生物反应堆对作物生长产生四大效应：1.二氧化碳效应可使浓度提高4～8倍，光合效率提高50%以上，水分利用率提高127%以上，肥料利用率提高60%以上。

2.热量效应可使晚秋、冬季、早春20厘米地温增加4～6℃，气温增加2～3℃。

3.生物防治效应可减少发病率80%～96%。

4.有机改良土壤效应可使土壤有机质提高10倍以上，根条数增加136%，根系鲜度增加1.25倍。

在以上四大效应的影响下，农产品上市期提前15～20天，收获期延长30～45天，综合投资成本下降60%，增效65%以上。

结果证明，该技术是一项兼具经济效益、生态效益、社会效益的创新技术。

（二）作物生长表现，在反应堆产生的高浓度二氧化碳条件下，农作物在生理生态、形态结构及化学组成等方面发生了一系列的显著变化：根茎比增大，日增长量加快，生育期提前，主茎变粗，节间缩短，叶片面积增大，叶片变厚，叶色加深，开花结果增加，千粒重显著增高，果实明显增大，个体差异缩小，整齐度提高，果皮着色加深，含糖量升高，口感变甜，抗病虫害能力增强。

月度聚焦•小堆蓝海I O N T H L Y F O C U S美国NuScale小堆技术发展的启示■妥艳洁郝强陆浩然模块化小型堆是当前世界核工业界关注的产业热 点发展方向，包括我国在内的很多国家都在研发推广 不同技术路线的小型堆。

NuScale被美国政府和欧美 核工业界认为是最有商业前景的模块化小型堆，有望 于2020年内完成安全评审,2021年启动首个厂址准备 工作，2023年FC D,预计在2026年前后投运。

在中美 高科技领域竞争日趋激烈的背景下，美国小型堆的技 术革新，以及安全审查方面的创新，值得关注和研究。

模块化小型堆概念的提出纵观世界核反应堆的发展历程,在整个20世纪经 历了一个从小到大的过程，其功率提升降低了单位发 电成本，核电经济性越来越好。

但随着近年来核电安 全受到广泛关注，新建大型商用核电厂设计标准持续 提升，安全系统和设备冗余化，建造成本升高,工期风 险增大，核电经济性持续降低。

在国内，得益于我国30余年不间断的核电建设与 管理经验，强有力的集中统一领导和资源调配等，工程 延期的情况得到有效控制，特别是中核集团“华龙一 号”实现了首堆建设无延期的良好局面。

但随着近年 来电力市场改革不断深化，三代大型堆的经济性优势 正逐步减小。

而美欧等国家由于制造业的空心化，以 及自切尔诺贝利和三里岛核事故后核电建设经验的缺 乏，三代大型核电厂的工程延期、造价飙升成为常 态。

为提升商用核反应堆的经济竞争力，保持核大国 地位，美国能源部提出了模块化小型堆的概念,解决思 路主要是:一是通过精巧的总体设计，对电厂系统大幅 简化，并利用小堆固有安全性高的特点，去除不必要的 系统布置，降低成本;二是在工程方面充分利用模块化制造及施工技术，缩短建设周期，并避免因工程管理问 题出现的延期。

NuScale的主要目标是实现优于三代 大堆的安全性和在发电市场上媲美商用大型堆的经济性。

NuScale小型堆的设计和安审创新1.发展情况NuScale公司成立于20(17年，主要研发团队来自于 美国能源部的爱达荷国家实验室和俄勒冈州立大学核 研究室。

核电技术〈世界小型核电反应堆现状及发展概况〉(刘志铭　丁亮波)　《国际电力》　20051№6小型反应堆按技术路线的不同大致可分为轻水堆、高温气冷堆、液态金属冷却快中子反应堆和熔盐反应堆四大类。

文章描述了目前核电反应堆容量的状况,分析了小型化反应堆的现状和发展趋势,简要叙述了大型反应堆与小型反应堆的用途区别,并阐述了小型反应堆所具有的某些优势,及多个国家正在开发的小型核电反应堆的特点和状况。

〈现阶段我国核电发展的堆型选择〉(顾军扬　石文报)　《中国电力》　20061№1针对当前我国加快核电发展形势下核电堆型选择的问题,分析核电面临的形势、世界上可选核电堆型的主要技术特点和未来核电技术发展趋势,提出建议:应运用市场化运作方式,选择并引进一种G W 级先进型压水堆作为我国核电发展的主力堆型是现阶段堆型选择的首选方案,当务之急是做好自主化依托项目和引进技术的谈判工作;同步推动我国第2代改进型压水堆的设计并启动小批量建设是必要的选择;在引进与消化吸收的基础上,走技术改进和再创新之路,尽快达到世界先进水平才是最终目标。

〈文件编码系统在江苏田湾核电站设计工作的应用〉(康　慧)　《电力勘测设计》　20051№6在核电厂建设期间,将产生大量的各种类型的文件,江苏田湾核电站的业主为了加强对文件分类、归档、识别、检索的管理,要求参与工程建设的所有单位使用文件编码系统。

本文将主要介绍文件编码系统在设计工作的应用。

水电站设计及施工〈堆石材料对牛牛面板坝应力变形的敏感性分析〉(曹艳辉　常晓林)　《湖北水力发电》　20051№4采用不同的堆石材料参数用三维非线性有限单元法对牛牛混凝土面板堆石坝施工期和蓄水期的应力、变形进行了敏感性分析,提出了该坝进一步优化设计的建议。

