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基于改进BP神经网络实现后处理非均一工况的临界参数预测

孙铭泽 成昱廷 马骁笛 夏兆东 周琦 朱庆福 薛小刚

孙铭泽, 成昱廷, 马骁笛, 夏兆东, 周琦, 朱庆福, 薛小刚. 基于改进BP神经网络实现后处理非均一工况的临界参数预测[J]. 核动力工程, 2023, 44(6): 16-22. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0016
引用本文: 孙铭泽, 成昱廷, 马骁笛, 夏兆东, 周琦, 朱庆福, 薛小刚. 基于改进BP神经网络实现后处理非均一工况的临界参数预测[J]. 核动力工程, 2023, 44(6): 16-22. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0016
Sun Mingze, Cheng Yuting, Ma Xiaodi, Xia Zhaodong, Zhou Qi, Zhu Qingfu, Xue Xiaogang. Prediction of Critical Parameters of Reprocessing Non-uniform Conditions Based on Improved BP Neural-network[J]. Nuclear Power Engineering, 2023, 44(6): 16-22. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0016
Citation: Sun Mingze, Cheng Yuting, Ma Xiaodi, Xia Zhaodong, Zhou Qi, Zhu Qingfu, Xue Xiaogang. Prediction of Critical Parameters of Reprocessing Non-uniform Conditions Based on Improved BP Neural-network[J]. Nuclear Power Engineering, 2023, 44(6): 16-22. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0016

基于改进BP神经网络实现后处理非均一工况的临界参数预测

doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0016
详细信息
    作者简介:

    孙铭泽(1997—),男,硕士研究生,核能科学与工程专业,E-mail: 1163908231@qq.com

  • 中图分类号: TL339

Prediction of Critical Parameters of Reprocessing Non-uniform Conditions Based on Improved BP Neural-network

  • 摘要: 作为后处理厂的关键工艺设备,萃取柱、贮槽经常出现溶液浓度波动工况(即非均一工况),而对其进行临界安全分析时,技术人员假定浓度扩大若干倍来进行保守分析——这虽满足保守性要求,但引入了过多的临界裕量,限制了后处理工艺的处理效率和能力。为解决这些问题,本研究基于改进BP神经网络方法,利用大型蒙特卡罗程序MCNP,针对典型设备结构尺寸完成了随机浓度分布的梯度建模,实现了基于浓度分布预测有效增殖因子(keff)的临界安全分析方法。数据测试结果表明,以本研究方法计算非均一工况keff的结果平均误差为1.82×10−4,损失函数均方差收敛值为3.34×10−6,远小于未改进的模型(2.4450×10−4)。同时与保守方法对比,本研究方法引入的临界裕量为–1.31×10−3,远小于传统方法(0.32951)。结果证明本研究方法在满足保守性的前提条件下,计算结果更精准、更有效,为后处理临界安全分析提供了方法参考。

     

  • 图  1  MCNP下容器建模

    Figure  1.  Container Modeling by MCNP

    图  2  浓度分布示意图

    Figure  2.  Diagram of Concentration Distribution

    图  3  传统BP神经网络计算流程

    Figure  3.  Calculation Flow of Traditional BP Neural Network

    图  4  包含3层隐藏层的BP神经网络示意图

    Figure  4.  BP Neural Network with Three Hidden Layers

    图  5  Relu函数

    Figure  5.  Relu Function

    图  6  100次训练时的训练集、测试集损失变化

    Figure  6.  Loss Changes of Training Set and Test Set after 100 Training Sessions

    图  7  50次训练时的训练集、测试集损失变化

    Figure  7.  Loss Changes of Training Set and Test Set after 50 Training Sessions

    图  8  不含adam的50次训练结果

    Figure  8.  Results of 50 Training Sessions without adam

    表  1  IBP结构

    Table  1.   Structure of IBP

    名称 激活函数 神经元数
    输入层 10
    隐藏层1 Relu 128
    隐藏层2 Relu 32
    隐藏层3 Relu 20
    输出层 $ f\left(x\right)=x $ 1
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    表  2  不同训练次数下损失值

    Table  2.   Value of Loss with Different Trainning Times

    训练次数 训练集损失 测试集损失
    100 1.86×10−5 4.15×10−5
    60 3.64×10−6 5.99×10−6
    50 2.63×10−6 2.36×10−6
    40 2.96×10−6 4.62×10−6
    30 3.48×10−6 8.30×10−6
    20 8.12×10−6 2.65×10−6
    10 1.54×10−5 1.95×10−5
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    表  3  不同实验情况下平均误差与均方差值

    Table  3.   Average Error and MSE of Different Experiments

    实验次数 平均误差 MSE
    1 2.18×10−4 4.76×10−6
    2 1.81×10−4 3.28×10−6
    3 1.70×10−4 2.88×10−6
    4 1.77×10−4 3.15×10−6
    5 1.62×10−4 2.64×10−6
    平均值 1.82×10−4 3.34×10−6
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    表  4  非均一计算、保守方法计算、IBP计算三种方法分别计算非均一工况的结果对比

    Table  4.   Comparison of Results of Non-uniform, Conservative and IBP Calculations under Non-uniform Conditions

    参数 非均一计算 保守方法计算 使用IBP计算
    平均铀浓度/[g(U) ∙ L−1] 43.25 151.38 43.25
    keff 0.33893 0.66844 0.33762
    MCNP计算 $ \mathrm{\sigma } $ 0.00081 0.00183
    3 $ \mathrm{\sigma } $置信区间(99%) [0.33678, 0.34108] [0.66360, 0.67327]
    耗时/s 31 32 0.15
    引入反应性/10−5 0 +32951 −131
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-02-07
  • 修回日期:  2023-03-29
  • 网络出版日期:  2023-12-11
  • 刊出日期:  2023-12-15

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