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基于神经网络与遗传算法的压水堆堆芯装载模式方案优化研究

陈刚 邹建 刘仕倡 蔡云 王连杰

陈刚, 邹建, 刘仕倡, 蔡云, 王连杰. 基于神经网络与遗传算法的压水堆堆芯装载模式方案优化研究[J]. 核动力工程, 2025, 46(2): 164-176. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.080038
引用本文: 陈刚, 邹建, 刘仕倡, 蔡云, 王连杰. 基于神经网络与遗传算法的压水堆堆芯装载模式方案优化研究[J]. 核动力工程, 2025, 46(2): 164-176. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.080038
Chen Gang, Zou Jian, Liu Shichang, Cai Yun, Wang Lianjie. Research on Optimization of Pressurized Water Reactor Core Loading Pattern Based on Neural Network and Genetic Algorithm[J]. Nuclear Power Engineering, 2025, 46(2): 164-176. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.080038
Citation: Chen Gang, Zou Jian, Liu Shichang, Cai Yun, Wang Lianjie. Research on Optimization of Pressurized Water Reactor Core Loading Pattern Based on Neural Network and Genetic Algorithm[J]. Nuclear Power Engineering, 2025, 46(2): 164-176. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.080038

基于神经网络与遗传算法的压水堆堆芯装载模式方案优化研究

doi: 10.13832/j.jnpe.2024.080038
基金项目: 国家自然科学基金(U2330117、12175067);中央高校基本科研业务费专项资金(2024MS046)
详细信息
    作者简介:

    陈 刚(1999—),男,硕士研究生,现主要从事燃料组件设计及性能分析方面的研究,E-mail: chen-gya@qq.com

    通讯作者:

    邹 建,E-mial: 18870734013@163.com

  • 中图分类号: TL334

Research on Optimization of Pressurized Water Reactor Core Loading Pattern Based on Neural Network and Genetic Algorithm

  • 摘要: 堆芯装载模式(LP)优化可以提高反应堆的安全性和经济性,但是其优化过程需要大量耗时计算和丰富的人工经验。针对堆芯LP优化方案的快速评价问题,本研究利用全连接神经网络(FCNN)和卷积神经网络(CNN)生成大亚湾核电站首循环堆芯的中子学参数快速预测模型,实现了压水堆堆芯LP方案的快速评价。通过堆芯计算程序DONJON对预测模型的泛化能力和精度进行验证。针对堆芯LP方案的全局搜索问题,利用非支配排序遗传算法(NSGA)对大亚湾核电站首循环堆芯进行LP方案多目标优化并通过NSGA的参数调整提升了优化效果。结果表明NSGA系列算法可以用于包括堆芯LP优化在内的不同类型的核设计优化问题,并可以弥补人工搜索方案全局性差的缺点,同时NSGA结合超算的并行优化可以极大提高优化效率。针对堆芯LP方案快速优化的问题,利用基于GPU并行下的神经网络预测模型和NSGA开发联合优化程序,实现了大亚湾核电站首循环堆芯LP方案的快速优化。通过联合优化程序与“DONJON+NSGA”的优化结果比较,结果表明神经网络-遗传算法(GA)的联合优化程序能够得到结果比较接近的堆芯LP方案,同时将优化时间缩短了99%以上。

     

  • 图  1  不同组件的1/8截面

    Figure  1.  1/8 Cross-section of Different Assemblies

    图  2  1/8的堆芯截面

    Figure  2.  1/8 Core Cross-section

    图  3  某个随机排布方案的各燃耗步下的PPF变化图

    Figure  3.  PPF Variation Diagram for Each Burnup Step of a Randomly Arranged Scheme

    图  4  参与堆芯训练的数据集分布

    Figure  4.  Distribution Map of the Dataset Participating in Core Training

    图  5  大亚湾核电站首循环装载中子学参数预测模型的训练情况图

    Figure  5.  Training Situation of Neutron Parameter Prediction Model for the First Cycle Loading in Daya Bay Nuclear Power Plant

