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TOPAZ-Ⅱ反应堆堆芯的稳态热工代理模型

廖瑞安 王学松 祁琳 张大林 田文喜 苏光辉 秋穗正

廖瑞安, 王学松, 祁琳, 张大林, 田文喜, 苏光辉, 秋穗正. TOPAZ-Ⅱ反应堆堆芯的稳态热工代理模型[J]. 核动力工程, 2025, 46(3): 24-33. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.070011
引用本文: 廖瑞安, 王学松, 祁琳, 张大林, 田文喜, 苏光辉, 秋穗正. TOPAZ-Ⅱ反应堆堆芯的稳态热工代理模型[J]. 核动力工程, 2025, 46(3): 24-33. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.070011
Liao Ruian, Wang Xuesong, Qi Lin, Zhang Dalin, Tian Wenxi, Su Guanghui, Qiu Suizheng. Steady State Thermal Surrogate Model of TOPAZ-II Reactor Core[J]. Nuclear Power Engineering, 2025, 46(3): 24-33. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.070011
Citation: Liao Ruian, Wang Xuesong, Qi Lin, Zhang Dalin, Tian Wenxi, Su Guanghui, Qiu Suizheng. Steady State Thermal Surrogate Model of TOPAZ-II Reactor Core[J]. Nuclear Power Engineering, 2025, 46(3): 24-33. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.070011

TOPAZ-Ⅱ反应堆堆芯的稳态热工代理模型

doi: 10.13832/j.jnpe.2024.070011
详细信息
    作者简介:

    廖瑞安(1999—),男,硕士研究生,现主要从事反应堆热工水力方面的研究,E-mail: 2290941905@qq.com

  • 中图分类号: TL334

Steady State Thermal Surrogate Model of TOPAZ-II Reactor Core

  • 摘要: TOPAZ-Ⅱ反应堆是前苏联设计的空间核反应堆电源,以钠钾合金(NaK-78)为冷却剂,采用热离子转换发电原理为负载提供电力。为了快速准确地计算出堆芯的稳态热工参数,建立了高精度的堆芯稳态热工代理模型。本文首先使用Fluent开展堆芯稳态热工计算,选择中心纵截面网格节点温度为样本数据。然后使用本征正交分解(POD)方法提取样本数据中的主要特征,根据99.999%的能量占比保留前10阶模态完成模型降阶,最后基于反向传播(BP)神经网络建立堆芯的稳态热工代理模型,并将代理模型与Fluent进行对比验证,结果表明代理模型对网格节点温度的计算最大误差为9.95 K,相对误差小于1%,计算时间小于1 s。以冷却剂最热通道出口温度为参考,通过代理模型计算得到冷却剂保持单相工作状态的流量-功率百分值之比应大于0.35。因此,本文建立的稳态热工代理模型可以快速准确地计算得到堆芯的稳态热工参数,实现了对堆芯的仿真预测,并为堆芯热工安全分析提供了一定的参考。

     

  • 图  1  TOPAZ-Ⅱ反应堆系统结构[14]

    Figure  1.  Structure of TOPAZ-II Reactor System[14]

    图  2  TOPAZ-Ⅱ堆芯结构示意图

    Figure  2.  Schematic Diagram of TOPAZ-II Core Structure

    图  3  堆芯几何模型网格划分示意图

    Figure  3.  Schematic Diagram of Core Geometry Meshing

    图  4  网格无关性分析

    Figure  4.  Mesh Independence Analysis

    图  5  神经网络结构示意图

    Figure  5.  Schematic Diagram of Neural Network Structure

    图  6  燃料芯块温度分布

    Figure  6.  Temperature Distribution of Fuel Elements

    图  7  不同位置芯块中心温度

    Figure  7.  Center Temperature of Elements at Different Positions

    图  8  发射极温度分布

    Figure  8.  Temperature Distribution of Emitters

    图  9  发射极温度对比

    Figure  9.  Comparison of Emitter Temperature

    图  10  冷却剂温度分布

    Figure  10.  Temperature Distribution of Coolant

    图  11  37个冷却剂通道出口温度

    Figure  11.  Outlet Temperature of 37 Coolant Channels

    图  12  代理模型建立流程

    Figure  12.  Process for Establishing Surrogate Model

    图  13  堆芯中心纵截面温度分布

    Figure  13.  Temperature Distribution in the Longitudinal Section of the Core Center

    图  14  前20阶模态能量占比

    Figure  14.  The Proportion of Energy in the First 20 Modes

    图  15  由前10阶模态还原的温度分布

    Figure  15.  Temperature Distribution Reconstructed from the First 10 Modes

    图  16  由前10阶模态还原的温度误差分布

    Figure  16.  Error Distribution Reconstructed from the First 10 Modes  

    图  17  神经网络学习曲线

    Figure  17.  Neural Network Learning Curve

    图  18  代理模型对冷却剂沸腾工况的预测

    Figure  18.  Prediction of Coolant Boiling Conditions by Surrogate Model

    表  1  TOPAZ-Ⅱ系统主要参数

    Table  1.   Main Parameters of TOPAZ-Ⅱ System

    参数数值
    热功率/kW115
    电功率/kW4.5~5.5
    UO2富集度/%96
    热离子燃料元件数量37
    冷却剂流量/(kg·s−1)1.3
    冷却剂进口温度/K743
    冷却剂出口温度/K843
    堆芯活性区高度/cm37.5
    堆芯直径/cm26
    下载: 导出CSV

    表  2  代理模型对5组验证工况的计算误差

    Table  2.   Calculation Error of Surrogate Model for 5 Validation Conditions

    验证工况 堆芯功率/kW 堆芯流量/(kg·s–1) 所有节点温度
    最大绝对误差/K
    所有节点温度
    最大相对误差/%
    最热通道出口节点温度
    最大绝对误差/K
    最热通道出口节点温度
    最大相对误差/%
    1 50.6 1.144 3.17 0.397 3.17 0.397
    2 101.2 1.144 2.05 0.231 0.50 0.058
    3 101.2 0.741 2.95 0.126 0.43 0.047
    4 101.2 0.572 5.63 0.317 1.28 0.133
    5 101.2 0.455 9.95 0.565 2.56 0.252
    下载: 导出CSV

    表  3  Fluent计算验证结果

    Table  3.   Calculation Verification Results by Fluent

    验证
    工况
    堆芯
    功率/kW
    堆芯流量/
    (kg·s–1)
    流量-功率
    百分值之比
    最热通道
    出口温度/K
    1 23.0 0.104 0.40

    996.3
    2 57.5 0.260 1008.4
    3 92.0 0.416 1012.2
    4 23.0 0.078 0.30

    1073.3
    5 57.5 0.195 1090.8
    6 92.0 0.312 1096.9
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-06-20
  • 修回日期:  2024-10-01
  • 网络出版日期:  2025-06-09
  • 刊出日期:  2025-06-09

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