〈土石坝施工仿真模拟中坝面填筑系统的初步研究〉(李　翔　李玉珠)　《水电站设计》　20051№4阐述了坝面填筑系统在土石坝施工仿真模拟中的作用、仿真原理及约束条件,对土石坝施工仿真中气象广西电力建设科技信息2006年第1期(总114期)科技期刊文摘27。

我国核电发展现状及未来发展趋势标题：我国核电发展现状及未来发展趋势引言概述：核能作为一种清洁、高效的能源形式，对于我国的能源结构调整和可持续发展具有重要意义。

本文将从我国核电的现状出发，分析其发展的五个大点，并探讨未来核电的发展趋势。

正文内容：1. 核电的发展历程1.1 历史背景：介绍我国核电的起源和发展背景。

1.2 发展阶段：概述我国核电的发展阶段，包括建设初期、高速发展期和战略调整期。

2. 核电的现状2.1 发电能力：介绍我国核电的总装机容量和发电量，以及核电在能源结构中的比重。

2.2 技术水平：分析我国核电技术的发展水平，包括自主研发的核电技术和引进国外先进技术的情况。

2.3 安全性能：探讨我国核电的安全性能，包括核电站的设计、运行和事故应对能力。

3. 核电的发展优势3.1 资源优势：介绍我国核能资源的丰富性和可再生性。

3.2 环境优势：分析核电作为清洁能源的环境优势，包括减少温室气体排放和降低空气污染。

3.3 经济优势：探讨核电的经济性，包括成本效益和能源供应稳定性。

4. 核电的未来发展趋势4.1 技术创新：展望核电技术的发展方向，包括第四代核电技术和小型模块化反应堆技术。

4.2 安全管理：强调核电的安全管理和事故应对能力的提升，包括设备更新和人员培训。

4.3 国际合作：分析我国核电在国际合作中的地位和作用，包括与其他国家的合作项目和技术交流。

5. 核电的挑战与前景5.1 社会认可：探讨核电在公众中的认可度和安全意识的提高。

5.2 废弃物处理：介绍核电废弃物处理的挑战和解决方案。

5.3 可再生能源发展：分析核电与可再生能源的协同发展，包括风能、太阳能等。

总结：综上所述，我国核电在过去几十年中取得了长足的发展，具备了丰富的资源和先进的技术水平。

未来，核电将继续发挥其在能源结构调整和可持续发展中的重要作用。

然而，核电仍面临着挑战，如社会认可和废弃物处理等问题，但通过技术创新和国际合作，这些问题将逐步得到解决，核电的前景仍然十分广阔。

小型模块化反应堆控制方法综述
张薇薇;何正熙;万雪松;刘方圆;邓科;肖凯;罗懋康
【期刊名称】《四川大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2024(61)2
【摘要】小型模块化核反应堆具有建造周期短、安全性高、运维成本低、适应性强、应用领域广等显著优势,广受世界各国关注,也是我国的战略性需求.发展具有自适应、强鲁棒、高可控和高可信特性的新型控制方法,有效降低甚至消除对控制人
员值守的依赖,是小型模块化核反应堆的一个重要发展趋势.智能化、自动化的反应
堆控制系统通过高效的控制动作来实时跟踪负荷需求,进而有效提高反应堆的稳定性、可靠性和安全性.本文对小型模块化核反应堆控制方法的研究现状进行了综述.
本文首先回顾了基于经典控制理论的传统PID控制方法的原理及其优缺点,然后总
结了当前应用于反应堆控制系统的一些高精度、高效率智能控制方法,如模糊控制、神经网络控制、智能优化控制、复合控制方法等的主要特点.最后,针对当前小型模
块化反应堆控制系统的应用需求和技术难点,本文对智能控制方法的可能发展方向
进行了展望.
【总页数】12页(P1-12)
【作者】张薇薇;何正熙;万雪松;刘方圆;邓科;肖凯;罗懋康
【作者单位】四川大学数学学院;中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重
点实验室;中国核动力研究设计院反应堆燃料及材料重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】O29
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核能科技的未来和发展趋势一、引言核能科技作为一种清洁、高效、可靠的能源类型，一直受到全球能源界的关注和追捧。

随着科技的不断发展，未来核能科技将在哪些方面取得进展？本文将从四个方面探讨核能科技的未来和发展趋势，包括核反应堆技术、燃料循环技术、核废料处理技术以及核能应用技术。

二、核反应堆技术的未来和发展趋势核反应堆作为核能发电的核心设备，其安全性、高效性和可靠性一直是科技工作者们所关注的问题。

在未来，核反应堆技术的发展趋势将围绕着以下几个方面展开：1. 快中子反应堆技术快中子反应堆技术是未来核反应堆技术的一个重要方向。

快中子反应堆技术能够高效地利用铀等燃料，避免核废料的产生，并可利用钚等核素作为燃料。

这一技术的产生需要解决的技术难题包括中子反应截面的测量、循环燃料的设计等。

2. 第四代核反应堆技术第四代核反应堆技术是以增强安全性、增加核能使用效率、减少核废料产生等为目标的核反应堆技术。

以超临界水冷堆、天然循环堆、氦冷金属液化床堆等为代表的第四代核反应堆技术在未来将越来越成熟，它们将成为核能工业的新兴力量。

三、燃料循环技术的未来和发展趋势燃料循环技术是核能工业中的重要组成部分，它能够高效地利用核燃料并减少核废料的产生。

未来燃料循环技术的发展趋势将围绕着以下几个方面展开：1. 高效可靠的处理技术未来燃料循环技术需要寻求一种更加高效可靠的处理技术，此类技术包括了高效的化学分离技术、高效的辐照调控技术等。