    图  6  替代模型与DONJON的结果对比

    Figure  6.  Comparison of the Alternative Model Results with DONJON Results

    图  7  大亚湾核电站首循环LP方案在优化模型中的表达方式

    Figure  7.  Expression of Loading Scheme for the First Cycle of Daya Bay Nuclear Power Plant in the Optimization Model  

    图  8  各参数组合的HV变化趋势

    Figure  8.  HV Variation Trend of Each Parameter Combination

    图  9  不同参数组合得到的Pareto前沿

    Figure  9.  Pareto Frontiers Obtained from Different Parameter Combinations

    图  10  参数组合C和组合F与随机1000组方案的目标函数对比

    Figure  10.  Comparison of Objective Functions between Parameter Combinations C, Combinations F and a Random 1000 Group Scheme

    图  11  大亚湾核电站首循环LP优化方案的堆芯排布

    Figure  11.  Core Layout of Optimized Loading Pattern for the First Cycle of Daya Bay Nuclear Power Plant

    图  12  联合优化程序给出的Pareto解集

    Figure  12.  Pareto Solution Set Provided by Joint Optimization Code  

    图  13  联合优化程序给出的优化方案堆芯排布

    Figure  13.  Optimization Scheme for Core Layout Provided by Joint Optimization Code

    图  14  两种优化方法得到的Pareto前沿对比

    Figure  14.  Comparison of Pareto Frontiers Obtained from Two Optimization Methods

    图  15  两种优化方法得到的方案燃耗区间内PPF与keff的变化趋势对比

    Figure  15.  Comparison of Variation Trends of PPF and keff within the Burnup Interval Obtained by Two Optimization Methods

    表  1  大亚湾核电站首循环装载的燃料组件类型

    Table  1.   Types of Fuel Assembly Loaded in the First Cycle of Daya Bay Nuclear Power Plant

    组件类型富集度/%可燃毒物棒的数量
    11.80
    22.40
    32.412
    42.416
    53.10
    63.112
    73.116
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    表  2  堆芯建模参数

    Table  2.   Core Modeling Parameters

    参数名参数值
    金属铀总质量/t69.62
    堆芯总体积/m326.55
    堆芯高度/cm365.8
    堆芯热功率/MW2088
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    表  3  神经网络的超参数组合

    Table  3.   Superparameter Combination of Neural Networks

    超参数循环长度(FCNN)最大PPF(CNN)
    Epoch100250
    Batchsize32128
    学习率0.0010.001
    激活函数ReLuReLu
    优化器AdamAdam
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    表  4  循环长度的五折交叉训练结果

    Table  4.   Five-fold Cross Training Results of Loop Length

    训练次数训练时间/min训练误差/%测试误差/%
    第1次2.730.220.23
    第2次2.700.230.25
    第3次2.760.230.24
    第4次2.670.210.23
    第5次2.640.230.24
    平均值2.700.220.24
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    表  5  最大PPF的五折交叉训练结果

    Table  5.   Five-fold Cross Training Results of Maximum PPF

    训练次数训练时间/min训练误差/%测试误差/%
    第1次2240.931.00
    第2次2320.910.99
    第3次2230.920.99
    第4次2200.910.98
    第5次2330.900.98
    平均值2260.910.99
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    表  6  NSGA不同的参数组合

    Table  6.   Different Parameter Combinations for NSGA

    组合 多目标
    优化算法
    种群
    数量
    迭代
    次数
    变异
    算子概率
    交叉
    算子概率
    A NSGA-Ⅱ 50 50 0.2 0.9
    B NSGA-Ⅱ 50 100 0.2 0.9
    C NSGA-Ⅱ 50 100 0.05 0.6
    D NSGA-Ⅲ 50 50 0.2 0.9
    E NSGA-Ⅲ 50 100 0.2 0.9
    F NSGA-Ⅲ 50 100 0.05 0.6
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    表  7  4个最好方案的结果

    Table  7.   Results of the Best Four Schemes

    方案序号循环长度/d最大PPF
    7497.131.55
    8499.621.70
    10499.071.65
    21498.781.62
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-08-14
  • 修回日期:  2024-11-13
  • 网络出版日期:  2025-01-23
  • 刊出日期:  2025-04-02

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