船用堆辐射屏蔽优化设计平台开发与验证

李玥航; 于涛; 陈珍平; 甘斌; 鲜希睿; 牛昊轩

doi:10.13832/j.jnpe.2022.01.0208

船用堆辐射屏蔽优化设计平台开发与验证

doi: 10.13832/j.jnpe.2022.01.0208

李玥航^{1, 3,},
于涛^{1, 3, ,},
陈珍平^{1, 3},
甘斌²,
鲜希睿²,
牛昊轩²

1.
南华大学核科学技术学院，湖南衡阳，421001
2.
中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术国家重点实验室，成都，610213
3.
湖南省数字化反应堆工程技术研究中心，湖南衡阳，421001

基金项目: 湖南省教育厅科学研究资助项目（19A422）；湖南省科技人才托举工程（2020TJ-N02）；中国核动力研究设计院资助项目（HT-NPBD-05-2020028）

详细信息

作者简介:
李玥航（1995—），男，在读硕士研究生，主要从事反应堆数值模拟方面研究，E-mail: 1101489917@qq.com

通讯作者:
于　涛，E-mail: yutao29@sina.com

中图分类号: TL328
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出版历程
- 收稿日期: 2020-11-25
- 修回日期: 2021-09-12
- 刊出日期: 2022-02-01

Development and Verification of Radiation Shielding Optimization Design Platform for Marine Reactor

Li Yuehang^{1, 3
,},
Yu Tao^{1, 3
, ,},
Chen Zhenping^{1, 3},
Gan Bin²,
Xian Xirui²,
Niu Haoxuan²

1.
School of Nuclear Science and Technology, University of South China, Hengyang, Hunan, 421001, China
2.
Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory, Nuclear Power Institute of China, Chengdu, 610213, China
3.
Hunan Provincial Digital Reactor Engineering Technology Research Center, Hengyang , Hunan, 421001, China

摘要

摘要: 船用堆对核反应堆屏蔽设计提出了更高的要求，传统辐射屏蔽设计方法及设计软件已不能满足要求。为了得到更加精确的辐射屏蔽设计，本文基于开源的SALOME框架建立了一套集“几何建模-材料建模-屏蔽优化-结果可视化”功能为一体的船用堆辐射屏蔽多目标优化平台——MOSRT。MOSRT平台可实现屏蔽结构三维CAD实体建模、基于遗传算法的辐射屏蔽多目标优化以及屏蔽计算结果剂量场三维可视化。基于Savannah和MRX船用堆模型对MOSRT平台进行了辐射屏蔽优化验证，优化方案与初始方案相比，在剂量、质量、体积方面均得到了良好的优化效果，证明了MOSRT平台初步具备辐射屏蔽优化设计功能，可为船用堆工程及概念屏蔽设计提供辅助设计手段。
- 船用堆 /
- MOSRT平台 /
- 辐射屏蔽 /
- 多目标优化
Abstract: Marine reactor puts forward higher requirements for nuclear reactor shielding design, and the traditional radiation shielding design methods and design software can no longer meet the requirements. In order to obtain more accurate radiation shielding design, this paper establishes a multi-objective optimization platform for radiation shielding of marine reactor-MOSRT, which integrates the functions of “geometric modeling-material modeling-shielding optimization-result visualization” based on the open source SALOME framework. MOSRT platform can realize 3D CAD solid modeling of shielding structure, multi-objective optimization of radiation shielding based on genetic algorithm and 3D visualization of dose field of shielding calculation results. Based on Savannah and MRX marine reactor model, the radiation shielding optimization verification of MORST platform is carried out. Compared with the initial scheme, the optimization scheme has achieved good optimization results in dose, mass and volume. It is proved that MOSRT platform initially has the function of radiation shielding optimization design, which can provide auxiliary design means for marine reactor engineering and conceptual shielding design.
- Marine reactor /
- MOSRT platform /
- Radiation shielding /
- Multi-objective optimization