这将极大地促进核燃料循环的发展和应用。

2. 液态金属快堆燃料循环技术液态金属快堆燃料循环技术是未来的一个核能科技发展趋势，它可以通过回收和利用钚来缓解铀等燃料的缺乏情况。

同时，应用液态金属快堆燃料循环技术还能减少核废料的产生并提高核燃料的利用效率。

四、核废料处理技术的未来和发展趋势核废料处理技术是一个攸关核能安全性的重要环节。

它能够减少核废料的危害性并提高核能的安全性。

未来核废料处理技术的发展趋势将围绕着以下几个方面展开：1. 新型核废料处理技术新型核废料处理技术将会是未来的一个核科技发展趋势，此类技术包括了安全可靠的核废料贮存和处置技术、高效的放射性核素分离技术、热力学分析和放射性核素超快传输识别、高效的溶液纯化技术等。

Nuclear Science and Technology 核科学与技术, 2020, 8(3), 91-102Published Online July 2020 in Hans. /journal/nsthttps:///10.12677/nst.2020.83011A Review of the Small Modular ReactorJiange Liu, Gang Chen, Jue Wang, Chen Hu, Jia Liu, Xiaohui Zhang2nd Ship Design and Research Institute, Wuhan HubeiReceived: May 25th, 2020; accepted: Jun. 21st, 2020; published: Jun. 28th, 2020AbstractThis paper introduces the meaning, development history and function of small modular reactors (SMRs), and the opportunities and challenges to realize commercial deployment. The technical cha-racteristics, application, operation reliability and economy of SMRs with different types of coo-lants are studied. The method to realize the basic safety functions of SMRs is analyzed. Finally, the research status and future development trend of SMR in the world are summarized.KeywordsSmall Modular Reactor, Coolant, Reactor小型模块化反应堆综述刘建阁，陈刚，王珏，胡晨，刘佳，张晓辉第二船舶设计研究所，武汉湖北收稿日期：2020年5月25日；录用日期：2020年6月21日；发布日期：2020年6月28日摘要本文介绍了小型模块化反应堆(SMRs)的含义、发展历史演变和作用、实现商业部署的机遇和挑战。

