钍基熔盐堆棒控棒位系统及功率控制系统研究

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1、密级:博士学位论文钍基熔盐堆棒控棒位系统及功率控制系统研究作者姓名汪全全指导教师李勇平研究员中国科学院上海应用物理研究所学位类别工学博士学科专业核技术及应用培养单位中国科学院上海应用物理研究所2015年5月ResearchonTMSRRodControlandRodPositioningSystemandNuclearPowerControlSystemByQuanquanWangADissertationSubmittedtoGraduateUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentofthereq

2、uirementForthedegreeofDoctorinNuclearTechnologyandApplicationShanghaiInstituteofAppliedPhysics,CASMay，2015IIIVVI摘要摘要本文工作依托中国科学院上海应用物理研究所“未来先进裂变核能”之钍基熔盐核能系统TMSR项目，主要开展棒控棒位系统的研究及其数字化实现以及基于此系统的反应堆功率控制系统的仿真研究。随着通信技术与计算机技术的发展，反应堆控制系统逐渐由模拟方案向全数字化方案转变。棒控棒位系统作为TMSR控制系统的重要组成部分，其全数字化方案由西门子可编程控制器(P

3、LC)和ABBPLC来实现，前者已成功应用于TMSR项目前期的控制棒试验台架的工程研究中，后者拟用于将来的功率控制系统样机研发中。研究工作主要是西门子PLC方案设计及其在控制棒试验台架中的细节实现，包括其硬件系统的配置，软件系统的设计及系统可靠性的分析；其次是针对ABBPLC实现TMSR控制棒的棒控与棒位功能的实验室开发与应用。西门子数字化方案的硬件系统以标准的S7-400H冗余CPU层和双通道ET200M分布式I/O站来实现，同时为分布式I/O站配置有专用的西门子冗余电源模块，多层冗余配置从硬件上极大地提高了系统的可靠性。FM353作为西门子PLC的步进控制模块与控制

4、棒驱动机构(CRDM)的步进电机驱动器连接，完成控制棒各种模式下的正常运动功能，FM350作为计数器模块与各路位置传感器-旋转变压器连接，实现控制棒的位置、速度、加速度监测等功能，二者均位于ET200M分布式I/O站上。棒控棒位系统的PLC层软件设计基于西门子组态工具Step7来实现。在冗余CPU的操作系统管理下，冗余CPU系统的软件设计与单CPU系统一样，其主程序的同步更新均会自动完成。设计棒控系统的软件功能主要体现在三个方面：FM353多种控制模式的具体实现，棒控系统与上层EPICSIOC终端控制命令与反馈信息的交换以及整个棒控PLC系统的状态监视与错误处理。棒位系

5、统仅涉及到棒位信息的数据处理，暂不考虑来自远程控制终端的命令。ABBPLC系统作为棒控棒位系统的第二套方案及功率控制系统的拟用数字化方案，其硬件配置采用比西门子S7-400H系统冗余度更高的CPU层和冗余的PROFIBUSDP分布式从站的AC800M冗余方案，电源同样采用冗余配置。本文VII对此进行了相关的实验室研究。ABBPLC系列的CD522模块兼有控制器与计数器功能，故其具有棒控与棒位的基本功能，能独立实现棒控棒位的闭环控制。可靠性是一般反应堆工程设计中的重要考虑因素，在可靠性工程的研究基础上，本文对西门子PLC方案和ABBPLC方案中的棒控系统与棒位系统均进行了

6、硬件系统级可靠性分析，为TMSR中硬件系统的可靠度与失效率计算提供了一种简化方法。本论文最后对基于控制棒驱动机构及棒控棒位系统的核功率控制系统进行了PID仿真研究，得到了相关的的控制参数集，期待下一步应用于TMSR功率控制系统样机中。关键词：钍基熔盐堆，控制棒驱动机构，棒控棒位系统，西门子PLC，ABBPLC，可靠性，冗余VIIIAbstractAbstractUnderthesupportofthe“FutureAdvancedNuclearFissionEnergy”--Thorium-basedMolten-SaltReactor(TMSR)”projectofS

7、hanghaiInstituteofAppliedPhysics,ChineseAcademyofSciences,Thisthesisfocusedonthepreliminaryresearchandfully-digitizedimplementationofControlRodDriveMechanism(CRDM)controlsystem—RodControlandRodPositioningSystem(RCRPs)andthesimulationstudyofthePowerControlSystem(PCS)inTMSR