直接优化方法在核电厂堆芯换料中的可行性分析 (1)

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1、-------上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：许花日期：2009年1月15日-----------上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

2、本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密□。√（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：许花指导教师签名：张少泓日期：2009年1月15日日期：2009年1月15日-----------绪论第一章绪论1.1选题背景压水堆核电厂投入运行后，在每个堆芯寿期末都要停堆换料。堆芯换料过 程中，将产生大量的换料方案，而换料方案的选择直接关系到核电厂运行的安全性和经济性。所以如何更快、更好地选定换料方案，使核燃料循环成本最低

3、是核 工业界非常关心的问题。反应堆堆芯换料是一个典型的优化问题，其主要任务就是要确保核电厂安 全运行的前提下，寻求堆内燃料组件和可燃毒物的最优空间布置，使核燃料循环成本最低。由于准确计算循环的能量成本必须进行经济性分析，而这是比较复杂 的，因此实际的换料优化设计中，常常选择一些直接和燃料循环成本有关的非费 用函数作为优化目标函数，如循环末从堆芯卸出的燃料组件的平均卸料燃耗深度BU最大；对于给定的循环初堆芯燃料富集度，使循环长度T最长或者循环的dc能量输出最大；对于给定的循环长度和循环初燃料富集度，使循环末堆芯反应性ρ或临界可溶硼浓度CB最大；从安全角度出发

4、把在整个循环期间堆芯的最大功率峰因子K最小作为目标函数等。实际上，堆芯换料优化问题往往是一个多目v标优化问题，如从经济上要求寿期末可溶硼浓度最大，同时从安全角度又希望整 个循环中功率峰因子最小等。在堆芯换料优化问题中，除了目标函数外，还需要从工程和安全等角度考虑一些限制条件，即约束条件。如：（1）整个循环期间堆 芯的最大功率峰值小于许可值；（2）燃料组件的最大卸料燃耗深度小于许可值； （3）寿期末堆芯的慢化剂温度系数为负值；（4）停堆深度不能低于规定值等。 综上所述，堆芯换料优化问题具有如下特点：（1）它是一个与时间有关的动态规划问题；（2）由于燃料组件位

5、置、可燃毒物数量等控制变量是离散变化的，因而该优化问题的求解必须用比通常连续变量优化还困难得多的整数规划方法；（3）该优化问题具有非线性的特点，如堆芯的燃耗分布与功率分布之间存在密切的互相依赖关系；（4）优化问题的目标函数与部分约束条件不能用表达式直接表示。它们的值只能通过求解复杂的多群中子扩散方程和燃耗方程获得；（5）换料方案的决策需多次重复地进行堆芯扩散-燃耗计算。所以堆芯换料优化问题非常复杂、耗时且很难处理，而且由于控制变量数量 的增加，使问题的规模变得异常大。例如用整数规划求解堆芯燃料组件优化布置方案时，典型的三区装载压水堆堆芯含193个燃料组件，

6、即使在堆芯1/4对称布置且无可燃毒物的条件下，也有量级为1043个堆芯装载方案。而且当堆芯燃料通-----------道增加时，换料方案将会以指数甚至更多的形式增加，使得搜索空间变得非常巨 大。要通过有限量的计算在巨大的搜索空间中找到一个全局最优的方案是及其困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

7、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

8、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