2024 年 3月第 61 卷 第 2 期Mar. 2024Vol. 61 No. 2四川大学学报（自然科学版）Journal of Sichuan University （Natural Science Edition ）小型模块化反应堆控制方法综述张薇薇1， 何正熙2， 万雪松1， 刘方圆3， 邓科1， 肖凯2， 罗懋康1（1.四川大学数学学院，成都 610064； 2.中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，成都 610213； 3.中国核动力研究设计院反应堆燃料及材料重点实验室， 成都 610213）摘要: 小型模块化核反应堆具有建造周期短、安全性高、运维成本低、适应性强、应用领域广等显著优势，广受世界各国关注，也是我国的战略性需求.发展具有自适应、强鲁棒、高可控和高可信特性的新型控制方法，有效降低甚至消除对控制人员值守的依赖，是小型模块化核反应堆的一个重要发展趋势.智能化、自动化的反应堆控制系统通过高效的控制动作来实时跟踪负荷需求，进而有效提高反应堆的稳定性、可靠性和安全性.本文对小型模块化核反应堆控制方法的研究现状进行了综述.本文首先回顾了基于经典控制理论的传统PID 控制方法的原理及其优缺点，然后总结了当前应用于反应堆控制系统的一些高精度、高效率智能控制方法，如模糊控制、神经网络控制、智能优化控制、复合控制方法等的主要特点.最后，针对当前小型模块化反应堆控制系统的应用需求和技术难点，本文对智能控制方法的可能发展方向进行了展望.关键词: 小型模块化反应堆； 反应堆控制； PID 控制； 智能控制； 复合控制中图分类号: O29 文献标志码: A DOI : 10.19907/j.0490-6756.2024.020001A review on the control methods in small modular reactorsZHANG Wei -Wei 1， HE Zheng -Xi 2， WAN Xue -Song 1， LIU Fang -Yuan 3，DENG Ke 1， XIAO Kai 2， LUO Mao -Kang 1（1.School of Mathematics ， Sichuan University ， Chengdu 610064， China ； 2.Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory ， Nuclear Power Institute of China ， Chengdu 610213， China ；3.Science and Technology on Reactor Fuel and Materials Laboratory ， Nuclear Power Institute of China ，Chengdu 610213， China ）收稿日期:2023-10-26基金项目: 基于机器学习的复杂系统模型机理数据融合技术研究(SCU ＆DRSI -LHCX -6)作者简介: 张薇薇（1995—）， 女， 河南开封人， 博士研究生， 主要研究方向为人工智能.E -mail: lfyzwscu@ 通讯作者: 何正熙.E -mail: hezhengxi0002@特 约 综 述何正熙，男，中共党员，研究员级高级工程师，长期从事核电站仪表与控制系统相关研究设计工作，申请专利百余件，公开发表论文30余篇，负责制定IEC 国际标准1项、国家标准1项、能源行业标准2项，获省部级二等奖3项、三等奖5项，荣获中核集团彭士禄核动力创新青年人才、中国核能行业协会青年优秀创新人物等荣誉称号.第 61 卷四川大学学报（自然科学版）第 2 期Abstract: Due to the significant advantages such as short construction cycle， high safety performance， low operation and maintainence costs and strong adaptability， the small modular reactors （SMRs） have long been a focus of researchers around the world.Nowadays，it has also become a strategic need of our country.Re‑cently， it has been clear that one of the promising development directions of intelligent control systems of the SMRs lies in the unmanned control systems therein some advanced control methods are applied with high ro‑bustness and reliability.These control systems can track load demand in real-time through efficient control ac‑tions and thus effectively improve the stability， reliability and safety of SMRs.Meanwhile， these systems can also reduce or even eliminate the dependence on operators significantly.In this paper， the mainstream control methods applied in SMRs are briefly reviewed.Firstly，principles and characteristics of the traditional PID control method based on the classical cybernetics are surveyed.Then， some intelligent control methods with higher accuracy and efficiency implemented in the reactor control systems，such as the fuzzy logic inference method， the neural network control method， the compound control method and the composite control method are summarized.Finally， facing to the requirements and technical problems of control systems in the SMRs，some potential research directions of intelligent control methods are prospected.Keywords: Small modular reactor； Reactor control； PID control； Intelligent control； Compound control1　引言随着经济发展和生活水平的不断提高，全球的能源需求持续增长.当前在全球范围内，能源的主要来源依然是煤、石油、天然气等化石能源.这些能源不但污染大，而且在短时间内不可再生［1］，无法满足人类长期可持续的能源需求.因此，发展可再生、安全且清洁的能源技术是解决能源危机的必然选择［2］，核能正是其中一种高效清洁能源［3］.历史上，核反应堆经历了先军用后民用的发展历程.民用反应堆一般通过提升反应堆的功率来降低成本、提高市场竞争力，这就导致核电厂逐渐大型化.另一方面，受到实际功率需求和使用空间的限制，军用核反应堆的功率水平一般远小于民用反应堆，更偏向小型化.相对于大型核反应堆，小型化反应堆普遍采用模块化和一体化设计，并采用非能动安全系统［4-6］，以便有效提高反应堆的安全性和经济性.小型模块化反应堆（Small Modular Reactor，SMR）具有功率密度低、体积小、建造周期短、安全性能高、运行维护成本较低、选址成本低、适应性强、部署灵活性高［7］等显著优势，因而在世界各国得到广泛应用［8-11］.当前，我国对不受环境影响、长寿命且安全可靠的无人化SMR的需求十分迫切.