Áp dụng phương pháp mô phỏng tôi kim tiến hóa trong thiết kế vùng hoạt lò phản ứng nhỏ 200MWt
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG
TÔI KIM TIẾN HÓA TRONG THIẾT KẾ VÙNG HOẠT
LÒ PHẢN ỨNG NHỎ 200MWt
Trong nghiên cứu này, phương pháp mô phỏng tôi kim phỏng tiến hóa (ESA) được áp dụng để
thiết kế vùng hoạt lò phản ứng nhỏ 200 MWt. Thiết kế vùng hoạt được dựa trên các thông số của lò
phản ứng ACPR50S, loại lò sẽ được triển khai trên một nhà máy điện hạt nhân nổi của Trung Quốc.
Vùng hoạt bao gồm 37 bó nhiên liệu loại 17x17 được sử dụng trong các lò phản ứng PWR với ba loại
độ làm giàu U-235 khác nhau là 4,45; 3,40 và 2,35 % khối lượng. Cấu hình nạp tải vùng hoạt (LP)
đã được tối ưu hóa để có được độ dài chu kỳ là 900 ngày hoạt động với 100% công suất, đồng thời
có độ giàu trung bình của nhiên liệu nạp tải nhỏ nhất và hệ số đỉnh công suất thỏa mãn tiêu chuẩn an
toàn. Quá trình tối ưu hóa được thực hiện bằng cách kết hợp phương pháp ESA với mô-đun COREBN
của bộ chương trình SRAC2006.
1. MỞ ĐẦU
hết các phương pháp đều dựa trên mô phỏng các
hệ thống tự nhiên như mô phỏng tôi kim (SA)
[3], [4], thuật toán gen di truyền (GA) [3] , [5],
phương pháp tiến hóa [6], phương pháp tối ưu
hóa bầy hạt (PSO) [7], tiến hóa vi phân [8], v.v.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng đây vẫn là
một nhiệm vụ phức tạp đa mục tiêu [9].
Trong những năm gần đây, sự quan tâm đến các
lò phản ứng mô-đun nhỏ (SMR) ngày càng gia
tăng do tính linh hoạt trong việc phát điện cho
người dùng, địa điểm xây dựng và các ứng dụng
rộng hơn. Chúng cũng cho thấy hiệu suất an toàn
được nâng cao thông qua các hệ thống an toàn
thụ động và công nghệ cập nhật [1]. Hiện tại có Trong nghiên cứu hiện tại, một phương pháp mô
hơn 70 mẫu thiết kế SMR đang được phát triển phỏng tôi kim tiến hóa (ESA) đã được áp dụng
trên thế giới [2]. Do tính linh hoạt và tính năng để thiết kế vùng hoạt lò phản ứng nhỏ 200 MWt.
an toàn của SMR, các nghiên cứu về công nghệ Phương pháp ESA được phát triển để cải thiện SA
này là rất cần thiết cho chiến lược phát triển năng ban đầu bằng cách sử dụng các toán tử chéo và
lượng tại Việt Nam. Một trong những nhiệm vụ đột biến để tạo ra các giải pháp thử nghiệm mới,
đầu tiên của nghiên cứu trong SMR là thiết kế thay vì trao đổi nhị phân hoặc bậc ba trong SA
vùng hoạt lò phản ứng và mô hình nạp tải của nó. ban đầu [10]. Toán tử chéo và đột biến tương tự
như được sử dụng trong GA. Vùng hoạt lò phản
Tối ưu hóa quá trình nạp nhiên liệu là một trong
ứng được thiết kế dựa trên lò phản ứng ACPR50S
những nhiệm vụ quan trọng trong thiết kế vùng
tham chiếu được triển khai trong nhà máy điện
hoạt lò phản ứng hạt nhân, được thực hiện sau
hạt nhân nổi (FNPP) sử dụng các bó nhiên liệu
mỗi chu kỳ của lò phản ứng hạt nhân. Vấn đề
nhiên liệu PWR điển hình [2], [11], [12]. iết
tối ưu hóa cấu hình nạp tải nhiên liệu (LP) đã
kế vùng hoạt được nhắm mục tiêu để đạt được
nhận được sự quan tâm ngay từ đầu của công
độ dài chu kỳ khoảng 900 ngày vận hành 100%
nghệ lò phản ứng hạt nhân với việc áp dụng
công suất (EFPDs) tương tự như ACPR50S tham
nhiều phương pháp tối ưu hóa khác nhau. Hầu
chiếu, đồng thời có độ giàu U-235 trung bình
Số 67 - áng 6/2021 29
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
nhỏ và hệ số đỉnh công suất nhỏ hơn giới hạn cho (4) Một LP thử nghiệm mới được tạo ra từ hai
phép. Các tính toán vật lý cho vùng hoạt được LP cơ sở sử dụng các toán tử trao đổi chéo và đột
thực hiện bằng cách sử dụng mô-đun COREBN biến.