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图 1 MOSRT平台框架设计

GUI—图形用户界面

Figure 1. MOSRT Platform Framework Design

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图 2 MOSRT屏蔽结构建模模块

Figure 2. MOSRT Shielding Structure Modeling Module

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图 3 MOSRT辐射屏蔽多目标优化方法

Figure 3. Multi-objective Optimization Method for Radiation Shielding of MOSRT Platform

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图 4 MOSRT平台可视化模块

Figure 4. Visualization Module of the MOSRT Platform

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图 5 Savannah反应堆初始屏蔽模型

Figure 5. Initial Shielding Model of the Savannah Reactor

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图 6 Savannah反应堆初代种群和200代种群收敛结果

紫色圆圈—该代种群；蓝点—“剂量-体积”的投影；绿点—“剂量-质量”的投影；红点—“质量-体积”的投影；Pareto前沿面—最优集在空间上形成的曲面

Figure 6. Convergence Results of the Initial Population and the 200th Generation Population of the Savannah Reactor

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图 7 MRX反应堆模型三目标优化结果

红色圆圈—200代种群；蓝色圆圈—“剂量-质量-体积”综合最优方案　　　　

Figure 7. Triple-objective Optimization Results of MRX Reactor　　　　　

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表 1 Savannah反应堆的初始屏蔽参数

Table 1. Initial Shielding Parameters of the Savannah Reactor

屏蔽层编号	外半径/cm	材料类型	材料密度/(g·cm⁻³)
1	88.30	H₂O	1.00
2	90.80	S-S	7.92
3	96.50	H₂O	1.00
4	101.60	S-S	7.92
5	113.50	H₂O	1.00
6	116.00	S-S	7.92
7	123.60	H₂O	1.00
8	138.80	S-S	7.92
9	148.80	Air	0.0012
10	149.80	S-S	7.92
11	232.60	H₂O	1.00
12	234.10	S-S	7.92
13	235.60	Pb	11.35

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表 2 多目标优化解集的目标函数值

Table 2. Objective Function Values for the Multi-objective Optimization Solutions

优化方案编号	无量纲化目标值			目标函数值
优化方案编号	f_R(X)	f_W(X)	f_V(X)	F_R(X)/[(μSv/h)/(n/s)]	F_W(X)/g	F_V(X)/cm³
初始方案	1.0000	1.0000	1.0000	7.5828×10⁻¹³	5.3858×10⁷	2.9226×10⁷
1	0.3824	0.6103	0.3951	2.8995×10⁻¹³	3.2872×10⁷	1.1547×10⁷
2	0.7080	0.6076	0.4390	5.3687×10⁻¹³	3.2723×10⁷	1.2831×10⁷
3	0.1997	0.6692	0.4158	1.5141×10⁻¹³	3.6041×10⁷	1.2152×10⁷
4	0.1488	0.9868	0.3912	1.1282×10⁻¹³	5.3149×10⁷	1.1434×10⁷
5	0.0230	0.8508	0.5601	1.7471×10⁻¹⁴	4.5822×10⁷	1.6368×10⁷
6	0.6617	0.6999	0.3740	5.0172×10⁻¹³	3.7694×10⁷	1.0932×10⁷
7	0.0039	0.9857	0.5164	2.9382×10⁻¹⁵	5.3087×10⁷	1.5093×10⁷
8	0.3580	0.5911	0.4844	2.7148×10⁻¹³	3.1835×10⁷	1.4157×10⁷
9	0.0024	0.9348	0.6113	1.7944×10⁻¹⁵	5.0347×10⁷	1.7866×10⁷
10	0.3773	0.6565	0.3832	2.8609×10⁻¹³	3.5359×10⁷	1.1199×10⁷
11	0.0534	0.7885	0.4751	4.0457×10⁻¹⁴	4.2468×10⁷	1.3886×10⁷
12	0.0106	0.9648	0.5105	8.0152×10⁻¹⁵	5.1960×10⁷	1.4919×10⁷
13	0.5404	0.5243	0.5316	4.0979×10⁻¹³	2.8236×10⁷	1.5537×10⁷
14	0.1660	0.6513	0.5067	1.2587×10⁻¹³	3.5079×10⁷	1.4809×10⁷
15	0.0112	0.9529	0.4586	8.5181×10⁻¹⁵	5.1321×10⁷	1.3404×10⁷
16	0.9798	0.5839	0.3777	7.4299×10⁻¹³	3.1447×10⁷	1.1039×10⁷
17	0.9528	0.6028	0.4204	7.2250×10⁻¹³	3.2466×10⁷	1.2287×10⁷
18	0.2715	0.8554	0.3976	2.0586×10⁻¹³	4.6070×10⁷	1.1622×10⁷
19	0.0498	0.8820	0.4851	3.7763×10⁻¹⁴	4.7501×10⁷	1.4178×10⁷
20	0.0829	0.6738	0.4859	6.2885×10⁻¹⁴	3.6288×10⁷	1.4200×10⁷