在国家发展改革委、国家能源局发布的《能源技术革命创新行动计划（2016—2030年）》［12， 13］中，明确提出我国将继续深入实施创新驱动发展战略，进一步完善核能领域科技研发体系，重点支持SMR的发展和研究.值得注意的是，美国、日本等国家从上世纪九十年代初［14］就已经对SMR及其应用开展了相当规模的研究，而我国在这方面的研究尚处于起步阶段.在确保安全的前提下，无人化SMR能够摆脱对操控人员的值守依赖，提升反应堆的控制效能，是小型模块化反应堆的重要发展趋势之一.SMR高可用性的关键是避免不必要的停堆和减少换料维修时间.这需要有一套具有足够容错性、鲁棒性的高可靠、自动化控制系统.这些控制系统的设计和运转各有其控制方法和策略，具有不同的效能和应用领域.传统的PID控制方法虽然操作简单灵活，静态特性好，且在工程中已有广泛应用［15］，但该方法仅适用于线性时不变系统的控制［16］.对于核反应堆等复杂非线性系统而言［5］，其本身具有较强的模型和参数不确定性，在运行过程中会受到大量外部干扰，因而传统PID控制方法无法很好地控制和处理这些强不确定因素.近年来，随着控制理论的发展［17］，国内外研究者为提高核反应堆控制系统的性能不断探索新的控制方法，逐渐发展出一些智能化的控制和优化方法，较好地解决反应堆控制系统中普遍存在的强耦合、多变量、长时延及非线性等关键控制问题.在此基础上，出现了一些复合控制方法，如神经网络PID控制、模糊神经网络控制等，进一步融第 2 期张薇薇，等： 小型模块化反应堆控制方法综述第 61 卷合了多种智能控制方法.应用这些智能化控制方法，反应堆可以通过更高效的控制动作来实时跟踪负荷需求，显著提高控制效率和安全性能.在本文中，我们系统总结了当前应用于反应堆控制系统中的一些传统和智能化控制方法，分析了经典PID 控制方法以及智能控制方法的机制、优缺点及研究现状.最后，基于应用需求和问题难点，我们展望了SMR 控制方法的发展趋势和研究方向.2　PID 控制方法PID 控制方法不依赖于控制对象的精确数学模型，而是通过控制变量偏差的变化幅度、累积效果和趋势及控制变量之间的简单相互影响关系等使得控制变量的输出逐渐趋近预期的控制效果.PID 控制方法具有原理清晰易懂、易于工业实现、鲁棒性好等优点.PID 控制方法在核反应堆控制系统中已有普遍应用.汪等［18］采用PID 控制方法实现对钍基熔盐堆核能功率的控制.在合适的PID 参数集下，该方法可以实现控制系统的快速响应、良好系统鲁棒性和抗干扰能力.雍等［19］基于压水堆核电厂蒸汽发生器水位模型分别设计了单PID 控制器、串级PID 控制器及双PID 控制器，并分析了每种控制方案的优缺点.多数反应堆控制系统方案基于经典控制论的单输入单输出闭环串级PID 控制方法，其原理如图1所示.该方法主要考虑系统的外部特性，是对系统的不完全外部描述，适用于单输入单输出、线性、定常、集中参数的对象［16］.PID 控制方法的原理简单［16， 20］，且在反应堆长期运行过程中积累了相当多的参数调节经验，因而当前在工程控制领域具有主导地位.但是，传统的PID 控制方法缺乏自调节能力.这就使得该方法在面对复杂控制对象时的响应速度、超调量等指标难以实现进一步优化，因而在非线性系统中难以获得理想的控制效果.此外，常规的PID 控制系统不能自动地适应反应堆运行环境的复杂变化，在面对复杂工况时仍需要反应堆运行维护人员频繁进行手动操作，持续监督系统重要参数的变化，因而对操作人员的专业能力和心理素质要求较为苛刻，可能影响核动力装置的经济效益和安全可靠性.3　智能控制方法核反应堆系统极其复杂，通常无法用数学模型较好地进行概括和近似，从中提取出理想的控制模型.在这种情况下，神经网络、模糊控制等非解析方法可能具有较为明显的优势.3.1　神经网络控制方法不同于经典PID 控制方法，神经网络控制方法不依赖于数学模型，而是从对象的输入输出数据中学习得到仿真模型，避开人为提取被控对象或设计控制器解析模型这一难题.该方法利用智能方法的预测和优化能力将控制系统的设计问题转化为优化问题.由于其具有自学习、非线性、并行计算和强鲁棒性等特点，在控制领域内得到了广泛应用.肖等［21］针对反应堆堆芯具有非线性、时变性等特点，且经典控制方法难以实现全工况内反应堆功率的良好控制的情况，提出了一种反应堆功率的神经网络预测控制方法.他们以国际革新安全反应堆（IRIS ）为研究对象进行了仿真验证，结果表明该方法可以实现堆芯入口温度扰动和变负荷工况下反应堆功率的良好控制.张等［22］采用核电站的真实监测数据，分别优化了基于时间序列的LSTM 和基于特征再提取的CNN 模型，发现基于上述模型可以有效预测核反应堆堆芯热功率分布.Lu 等［23］以KLT -40S 核反应堆堆芯和蒸汽发生器作为研究对象，建立了基于深度学习的核反应堆系统热工参数预测方法，实现了对核反应堆系统热工参数的快速预测.Xiao 等［24］提出了一种小型压水堆的神经网络预测功率控制方法，以解决目前反应堆控制中采用的预测控制算法模型普遍存在识别精度较低的问题.小型压水堆的堆芯在典型瞬态工况下的仿真结果表明，该方法具有良好的负荷跟踪性能和较强的抗干扰能力.袁等［25］设计了一种神经网络监督控制系统，用于船用一体化压水堆功率的控制， 其中的PID 控制器是反馈控制器，神经网络则是前馈控制器，其结构如图2所示.对压水堆功率控制的仿真结果表图1　单输入单输出PID 控制系统原理Fig.1　Block diagram of the single input and single outputPID control principle第 61 卷四川大学学报（自然科学版）第 2 期明，与传统的PID 控制相比，神经网络监督控制具有较强的鲁棒性和自适应能力，能有效地提高控制精度.经过文献调研，我们认为目前将神经网络控制方法应用于小型反应堆控制系统中主要有3种思路：（1）利用神经网络的自适应、自学习功能优化控制系统的参数；（2）建立描述控制对象输入输出的映射关系（模型），即建立输入与输出之间的神经网络模型；（3）与其他方法相结合形成复合神经网络控制［26］，如与进化算法结合实现反应堆功率控制，与鲁棒控制技术结合实现对蒸汽发生器水位的控制等.这种复合控制方法可以将神经网络和其他智能算法的优势结合起来，有望取得较好控制效果.总之，神经网络不依赖数学模型但可以不断逼近模型的函数，其核心是修改激励命令与对象状态之间的映射来提高控制效果，并对网络连接权重进行优化.相对于传统的PID 控制方法，该方法具有诸多优点，如神经网络具有并行机制、模式识别、记忆和自学习能力的特点，能够学习与适应不确定系统的动态特性，能够充分逼近任意复杂的非线性系统，有很强的鲁棒性和容错性，等.但同时该方法也存在参数选择和优化过程复杂、训练时间长、可解释性差、对数据质量的要求较高等不足.3.2　模糊控制方法模糊控制方法的基本思想是把人的操作经验当作控制模型，把模糊语言、模糊集及模糊推理作为数学工具，将准确测量结果模糊化，再经过模糊推理后准确化，进而实现智能控制.基于被控系统的物理特性，模糊控制能够模拟人的思维方式和控制经验，提供一种基于自然语言描述规则的控制规律的新机制.一般而言，凡是无法或难以建立数学模型的问题都可以通过模糊控制方法来解决［27-30］.模糊控制可以忽略对象的输入输出数据，从获取对象的“知识”这一角度出发来认识被控对象，甚至直接从专家和操作人员的知识和经验中形成“model -free ”控制器.模糊推理是模糊控制方法的核心，具有基于模糊概念的拟人化推理能力.该推理过程基于模糊逻辑中的蕴含关系及推理规则来进行［31］，其控制单元的基本功能结构如图3所示.模糊控制方法在反应堆控制系统中也有应用.Li 和Ruan ［32］比较了模糊控制、PID 控制及自适应模糊控制等控制方法在反应堆控制方面的效果，发现模糊控制与PID 控制相比具有较好的灵活性、鲁棒性，而且先进模糊控制可以动态调整规则库，具有更强的鲁棒性.Kim 等［33］设计了一种用于稳定蒸汽发生器水位的智能模糊控制器，获得了良好的控制效果.Rojas -Ramírez 等［34］提出一种控制反应堆功率调节至设定值的自适应模糊控制系统，通过建立李雅普诺夫函数来保证系统的稳定性，实现反应堆在安全范围内快速调节到设定功率的目的，减少了运行过程中的功率波动.原和黄［35］针对核蒸汽供应复杂系统的控制问题，提出了一种基于T -S 模糊控制器的控制系统.仿真结果表明，该方法比传统的线性PI 控制器具有更好的控制效果.贾等［36］在多用途重水研究堆上研究了功率调节系统的模糊控制，设计了Mamdani 型二维模糊功率控制器.仿真结果显示，其反应堆功率调节系统在采用该模糊控制器后是稳定的，并且负荷跟随特性良好，其控制性能优于经典PID 控制器.