直接优化方法在核电厂堆芯换料中的可行性分析

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1、-绪论难甚至是不可能的。到目前为止，国际上已经围绕该问题利用各种优化方法开展 了大量的研究工作，但迄今尚未研究出一种能快速搜索出全局最优解的方法。因 此核电厂换料优化研究仍然是一项具有重大工程应用价值的课题。1.2研究现状及意义正因为换料方案对核电厂的经济性具有重要影响，多年来人们一直致力于寻求解决该优化问题的方法。首先致力于寻找简化和缩小问题规模的方法，如对问题的线性化、变量之间的脱耦等；其次是研究先进有效的优化技术，以提高方案搜索的能力和速度；最后是研究先进快速的堆芯中子学的计算方法，以提高对方案评价的能力和速度。总的

2、来说，主要分为确定性的传统优化方法和随机优化算法，如线性规划、非线性规划、动态规划、直接搜索、专家系统及人工智能神经网络的应用等属于确定性优化算法，而随机算法则主要包括模拟退火算法和遗传算法。最早、最直观的办法是根据设计和运行的经验采用直接搜索的方法，但由于 可行解方案的庞大及囿于经验的有限，往往耗时太大或陷于局部最优而难以找到 全局最优的理想方案，后来随着优化技术的进步出现了“专家系统”和“神经网 络”等方法，提高了搜索空间的能力，也提高了计算效率和精度。20世纪80年代曾提出用脱耦方法将燃料组件和可燃毒物布置分开处理，

3、以 减少问题的规模。其主要思想是把优化问题分成两步处理。第一步先寻找没有可 燃毒物的堆芯最佳装载方案，使得循环末的组件卸料燃耗深度最大，并满足寿期 内功率峰限值的要求；第二步是以上述求出的功率分布为基础寻求可燃毒物的合 理布置。它们的优点是简化了问题，提高了计算效率。但是由于存在脱耦、线性 化等近似，因而在如何保证解的全局最优性等问题方面还须进一步探讨，这使得 他们在工程上未能得到广泛的应用。美国西屋公司开发的先进装料方案搜索程序ALPS（AdvancedLoading PatternSearchProgram）在西屋公司

4、设计制造的40余座压水堆核电厂的换料设计 中曾得到广泛的应用。它建立在由“目标功率分布-目标反应性分布”的逆向算 法基础上。其计算原理和过程大致如下：（1）首先由用户给定一个期望的循环初的功率分布-目标功率分布。通过逆 向算法产生堆芯的反应性分布-目标反应性分布；（2）从现有可利用的燃料组件求出与目标反应性相匹配的一批燃料组件布置 的初选方案。对初选方案进行组件位置交换，检验功率峰约束条件筛选产生出一 批理想的候选方案；（3）对选定的理想候选方案进行扩散燃耗计算。对循环长度、慢化剂温度系数等对候选方案进行评价与经济分析，确

5、定出最终的满意的最佳的换料方案。---2---绪论后来美国西屋公司与上海核工程研究设计院联合开发了以“整数排列规划算法”为基础的新的装料方案搜索程序LP-FUN（LoadingPatternsforUser’sNeed,也称PEARLS），它具有更高的搜索效率和精度。它是一个典型的组合排列优化问题，把组件在堆芯内的排列优化过程分为两步。第一步解决批燃料在堆芯的组合模式问题；第二步解决可利用组件在每批料组合中的排列问题。综上所述，以上所介绍的确定论优化方法要么在计算时间上无法满足工程应用的要求，要么只能在近似条件下获得全局最

6、优解，而离获得真正的全局最优解还有一定距离。模拟退火算法和遗传算法这两种随机优化算法是20世纪80年代发展起来的。其中模拟退火算法是利用高温固体退火过程与组合优化问题之间的类似性来搜索换料方案的，而遗传算法则是模拟生物界优胜劣汰的进化机制来搜索换料方案的。这两种方案都需要对换料方案进行随机搜索，因此容易陷于局部最优。同时这两种优化方法还具有共同的特点，即将寻求最优方案的过程分为方案的搜索和评价这两个过程。本文将对直接优化方法在核电厂堆芯换料优化中的应用进行可行性研究。与其它优化方法不同，直接优化方法直接从中子扩散方程出发来

7、建立混合整数线性规划模型，求解模型的过程也就是换料方案的搜索和评价过程。该项目为上海交通大学-西屋电气公司合作协议中的项目。1.3主要研究工作本论文的主要工作：1、分别基于细网有限差分方法和HHLP方法，建立了一维平板燃料排列优化问题和二维堆芯换料优化问题的非线性模型。并利用数学规划软件LINGO对这两个模型进行了求解；2、从一维燃料平板排列问题的非线性模型出发，建立了三种线性化模型：用二进制数来展开K的精确模型、基于基础方案近似的模型及K分步搜索的模effeff型，并分别利用LINGO和CPLEX进行了求解。3、在二维堆

8、芯换料优化问题的非线性模型基础上，采用同样的方法建立了K分步搜索的线性化模型。并从HHLP方法的理论基础出发，对模型进行了改eff进。最后利用改进后的优化模型对二维堆芯换料优化问题进行了计算。4、对模型的求解速度进行了广泛的探索，如CPLEX设置参数的优化、模型目标函数的选择等等。---3---第二章直