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表 3 多目标优化方案屏蔽设计参数

Table 3. Shielding Design Parameters for Multi-objective Optimization Scheme

屏蔽层	6号方案			9号方案			13号方案
屏蔽层	外径/cm	材料类型	密度/(g·cm⁻³)	外径/cm	材料类型	密度/(g·cm⁻³)	外径/cm	材料类型	密度/(g·cm⁻³)
1	85.33	B-PE	1.22	84.74	B-PE	1.22	93.68	B-PE	1.22
2	85.67	Be	1.85	90.53	C-S	7.82	97.68	C-S	7.82
3	100.78	B-PE	1.22	94.72	Be	1.85	102.87	Be	1.85
4	104.06	Pb	11.35	103.73	B-PE	1.22	109.13	B-PE	1.22
5	106.46	Be	1.85	105.98	Pb	11.35	109.45	Pb	11.35
6	115.49	S-S	7.92	106.57	Be	1.85	115.48	Be	1.85
7	121.38	B-PE	1.22	116.13	S-S	7.92	117.58	B-PE	1.22
8	124.05	B-S	7.70	125.67	B-PE	1.22	119.46	B-S	7.70
9	130.27	B-PE	1.22	131.71	B-S	7.70	127.24	B-PE	1.22
10	131.44	W	19.35	138.11	B-PE	1.22	132.58	W	19.35
11	134.04	Gd	7.90	153.05	W	19.35	133.16	Gd	7.90
12	134.89	B-PE	1.22	157.26	Gd	7.90	141.25	B-PE	1.22
13	—	—	—	158.71	B-PE	1.22	—	—	—
注：“—”表示无数据

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表 4 MRX反应堆辐射屏蔽优化方案目标值

Table 4. Target Value of Radiation Shielding Optimization Scheme for MRX Reactor

方案	体积/cm³	中子剂量率/(μSv·h⁻¹)	光子剂量率/(μSv·h⁻¹)	总剂量率/(μSv·h⁻¹)	质量/10⁷g
初始方案	1.57639×10⁷	2.65	3.71	6.36	4.471
剂量率最小方案	1.35962×10⁷	0.55	0.18	0.73	3.761
质量最小方案	1.45129×10⁷	1.92	3.47	5.39	2.873
体积最小方案	1.15783×10⁷	3.13	1.84	4.97	3.730
“剂量-质量-体积” 综合最优方案	1.34687×10⁷	1.53	2.23	3.76	3.562

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表 5 MRX初始方案与剂量最优方案径向尺寸对比

Table 5. Comparison of Radial Dimensions between MRX Initial Scheme and Dose Optimal Scheme

初始方案材料	优化方案材料	初始方案厚度/cm	优化方案厚度/cm
S-S	S-S	15.00	10.42
H₂O	H₂O	10.00	24.61
S-S	S-S	5.00	8.46
Air	S-S	10.00	5.81
S-S	H₂O	5.00	20.32
H₂O	S-S	10.00	8.79
S-S	Air	47.00	10.56
H₂O	S-S	68.00	7.82
S-S	S-S	10.00	3.37

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参考文献(10)

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