综上，在小型反应堆控制系统的应用中，相比PID 控制方法，模糊控制方法无需被控对象的精准数学模型，具有强鲁棒性，且处理过程模仿人的思维，更适用于解决小型反应堆控制过程中非线性、强耦合、时变滞后等方面的问题，并在一定程度上图2　压水堆功率控制系统原理［26］Fig.2　Block diagram of the PWR power control systemprinciple［26］图3　模糊控制单元的基本功能结构Fig.3　Basic functional structure of a fuzzy control unit第 2 期张薇薇，等： 小型模块化反应堆控制方法综述第 61 卷抑制噪声.但是，由于信息的模糊处理容易导致系统的控制精度降低，并且该方法缺乏系统性，无法定义控制目标，因而该方法在小型反应堆的控制应用中需要与其他控制方法结合才能达到更好控制效果.3.3　专家系统控制方法1983年， Astrom ［37］首先将专家系统引入智能控制领域，并于1986年正式提出了专家控制的概念.专家系统可以处理定性、启发式的或不确定的知识信息，通过推理［38， 39］来实现任务目标.基于专家系统发展而来的专家控制方法具有许多领域专家的知识和经验，能够解决专门性问题.该控制方法改变了传统控制方法依赖数学模型的方式，实现了知识模型与数学模型、知识处理技术与控制技术的结合［40， 41］，有利于解决复杂非线性系统的控制难题.按照作用机理，我们可将专家控制系统的结构类型分为直接型专家控制和间接型专家控制两种［42］.直接型专家控制系统直接控制生产过程与被控对象，其原理如图4所示.该控制器的任务和功能相对简单，专家系统直接被包含在控制回路中，直接给出控制信号来控制被控过程.在每一个采样时刻，控制系统均需要专家系统根据知识库规则和测量过程信息推导给出控制信号，因而该类控制系统对推理速度的要求较高.间接型专家控制是常规PID 控制器、自适应控制和专家系统的结合，其控制原理如图5所示.该方法的作用方式是根据系统运行情况调整控制器参数，选择合适的控制方法［41］，以实现优化适应、协调、组织等高层决策的智能控制.间接型控制器可以实现优化、适应、协调、组织高层决策.目前，专家控制与其他控制方法的结合在反应堆控制中更为普遍.陈等［43］针对核电厂系统的故障特征建立了一个专家系统，通过引入Rough 集理论来解决专家系统中的知识获取问题.该方法可以准确诊断系统中的故障问题.彭和余［44］为解决识别核动力装置的故障问题，采用面向对象的模糊Petri 网知识表示方法对专家系统的知识库进行改进.这种改进的专家系统可以准确地识别系统故障.Liao 等［45］开发了一种反应堆冷态功能试验智能专家系统，改变了依靠人工读取、传输和处理数据的传统低信息化测试方法，该系统具有试验过程控制、实时数据采集与结果分析和数据存储等功能.综上，专家控制方法是在控制闭环中加入经验丰富的控制专家，控制系统作为工具可以自行选择各种方法，本质上是对“控制专家”的思路、经验、策略的模拟、延伸、扩展，具有透明度高、灵活性强、知识信息处理系统强等优点.但该方法需要获得专家知识，因而建造通用专家开发工具，并且稳定性和可控性理论分析较难.4　智能优化方法近年来，随着优化理论的不断发展，除了前面提到的模糊控制、神经网络控制等方法之外，还有许多智能优化算法被用于解决反应堆控制系统中的参数优化问题.这些算法主要包括粒子群算法、遗传算法、禁忌搜索算法等.遗传算法（Genetic Algorithm ， GA ）是由密歇根大学的Holland 教授于1962年首次提出的，其基本思想是模拟生物进化中优胜劣汰、适者生存的法则，根据适应度函数衡量解的品质并通过复制、交叉等动作筛选个体，提高群体的适应度，进而迭代得到当前最优，最终得到全局最优［39， 46］.该算法适用于解决非线性、非凸、多峰等复杂函数的优化问题［47， 48］.应用遗传算法，Panda 和Padhy ［49］对核反应堆的电力系统稳定器和输电系统控制器进行了协调控制，给出了各扰动条件下电力系统的非线性仿图4　直接型专家控制系统原理Fig.4　Block diagram of the direct expert control systemprinciple图5　间接型专家控制系统原理Fig.5　Block diagram of the indirect expert control systemprinciple第 61 卷四川大学学报（自然科学版）第 2 期真结果，验证了该方法的有效性.刘等［50］设计了一种反应堆平均温度线性自抗扰控制器，采用遗传算法优化控制器参数，解决了自抗扰控制器参数不易整定的问题.仿真结果表明，该优化方法对控制器参数进行优化是有效的，且具有良好的鲁棒性.Wan和Zhao［51］采用带精英策略的非支配排序遗传算法，对AP1000反应堆轴向功率分步控制系统中冷却剂平均温度（Tavg）通道的超前/滞后时间常数和功率偏差通道的非线性增益进行了多目标优化，以阶跃瞬态时反应堆功率的超调量和Tavg超调量作为最小为优化目标.结果表明，优化后的反应堆功率和Tavg控制效果能够得到明显改善.粒子群优化算法（Partical Swarm Optimiza‑tion， PSO）是Eberhart和Kennedy受到鸟群觅食行为的启发于1995年提出的一种基于群体协作的随机搜索算法［52］.该算法通过个体之间的协同合作寻找适应度最小的最优解.同遗传算法相比，该算法需要调整的参数更少，更易实现.目前，粒子群算法已被广泛应用于反应堆控制系统中函数优化、神经网络训练、模糊系统控制等方面［53］.Wang等［54］采用惯性权重线性递减的粒子群优化算法对AP1000反应堆轴向功率分布控制系统进行了参数优化，优化过程以Tavg控制回路中的超前/滞后时间常数和磁滞回环区间域的上、下限为优化变量，以减小核功率偏差和M棒组的移动步数为目标构建目标函数，同时在目标函数中增加罚函数，以保证在优化过程中所选取的优化变量满足约束条件，并使AO棒组始终在其目标控制带之内.结果表明，优化后的反应堆功率和轴向功率偏差在瞬态过程中的超调量减少、响应速度加快.5　复合控制方法复合控制方法是近年来控制论研究领域的热点之一，它融合了多种智能控制方法，将模糊推理、神经网络、PID控制、智能优化等控制方法交叉融合，以进一步提高控制系统的性能.目前，该方法在实验验证中已经取得了良好的控制效果. 5.1　智能PID控制方法随着控制论、计算机技术相关理论和方法的发展，在传统PID控制方法的基础上，部分研究者将PID控制方法与其他智能控制或优化方法相结合，提出了多种新的PID控制方法.其中比较典型的有神经网络PID控制、模糊PID控制方法以及基于智能优化的PID控制方法，等.5.1.1　神经网络PID控制方法　在小型反应堆控制系统中，PID控制是最常用且不依赖模型的控制方法，其控制效果依赖于比例、积分和微分系数的选取是否准确.但是，反应堆系统的复杂性、模型的不确定性使得比例、积分和微分增益的选取较为困难，进而影响到控制效果.神经网络与PID 控制器相结合的控制方法可以很好地抑制PID控制器所产生的超调问题，提高控制系统的稳定性、可靠性和灵活性.神经网络和PID控制方法相结合主要有以下几种方式：（1）将神经网络作为优化工具在线调整PID控制控制系统的参数；（2）将神经网络与PID控制器连接，通过优化神经网络的连接权值来调整PID控制器的参数；（3）神经网络作为控制器，将PID控制方法融合到神经网络结构中；（4）PID神经网络多变量解耦控制，等.Kong等［55］提出了一种基于径向基函数的神经网络蒸汽发生器液位PID控制策略，通过RBF神经网络对蒸汽发生器的数学模型进行辨识，然后根据过程的特征变化对PID参数进行调整.仿真结果表明，该方法能够根据过程的动态特性自适应优化PID控制器的参数，表明这个控制策略是有效的.肖等［56］为了实现PID控制器参数的在线调节，利用BP神经网络的自适应能力对PID参数进行实时整定，建立了堆芯功率BP神经网络PID 控制系统.仿真结果表明，BP神经网络PID控制方法与传统的PID控制方法相比具有超调量小、响应速度快等优点，控制效果好.Ding［57］提出了一种基于模糊神经网络模型的PID神经网络控制方法，采用模糊神经网络模型和梯度下降法在线调整PID神经网络权值，并将该方法应用于循环流化床锅炉床层温度控制.Govin‑dan和Pappa［58］设计了一种基于反馈线性化在线学习的神经网络自适应控制器，采用基于改进增量规则和投影算法的在线权值调整算法在线调整神经网络卡和PID控制器的参数，以解决高阶点动态压水堆（PWR）在局部、全局负荷跟随和应急工况下功率水平跟踪问题.该方法具有更快的响应速度、较好的自适应性和较小的稳态误差.Liu和Xia［59］针对PID控制器无法对复杂系统进行有效控制的问题，设计了一种基于有监督。

