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基于径向基代理模型与小生境遗传算法的铅铋反应堆堆芯智能优化

李琼 刘紫静 王维嘉 赵鹏程 于涛 常浩彤

李琼, 刘紫静, 王维嘉, 赵鹏程, 于涛, 常浩彤. 基于径向基代理模型与小生境遗传算法的铅铋反应堆堆芯智能优化[J]. 核动力工程, 2022, 43(6): 93-100. doi: 10.13832/j.jnpe.2022.06.0093
引用本文: 李琼, 刘紫静, 王维嘉, 赵鹏程, 于涛, 常浩彤. 基于径向基代理模型与小生境遗传算法的铅铋反应堆堆芯智能优化[J]. 核动力工程, 2022, 43(6): 93-100. doi: 10.13832/j.jnpe.2022.06.0093
Li Qiong, Liu Zijing, Wang Weijia, Zhao Pengcheng, Yu Tao, Chang Haotong. Intelligent Optimization of Lead-bismuth Reactor Core Based on Radial Basis Function Surrogate Model and Niche Genetic Algorithm[J]. Nuclear Power Engineering, 2022, 43(6): 93-100. doi: 10.13832/j.jnpe.2022.06.0093
Citation: Li Qiong, Liu Zijing, Wang Weijia, Zhao Pengcheng, Yu Tao, Chang Haotong. Intelligent Optimization of Lead-bismuth Reactor Core Based on Radial Basis Function Surrogate Model and Niche Genetic Algorithm[J]. Nuclear Power Engineering, 2022, 43(6): 93-100. doi: 10.13832/j.jnpe.2022.06.0093

基于径向基代理模型与小生境遗传算法的铅铋反应堆堆芯智能优化

doi: 10.13832/j.jnpe.2022.06.0093
基金项目: 国家自然科学基金青年项目(12005097);中央军委装备发展部预研项目(6142A07190106);湖南省自然科学基金青年项目(2020JJ5465);湖南省教育厅优秀青年项目(19B494);湖南省研究生科研创新项目(CX20220991)
详细信息
    作者简介:

    李 琼(1996—),女,硕士研究生,现主要从事反应堆优化方法研究,E-mail: liqiong3646@163.com

    通讯作者:

    刘紫静,E-mail: liuzijing1123@163.com

  • 中图分类号: TL334

Intelligent Optimization of Lead-bismuth Reactor Core Based on Radial Basis Function Surrogate Model and Niche Genetic Algorithm

  • 摘要: 为解决铅铋反应堆多因素耦合影响下的复杂非线性多维优化问题,构建了基于径向基(RBF)代理模型预测、正交拉丁超立方抽样(OLHS)和小生境遗传算法(NGA)寻优的堆芯智能优化方法,开发了包含抽样、蒙卡程序耦合处理、堆芯参数预测寻优等功能的铅铋反应堆设计优化平台,并以堆芯最小燃料装载量为优化目标进行方案寻优验证。研究结果表明:RBF代理模型可准确快速地预测铅铋反应堆堆芯特性参数,与蒙卡程序计算值比较,其预测的堆芯有效增殖因子(keff)相对误差在±0.1%以内;该智能优化方法应用于铅铋反应堆堆芯优化是可行的,能找到多因素共同变化约束下的最优目标方案,且极大缩减了设计方案的搜索计算时间。本研究建立的堆芯智能优化方法可为铅铋反应堆多物理、多变量、多约束耦合影响的优化设计提供思路。

     

  • 图  1  标准K折交叉验证法(K=10)流程图

    Figure  1.  Flow Chart of Standard K Fold Cross Validation Method ( K=10 )

    图  2  NGA寻优流程

    Figure  2.  NGA Optimization Process

    图  3  基于RBF代理模型、OLHS和NGA的堆芯智能优化方法      

    Figure  3.  Core Intelligent Optimization Method Based on RBF Surrogate Mmodel, OLHS and NGA

    图  4  简化后堆芯截面图

    Figure  4.  Simplified Core Section

    图  5  简化后燃料组件

    Figure  5.  Simplified Fuel Assembly

    图  6  简化后燃料棒

    Figure  6.  Simplified Fuel Rod

    图  7  RBF代理模型构建流程图

    Figure  7.  Construction Flow Chart of RBF Surrogate Model

    图  8  3种核函数构建的代理模型拟合相对误差随散布常数的变化情况

    Figure  8.  Variation of Fitting Relative Error with Dispersion Constant of Surrogate Models Constructed by Three Kernel Functions