của hệ chương trình SRAC2006. Phương pháp
(5) Nhiệt độ T(n) được giảm xuống: T(n+1) = αT(n),
ESA đã được kết hợp với mô-đun COREBN để
α < 1, sau một số LP thử nghiệm được tính toán
thực hiện quá trình tối ưu hóa.
với T không đổi, được gọi là độ dài Malkov.
(6) Các tiêu chí hội tụ được kiểm tra và ngừng
2. LÝ THUYẾT TÌM KIẾM CẤU HÌNH NẠP tìm kiếm nếu các tiêu chí hội tụ được đáp ứng.
TẢI TỐI ƯU
Nếu không, bước (2) được lặp lại.
2.1. Phương pháp ESA
Trong phương pháp ESA, hai LP cơ sở được gọi
là bố, mẹ và LP thử nghiệm mới là con. Sự trao
đổi chéo được thực hiện bằng cách trao đổi hai
bó nhiên liệu giữa các bó nhiên liệu bố, mẹ như
được minh họa trong Hình 1. Sau đó, một LP thử
nghiệm mới được tạo ra từ thế hệ con bằng cách
áp dụng toán tử đột biến với xác suất 0,5.
Phương pháp mô phỏng tôi kim (SA) đã sớm
được áp dụng cho bài toán tối ưu hóa LP nhiên
liệu [3]. Phương pháp SA có khả năng thoát khỏi
các cực trị địa phương do đưa vào xác suất chấp
nhận một nghiệm kém hơn. Tuy nhiên, do sự hội
tụ chậm nên số lượng LP được tính toán thường
rất lớn. Trong một nghiên cứu trước đây, phương
pháp ESA đã được phát triển để cải thiện SA ban
đầu bằng cách sử dụng chéo và đột biến để tạo ra
các giải pháp thử nghiệm. Ưu điểm của ESA so
với SA và ASA đã được kiểm tra [10]. Quy trình
của ESA được mô tả như sau:
(1) Bắt đầu với LP thử nghiệm ban đầu
(2) Tính toán các đặc trưng vật lý của LP thử
nghiệm được thực hiện và hàm mục tiêu được
đánh giá.
Hình 1. Toán tử trao đổi chéo được sử dụng trong
phương pháp ESA
Quá trình đột biến được thực hiện theo hai bước.
Đầu tiên, hai hoặc ba bó nhiên liệu trong LP con
được chọn và trao đổi ngẫu nhiên để tạo ra một
LP thử nghiệm mới. ứ hai, một bó nhiên liệu
trong LP con được chọn ngẫu nhiên và được thay
thế bằng một bó nhiên liệu ngẫu nhiên có độ giàu
U-235 khác nhau với xác suất 0,5.
(3) So sánh hàm mục tiêu của LP thử nghiệm với
hàm mục tiêu của LP cơ sở hiện tại. Các LP cơ sở
được cập nhật nếu:
•Giá trị hàm mục tiêu của LP thử nghiệm lớn
hơn hoặc bằng giá trị hàm mục tiêu của LP cơ
sở.
Hai LP cơ sở được cập nhật bằng cách thay thế
LP cơ sở kém hơn bằng LP thử nghiệm ở bước
(3). Do đó, LP tốt nhất hiện tại luôn được chọn là
một trong hai LP cơ sở. Vì LP con có nhiều đặc
điểm của mẹ hơn của bố, nên việc lựa chọn mẹ
từ hai LP cơ sở sẽ có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu
suất của ESA. Do đó, để tăng tính đa dạng của
•Giá trị hàm mục tiêu của LP thử nghiệm là
nhỏ hơn so với hàm mục tiêu LP cơ sở, LP cơ
sở được cập nhật bởi một xác suất: ρ = exp(-
δC/T(n)). Trong trường hợp này, δC là sự khác
biệt của hàm mục tiêu giữa LP cơ sở và LP thử
nghiệm; T là nhiệt độ tìm kiếm.