Nuclear Science and Technology 核科学与技术, 2015, 3, 41-47Published Online April 2015 in Hans. /journal/nst/10.12677/nst.2015.32007Current Research Status and Progress ofNuclear Energy Virtual Reactor in Chinaand AbroadYuanlei He, Xiaoyan Li, Yong WangShanghai Nuclear Engineering Research & Design Institute, ShanghaiEmail: heyuanlei@Received: Mar. 30th, 2015; accepted: Apr. 18th, 2015; published: Apr. 27th, 2015Copyright © 2015 by authors and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY)./licenses/by/4.0/AbstractThe latest progress in the field of nuclear energy advanced modeling & simulation is introduced in this paper, in which the meaning of the nuclear virtual reactor or numerical nuclear reactor is re-viewed. A detailed research and introduction about nuclear virtual reactor programs in the United State and Europe, such as CASL, NEAMS and NURESIM are addressed. Based on the research, the key technology and challenge of developing a nuclear virtual reactor are summarized, which can give the support to the further study of the nuclear virtual reactor.KeywordsNuclear Virtual Reactor, CASL, NEAMS, NURESIM, Digital Plant核能数值反应堆国内外研究现状及进展何元雷，李小燕，王勇上海核工程研究设计院，上海Email: heyuanlei@收稿日期：2015年3月30日；录用日期：2015年4月18日；发布日期：2015年4月27日核能数值反应堆国内外研究现状及进展摘要本文介绍了核能先进仿真建模领域的最新进展及数值反应堆的概念，对美国及欧洲针对核能数值反应堆的相关研发项目如CASL、NEAMS、NURESIM等进行了详细的调研，对项目的研究内容、研究方法等进行了阐述，结合国内外的发展情况，总结了核能数值反应堆发展的关键技术和挑战，可为我国开展核能数值反应堆研究提供技术支持。