    图  9  散布常数取值范围内RMSE变化情况

    Figure  9.  RMSE Variation within the Value Range of Dispersion Constant

    表  1  常用RBF核函数

    Table  1.   Commonly Used RBF Kernel Functions

    核函数类型表达式
    线性函数$\varphi \left(x,{x}_{_{i}}\right)={\sigma }_{{\rm{r}}}\left\|x-{x}_{_{i}}\right\|$
    高斯函数$\varphi \left(x,{x}_{_{i}}\right)={\rm{exp} }(-{\left\|x-{x}_{_{i}}\right\|^{2}}/2{ {\sigma }_{{\rm{r}}} ^{2}})$
    多项式函数$\varphi \left(x,{x}_{_{i}}\right)={\left({\sigma }_{{\rm{r}}}+\left\|x-{x}_{_{i}}\right\|\right)}^{n}$
    样条函数$\varphi \left(x,{x}_{_{i}}\right)={\left\|x-{x}_{_{i} }\right\|^{2}}\mathrm{log}\left({\sigma }_{ {\rm{r} } }{\left\|x-{x}_{_{i} }\right\|^{2}}\right)$
    多二次函数$\varphi \left(x,{x}_{\boldsymbol{{i}}}\right)=\sqrt{\left({ {\sigma }_{{\rm{r}}} ^{2}}+{\left\|x-{x}_{_{i}}\right\|^{2}}\right)}$
    逆多二次函数$\varphi \left(x,{x}_{_{i}}\right)={\left({ {\sigma }_{{\rm{r}}} ^{2}}+{\left\|x-{x}_{_{i}}\right\|^{2}}\right)}^{-1/2}$
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    表  2  SPALLER-4设计参数

    Table  2.   Design Parameters of SPALLER-4

    设计参数参数值
    热功率/MW4
    换料周期/EFPY10
    燃料装载量/kg577.89
    活性区高度/cm80
    燃料中Pu的质量分数/%31/48(内/外)
    固体慢化剂厚度/cm3.5
    栅径比1.2
    燃料棒内径/cm0.6
    燃料材料PuN-ThN
    冷却剂材料208Pb-Bi
    反射层材料208Pb-Bi
    屏蔽层材料B4C
    固体慢化剂材料BeO
    燃料棒包壳材料HT-9
    燃料棒气隙填充物He
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    表  3  SPALLER-4优化变量取值区间

    Table  3.   SPALLER-4 Optimization Variable Value Interval

    设计参数优化后取值区间
    活性区高度/cm[30, 150]
    燃料中Pu的质量分数/%[25, 50]
    固体慢化剂厚度/cm[0, 20]
    栅径比[1.01, 1.5]
    燃料棒内径/cm[0.2, 0.6]
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    表  4  RBF代理模型预测结果与蒙卡程序RMC计算值对比       

    Table  4.   Comparison between Predicted Results of RBF Surrogate Model and RMC Calculated Values of Monte Carlo Program

    参数名参数值
    第1组第2组第3组第4组第5组
    固体慢化剂厚度/cm4.49534.89644.79914.86425.2025
    Pu的质量分数/%49.460848.270547.747449.800847.7586
    燃料芯块半径/cm0.20720.20840.23940.22280.2370
    堆芯活性区高度/cm96.094595.255692.267182.742497.9885
    栅径比1.11671.26551.28641.21991.1223
    第三年keffRBF预测值0.98360.98350.99750.97530.9957
    RMC计算值0.98310.98300.99770.97560.9952
    相对误差/%0.05090.0509−0.0200−0.03080.0502
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    表  5  SPALLER-4优化方案

    Table  5.   Optimization Scheme of SPALLER-4

    设计方案优化参数
    固体慢化剂厚度/cm4.8256
    燃料中Pu的质量分数/%49.9995
    燃料芯块半径/cm0.2083
    堆芯活性区高度/cm97.8064
    栅径比1.0753
    堆芯初始keff1.0338
    第三年的keffRBF预测值1.0010
    RMC计算值1.0005
    相对误差/%0.0475
    换料周期/EFPY3
    燃料装载量/kg86.0881
    燃料包壳最大温度/℃576.7063
    燃料芯块中心温度/℃923.3051
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-11-22
  • 修回日期:  2022-01-06
  • 刊出日期:  2022-12-14

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