30 Số 67 - áng 6/2021
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
quá trình tìm kiếm, LP cơ sở kém hơn được chọn tiên của Trung Quốc.
là mẹ. Tiêu chí hội tụ được đặt để dừng vòng lặp
tính toán nếu LP cơ sở hiện tại không thay đổi
sau 100 LP thử nghiệm hoặc LP tốt nhất hiện tại
không thay đổi sau 1000 LP thử nghiệm.
2.2. Hàm mục tiêu
Một hàm mục tiêu đã được sử dụng để thiết kế
vùng hoạt nhằm đạt được độ dài chu kỳ khoảng
900 EFPD, tương tự như độ dài chu kỳ của lò
phản ứng ACPR50 tham chiếu; độ giàu U-235
trung bình nhỏ nhất và hệ số đỉnh công suất nhỏ
hơn giới hạn. Dạng của hàm mục tiêu này như
sau:
(1)
(2)
trong đó, C là độ dài chu kỳ; E là độ giàu trung
bình của các bó nhiên liệu được nạp tải, Ei là độ
giàu nhiên liệu loại i và ni là số lượng của bó
nhiên liệu được nạp loại i; và PPF là hệ số đỉnh
công suất theo phương ngang. C0 = 900 ngày
(EFPDs), P0 = 1,5 được chọn làm hằng số. wc =
0,00333, we = 0,1 và wp = 10 là các hệ số trọng
số. Độ dài chu kỳ được xác định khi keff giảm đến
giá trị một. LP tốt hơn tương ứng với giá trị Hàm
mục tiêu lớn hơn.
Hình 2. Cấu hình vùng hoạt (a) và bó nhiên liệu
PWR 17x17 điển hình (b)
Bảng 1. Các thông số chính của vùng hoạt lò
phản ứng mô-đun nhỏ dựa trên lò phản ứng
ACPR50 [2], [11]
2.3. Mô tả của vùng hoạt
Vùng hoạt được thiết kế dựa trên các bó nhiên
liệu PWR điển hình tương tự như vùng hoạt
ACPR50 như trong Hình 2. Vùng hoạt bao gồm
37 bó nhiên liệu có dạng hình học đối xứng 1/4.
Các bó nhiên liệu là loại PWR điển hình, với
mạng 17x17, chứa 264 thanh, 24 ống dẫn hướng
và một ống thiết bị. Ba loại bó nhiên liệu nhiên
liệu tương ứng với độ giàu U-235 tương ứng là
4,45; 3,40 và 2,35%, được xem xét để nạp vào
vùng hoạt. Các thông số thiết kế chính của vùng
hoạt được cho trong Hình 2 và Bảng 1 [11], [12],
[13]. Các thông số thiết kế này tương tự như thiết
kế của lò phản ứng ACPR50S trong các FNPP đầu
Các tính toán vật lý vùng hoạt và tính toán cháy
được thực hiện dựa trên mô hình 2D toàn vùng
hoạt bằng cách sử dụng mô-đun COREBN của
hệ chương trình SRAC2006 và thư viện dữ liệu
JENDL-3.3. Vùng hoạt được phản xạ bởi nước
Số 67 - áng 6/2021 31
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
như trong Hình 2. Tiết diện vĩ mô tám nhóm Hình 3 mô tả LP vùng hoạt tối ưu của lò phản
cho các bó nhiên liệu được tạo ra bằng cách sử ứng nhỏ 200 MWt được chọn từ mười lần chạy
dụng mô-đun PIJ của chương trình SRAC2006. độc lập của quá trình tối ưu hóa. Phân bố công
Các tính toán COREBN đã được thực hiện để thu suất theo phương ngang ở đầu chu kỳ cho thấy
được hệ số nhân hiệu dụng (keff) và phân bố công PPF là 1,377 xuất hiện gần tâm vùng hoạt của
suất trong quá trình cháy. Sau đó, độ dài chu kỳ bó nhiên liệu với độ giàu 3,40%. Hình 4 mô tả
(C) và PPF lớn nhất được xác định.
sự thay đổi của keff và PPF trong quá trình cháy
của vùng hoạt. Có thể thấy PPF giảm dần trong
quá trình cháy và keff giảm về một vào khoảng 900
ngày.
3. NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TRƯNG VẬT LÝ
CỦA CẤU HÌNH NẠP TẢI FNPP
Một số tham số chính của LP tối ưu đã được tính
toán và tóm tắt trong Bảng 3. Có thể thấy rằng
hai tham số của vùng hoạt bao gồm PPF và EF-
PDs đáp ứng yêu cầu của lò phản ứng ACPR50S
là PPF <1.5 và EFPDs = 900 ngày. Hệ số phản hồi
nhiệt độ của chất làm chậm và nhiên liệu đều âm.
Độ giàu trung bình của vùng hoạt ACPR50S được
ước tính là 3,505 %, với số loại nhiên liệu được
nạp tải là 9 bó F235, 12 bó F340 và 16 bó F445.
3.1. iết kế vùng hoạt tối ưu hóa
Trong quá trình tối ưu hóa sử dụng phương pháp
ESA, các thông số điều khiển được khảo sát và
lựa chọn bao gồm nhiệt độ ban đầu: T = 15,0; α
= 0,9 và chiều dài Malkov = 25. Do tính đối xứng
1/4 của vùng hoạt, mô hình tính toán gồm 10
bó nhiên liệu với ba loại độ giàu U-235 lần lượt
là 4,45% khối lượng (F445), 3,40% khối lượng
(F340) và 2,35% khối lượng (F235), được nạp ở
dạng hình học vùng hoạt đối xứng 1/4. Các quá
trình tìm kiếm được thực hiện với mười lần chạy
độc lập. Bảng 2 tóm tắt các tham số mục tiêu tối
ưu thu được trong mười lần chạy độc lập. PPF
được hội tụ đến các giá trị khoảng 1,387, trong
khi độ giàu trung bình là 3,505% khối lượng và
độ dài chu kỳ là gần đúng 900 EFPD.
Bảng 2. Các tham số mục tiêu tối ưu thu được
bằng phương pháp ESA trong mười lần chạy
độc lập
Hình 3. Mô hình nạp tải tối ưu và phân phối công
suất tương đối của vùng hoạt lò phản ứng SMR
Hình 4. Sự phụ thuộc của keff và PPF của vùng
hoạt tối ưu theo quá trình cháy
3.2. Phân tích các đặc trưng vật lý của cấu hình
nạp tải tối ưu
32 Số 67 - áng 6/2021
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
Bảng 3. Các thông số của vùng hoạt tối ưu
ứng nghiên cứu ở Việt Nam.
Trần Việt Phú, Trần Hoài Nam
Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nuclear Development 2016, Small Modular
Reactors: Nuclear Energy Market Potential for
Near-term Deployment, OECD-NEA.
[2] IAEA 2020, Advances in Small Modular Re-
actor Technology Developments, IAEA booklet
(2020).
4. KẾT LUẬN
Nghiên cứu này đã thực hiện tính toán các đặc
trưng vật lý của cấu hình nạp tải tương tự vùng
hoạt lò phản ứng ACPR50S. Chi tiết phương
pháp tìm kiếm cấu hình nạp tải và kết quả tìm
kiếm cũng được mô tả.
[3]Yamamoto A 1997 A quantitative comparison
of loading pattern optimization methods for in-
core fuel management of PWR, Nucl. Sci. Eng.,
34, 339.
[4] Aneela Z, Sikander M M, Nasir M M 2014,
Core loading pattern optimization of a typical
two-loop 300 MWe PWR using Simulated An-
nealing (SA), novel crossover Genetic Algorithms
(GA) and hybrid GA(SA) schemes, Ann. Nucl.
Energy, 65, p 122.
