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基于机器学习的燃料棒温度分布代理模型构建方法研究

刘振海 齐飞鹏 周毅 李垣明 李文杰 曾未 辛勇 王浩煜 马超

刘振海, 齐飞鹏, 周毅, 李垣明, 李文杰, 曾未, 辛勇, 王浩煜, 马超. 基于机器学习的燃料棒温度分布代理模型构建方法研究[J]. 核动力工程, 2023, 44(S2): 1-5. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.S2.0001
引用本文: 刘振海, 齐飞鹏, 周毅, 李垣明, 李文杰, 曾未, 辛勇, 王浩煜, 马超. 基于机器学习的燃料棒温度分布代理模型构建方法研究[J]. 核动力工程, 2023, 44(S2): 1-5. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.S2.0001
Liu Zhenhai, Qi Feipeng, Zhou Yi, Li Yuanming, Li Wenjie, Zeng Wei, Xin Yong, Wang Haoyu, Ma Chao. Research on Construction Method of a Machine Learning-Based Fuel Rod Temperature Distribution Surrogate Model[J]. Nuclear Power Engineering, 2023, 44(S2): 1-5. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.S2.0001
Citation: Liu Zhenhai, Qi Feipeng, Zhou Yi, Li Yuanming, Li Wenjie, Zeng Wei, Xin Yong, Wang Haoyu, Ma Chao. Research on Construction Method of a Machine Learning-Based Fuel Rod Temperature Distribution Surrogate Model[J]. Nuclear Power Engineering, 2023, 44(S2): 1-5. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.S2.0001

基于机器学习的燃料棒温度分布代理模型构建方法研究

doi: 10.13832/j.jnpe.2023.S2.0001
详细信息
    作者简介:

    刘振海(1989—),男,高级工程师,现主要从事核燃料设计及性能模拟研究,Email: 1989lzhh@sina.com

  • 中图分类号: TL333

Research on Construction Method of a Machine Learning-Based Fuel Rod Temperature Distribution Surrogate Model

  • 摘要: 为提高大规模燃料棒性能模拟的计算效率,以燃料棒温度预测为例,研究了燃料棒温度分布预测代理模型(简称“代理模型”)的构建方法。以燃料棒性能分析程序COPERNIC的计算结果作为数据源,采用k-means聚类算法筛选代表性的训练数据,训练了4个全连接前馈神经网络,分别能够考虑冷却剂流动传热及氧化膜生长影响的包壳外表面温度预测、包壳径向温度分布预测、燃料芯块和包壳间隙变化影响的燃料芯块外表面温度预测、燃料芯块径向温度分布预测。通过这些神经网络的组合,可以根据输入的燃料棒功率史快速预测出燃料棒不同时刻的温度分布。数值试验表明:构建的代理模型相比COPERNIC程序计算速度提升约204倍,同时具有较高精度。在整个数据集上,包壳温度和燃料芯块温度预测的平均偏差分别为0.07℃、0.44℃。

     

  • 图  1  多神经网络组合的温度分布预测示意图

    Tco—包壳外表面温度;Tclad—包壳不同径向位置温度;Tpellet—燃料芯块不同径向位置温度

    Figure  1.  Schematic Diagram of Temperature Distribution Prediction Based on Multiple Neural Networks

    图  2  代理模型预测值与参考值的对比

    Figure  2.  Comparison between Predicted Value and Reference Value of Surrogate Model

    表  1  燃料棒温度分布预测神经网络的架构参数

    Table  1.   Architecture Parameters of Neural Networks for Prediction of Fuel Rod Temperature Distribution

    神经网络 输入参数 输出参数 隐含层每层
    神经元个数
    NNTco $ {\tilde q_{\text{l}}},{\textit{z}},t,\bar B $ Tco [30,30,30,30]
    NNTclad $ {q_{\text{l}}},{T_{{\text{co}}}},r $ Tclad [5]
    NNTpo $ {q_{\text{l}}},{T_{{\text{ci}}}},t,\bar B $ Tpo [30,30,30]
    NNTpellet $ {q_{\text{l}}},{T_{{\text{po}}}},\bar B,r $ Tpellet [30,30]
      $ {\tilde q_{\text{l}}} $—轴向功率分布离散点
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    表  2  计算时间对比

    Table  2.   Comparison of Calculation Time

    COPERNIC程序
    计算时间/s
    代理模型计算时间/s 加速比
    NNTco NNTclad NNTpo NNTpellet 总计
    93.964 0.084 0.025 0.023 0.305 0.460 204
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-07-11
  • 修回日期:  2023-07-22
  • 刊出日期:  2023-12-30

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