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基于深度神经网络的热管反应堆堆芯单通道温度预测

余鑫 王家浚 郭凯伦 张泽秦 田文喜 苏光辉 秋穗正

余鑫, 王家浚, 郭凯伦, 张泽秦, 田文喜, 苏光辉, 秋穗正. 基于深度神经网络的热管反应堆堆芯单通道温度预测[J]. 核动力工程, 2025, 46(S1): 75-81. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.S1.0075
引用本文: 余鑫, 王家浚, 郭凯伦, 张泽秦, 田文喜, 苏光辉, 秋穗正. 基于深度神经网络的热管反应堆堆芯单通道温度预测[J]. 核动力工程, 2025, 46(S1): 75-81. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.S1.0075
Yu Xin, Wang Jiajun, Guo Kailun, Zhang Zeqin, Tian Wenxi, Su Guanghui, Qiu Suizheng. Single-channel Temperature Prediction of Heat Pipe Reactor Based on Deep Neural Network[J]. Nuclear Power Engineering, 2025, 46(S1): 75-81. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.S1.0075
Citation: Yu Xin, Wang Jiajun, Guo Kailun, Zhang Zeqin, Tian Wenxi, Su Guanghui, Qiu Suizheng. Single-channel Temperature Prediction of Heat Pipe Reactor Based on Deep Neural Network[J]. Nuclear Power Engineering, 2025, 46(S1): 75-81. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.S1.0075

基于深度神经网络的热管反应堆堆芯单通道温度预测

doi: 10.13832/j.jnpe.2025.S1.0075
基金项目: 中核集团青年英才项目
详细信息
    作者简介:

    余 鑫(2001—),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: xin_yu@stu.xjtu.edu.cn

    通讯作者:

    郭凯伦,E-mail: kailunguo@xjtu.edu.cn

  • 中图分类号: TL333

Single-channel Temperature Prediction of Heat Pipe Reactor Based on Deep Neural Network

  • 摘要: 热管反应堆因其设计独特性和高效的热传导性能成为核能发电的有力候选者。然而,其堆芯温度场的准确监测仍是关键挑战。本文基于深度学习技术,探索了一种全新的堆芯温度快速预测方法。通过建立反向传播神经网络(BPNN)模型,训练大量堆芯模拟数据,可实现利用6个温度测点预测堆芯单通道截面温度场。BPNN模型训练结果表明,选择合适的神经元数量和隐藏层层数,可有效提高预测精度并且减少过拟合风险。本研究的BPNN模型在测试集上的平均绝对误差为1.06 K,显示出较好的预测能力和较低的误差水平,且误差较为集中在角燃料棒以及换热剧烈的区域。

     

  • 图  1  单通道模型示意图

    Figure  1.  Schematic Diagram of a Single Channel Model

    图  2  单通道模型径向截面

    Figure  2.  Radial Section of a Single Channel Model

    图  3  单通道模型堆芯网格划分

    Figure  3.  Single Channel Model Core Meshing

    图  4  网格无关性验证

    Figure  4.  Grid Independence Verification

    图  5  训练数据集选取示意图

    Figure  5.  Schematic Diagram of Training Dataset Selection

    图  6  温度测点分布

    Figure  6.  Temperature Measuring Point Distribution

    图  7  温度预测神经网络框架

    Figure  7.  Temperature Prediction Neural Network Framework

    图  8  训练误差变化趋势

    Figure  8.  Training Error Variation Trend

    图  9  训练数据量大小对测试误差影响

    Figure  9.  Effect of Training Data Size on Test Error

    图  10  堆芯单通道模型预测分析

    Figure  10.  Prediction and Analysis of Core Single Channel Model

    图  11  不同测试集误差水平对比

    Figure  11.  Comparison of Error Levels in Different Test Sets

    图  12  最大与最小测试误差对比

    Figure  12.  Comparison of Maximum and Minimum Test Errors

    表  1  不同神经网络结构测试集的$ L\mathrm{_{MAE}} $

    Table  1.   $ L\mathrm{_{MAE}} $ of Test Sets of Different Neural Network Structures

    神经元数量 $ L\mathrm{_{MAE}} $/K
    隐藏层数1 隐藏层数2 隐藏层数3 隐藏层数4 隐藏层数5 隐藏层数6
    32 11.59 4.44 1.51 1.15 1.06 1.07
    64 5.04 1.18 1.06 1.06 1.07 1.06
    128 1.80 1.06 1.06 1.06 1.06 1.07
    256 1.12 1.06 1.06 1.05 1.07 1.05
    512 1.06 1.06 1.06 1.07 1.08 1.06
    下载: 导出CSV

    表  2  神经网络超参数设置

    Table  2.   Neural Network Hyperparameter Settings

    参数 参数值 参数 参数值
    输入层维度 6 学习率 3×10−5
    输出层维度 8538 优化器 Adam
    隐藏层层数 3 训练批次大小 32
    每层神经元数量 256 正则化系数 0
    Dropout 0 训练批次 200
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-09-13
  • 修回日期:  2025-01-20
  • 刊出日期:  2025-07-09

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