Phương pháp ESA được áp dụng để tìm kiếm một
cấu hình nạp tải cho lò phản ứng mô-đun nhỏ
200 MWt dựa trên lò phản ứng ACPR50S tham
chiếu. Mô-đun COREBN của hệ chương trình
SRAC2006 được dùng cho vật lý vùng hoạt và
tính toán cháy, được kết hợp với phương pháp
ESA để thực hiện quá trình tìm kiếm. Vùng hoạt
cần thiết kế bao gồm 37 bó nhiên liệu PWR điển
hình với độ giàu 4,45, 3,40 và 2,35% khối lượng.
Các mục tiêu thiết kế là thu được độ dài chu kỳ
khoảng 900 EFPD, đồng thời PPF nhỏ hơn giới
hạn 1.5 và độ làm giàu U-235 trung bình nhỏ
nhất. Vùng hoạt tối ưu thu được với số lượng bó
nhiên liệu F445, F340 và F235 lần lượt là 16, 12
và 9. Độ dài chu kỳ của vùng hoạt tối ưu là 900
EFPDs, trong khi PPF là 1,377 và độ giàu trung
bình là 3,505% khối lượng. Hệ số phản hồi nhiệt
độ nhiên liệu và chất làm chậm đều âm. Như vậy,
việc áp dụng phương pháp tìm kiếm tối ưu ESA
để thiết kế cấu hình nạp tải cho lò SMR là có thể
thực hiện được. Điều này cho thấy phương pháp
ESA có thể sử dụng trong nghiên cứu và thiết kế
vùng hoạt cho các lò SMR cũng như các lò phản
[5] DeChaine M D and Feltus M A 1995, Nuclear
fuel management optimization using genetic al-
gorithms, Nucl. Technol., 111, p 109.
[6] Axmann J K 1997, Parallel adaptive evolution-
ary algorithms for pressurized water reactor re-
load pattern optimization, Nucl. Technol., 119, p
276.
[7] Jamalipour M, Sayareh R, Gharib M, Kho-
shahval F, Karimi M R 2013, Quantum behaved
Particle Swarm Optimization with Differential
Mutation operator applied to WWER-1000 in-
core fuel management optimization, Ann. Nucl.
Energy, 54, p 134.
[8] Phan, G.T.T., Do, Q.B., Ngo, Q.H., Tran, T.A.,
Tran, H.N., 2020, Application of differential evo-
lution algorithm for fuel loading optimization of
the dnrr research reactor, Nuclear Engineering
and Design 362, 110582.
Số 67 - áng 6/2021 33
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
[9] Aghaie M, Mahmoudi S M 2016, A novel
multi objective Loading Pattern Optimization
by Gravitational Search Algorithm (GSA) for
WWER1000 core, Prog. Nucl. Energy, 93, p 1.
[10] Viet-Phu Tran, Giang T.T. Phan, Van-Khanh
Hoang, Pham Nhu Viet Ha, Akio Yamamoto,
Hoai-Nam Tran, Evolutionary simulated anneal-
ing for fuel loading optimization of VVER-1000
reactor, revised manuscript is submitted on 24th
August 2020, Ann. Nucl. Energy.
[11] U.S. Nuclear Regulatory Commission (NRC)
2011, Westinghouse AP1000 Design Control
Documentation (DCD), Westinghouse Electric
Company, 2011, Chapter 4, Rev. 19.
[12] VK Hoang, VP Tran, VT Dinh, HN Tran
2019, Conceptual design of a small-pressurized
water reactor using the AP1000 fuel assembly
design, Nuclear Science and Technology, 2019,
Vol.9, No. 2, p 25.
[13] K Okumura, T Kugo, K Kaneko, K Tsuchi-
hashi 2007, SRAC2006: A Comprehensive Neu-
tronics Calculation Code System, JAEA-Data/
Code, 2007, 2007-004
[14] Keisuke Okumura 2007, COREBN: A Core
Burn-up Calculation Module for SRAC2006,
JAEA-Data/Code, 2007, 2007-003
34 Số 67 - áng 6/2021
6 trang
19/04/2022
1660
Bạn đang xem tài liệu "Áp dụng phương pháp mô phỏng tôi kim tiến hóa trong thiết kế vùng hoạt lò phản ứng nhỏ 200MWt", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- ap_dung_phuong_phap_mo_phong_toi_kim_tien_hoa_trong_thiet_ke.pdf