国际核聚变研究开发的现状和发展趋势_希物目前国际核聚变研究开发正处于高度重要的阶段，核聚变被视为实现清洁、可持续能源的最有前途的途径之一、本文将就国际核聚变研究开发的现状和发展趋势进行详细阐述。

目前，国际核聚变研究开发主要集中在以下两个方面：国际热核聚变实验反应堆（ITER）和其他国内外的小型核聚变研究项目。

ITER是一个国际合作项目，旨在设计和建造一台能够证明核聚变在商业上可行的装置。

ITER计划于2025年开始运行。

该实验反应堆的目标是构建一个可控、稳定的聚变设备，并实现聚变反应释放比吸收能量更多的能量。

ITER计划采用“磁约束聚变”的方法，通过强大的磁场将带电粒子限制在容器中，并加热到高温达到核聚变所需的能量。

除了ITER项目，许多国内外科学家和研究机构也在进行小型核聚变研究项目。

这些项目主要集中在研究和发展新的核聚变装置和技术，以提高核聚变的效率。

例如，美国的国家点火装置（NIF）致力于研究惯性约束聚变（ICF），该方法通过将聚变材料加速并使其碰撞以产生足够的温度和压力来实现核聚变。

与此同时，其他国家也在进行类似的小型核聚变研究项目。

例如，中国的“HT-7U”装置和韩国的“Superconducting Tokamak Advanced Research”装置，都在寻找更先进的磁约束聚变方法和设备。

1.新材料和技术的应用：新材料和技术的应用将促进核聚变研究和开发的进一步发展。

例如，超导技术可以提供更强大的磁场，从而实现更稳定和高效的聚变反应。

2.国际合作与资源共享：国际核聚变研究是一个困难而复杂的过程，需要大量的人力、物力和财力投入。

因此，在国际间合作和资源共享将成为未来发展的重要趋势，以加快核聚变技术的进一步研究和开发。

3.商业化的探索：随着核聚变研究的不断进展，一些私营企业开始将目光投向商业化领域。

这些企业希望将核聚变技术应用于实际的发电设施，并取得经济效益。

尽管核聚变技术商业化仍面临许多挑战，但这是未来的一个有前途的发展方向。

The Status and Prospects of Fast Reactor Technology Development in China 作者： 徐銤
作者机构： 中国原子能科学研究院,北京102413
出版物刊名： 中国工程科学
页码： 70-76页
主题词： 快堆发展战略 增殖堆 燃烧堆 中国实验快堆
摘要：考虑到人口众多，经济快速发展，人民生活水平不断提高，人均能源相对贫乏和环境保护，国家已决策加快核能应用的发展。

采用压水堆一快堆匹配闭式燃料循环达到核能供应的快速增长和可持续性的基本战略已经决定，也决定了分离和用快堆和ADS对高放废物（MA）的嬗变战略。

笔者建议快堆工程发展将分三步进行，中国实验快堆（CEFR，65MWt／
20MWe），中国原型／示范快堆（CEFR／CDFR，大于等于1500MWt/600MWe）和中国经济验证性快增殖堆（CDFBR，1000MWt／1500MWe）。

CPFR的设计研究已于2006年开始目前正处于安装、调试阶段，计划2009年首次临界。

近期讨论建造比600MWeCPFR更大功率的堆作为CDFR，以加速快堆商用的步伐。

快中子反应堆堆芯物理分析方法的研究现状与发展建议
吴宏春;杨红义;郑友琦;曹良志;杜夏楠;杨勇;刘一哲;胡赟
【期刊名称】《原子能科学技术》
【年(卷),期】2024(58)3
【摘要】快中子反应堆在核能可持续发展中扮演着重要角色,是各核强国都在致力发展的重点堆型。

快堆物理计算是快堆核设计的基础,其计算方法的研究和相应计算程序的开发是快堆理论研究和数值模拟技术发展中极其重要的环节。

本文对国内外快堆物理计算方法,特别是近20年来的发展变化进行了系统梳理,以对国内外专用和通用快堆物理计算程序的总结为线索,介绍了快堆物理分析理论体系的发展情况,对其中体现出的一致性特点和最近几年发展的趋势进行了分析,并对我国快堆堆芯物理分析方法的发展给出了建议,为我国快堆物理计算理论的进步和自主化的物理分析软件研发提供参考。

【总页数】16页(P513-527)
【作者】吴宏春;杨红义;郑友琦;曹良志;杜夏楠;杨勇;刘一哲;胡赟
【作者单位】西安交通大学核科学与技术学院;中国原子能科学研究院
【正文语种】中文
【中图分类】TL32
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