基于模型降阶和数据同化的反应堆在线监测系统探测机理研究

The in-core monitoring system is essential for the core surveillance, with which the safety parameters are calculated by reconstructing the physical fields based on the measurement data collected from the sensors inside and/or outside of the core. Much effort has been made to develop advanced reconstruction algorithms, but most of them are based on single-source distributed sensors, the utilization of multi-source heterogeneous measurements is rather insufficient. In addition, due to the lack of systematic analysis on the sensor placement and the parameter setting, the reconstruction improvement has encountered a bottleneck. To overcome this, we propose a physical field reconstruction method based on multi-source heterogeneous measurements. In the framework of this reconstruction, the sensor placement and the parameter setting are systematically studied to improve the data simulation of the reactor sensor system, which is based on the latest innovations such as data mining, data assimilation, model order reduction and constrained multi-objective optimization techniques. The study will provide a theoretical guidance for the sensor placement and the parameter setting for reactors in design and/or in research. This research program has both academic and practical values in improving the performance of the in-core monitoring system and thus the safety and profit of nuclear reactors.

堆芯监测系统主要根据堆内外探测器信息来重构物理场分布并计算相关安全参数，是反应堆重要的运行支持系统之一。物理场重构算法是堆芯监测系统的核心技术，研究人员在重构算法方面进行了大量的研究，但大多基于单一分布式探测器信息进行重构，对反应堆各类测量信息利用不充分。此外，由于缺乏对探测器参数设计及测点布置的深入研究，导致探测器系统的数据挖掘能力不足，重构精度提升存在瓶颈，监测系统应用范围受限。为了克服这一困难，本项目首先提出基于多源异构测量信息的物理场重构方法，以充分利用多种测量信息。以此为指导，基于数据挖掘、数据同化、模型降阶、多约束多目标优化等最新技术对探测器参数设计和测点布置优化进行系统研究，最终实现反应堆探测器数据挖掘能力的进一步提升。研究成果将为在研发和设计的反应堆探测器参数设计与测点布置提供理论指导，这对提升堆芯监测系统的综合性能，提高核反应堆安全性和经济性具有重要的学术价值和现实意义。

堆芯在线监测系统为核反应堆安全、经济运行提供了重要支持，如何系统地提升堆芯在线监测系统对反应堆运行工况下堆芯物理场的数据挖掘能力，尤其是涉及物理场重构及与物理场重构相关的探测器参数设计与测点布置本身是一个挑战性科学问题。本项目系统性地探索了以提高堆芯监测系统性能为目标，以理场重构精度和鲁棒性为度量的物理场重构、探测器参数设计和测点优化布置方法，实现核反应堆探测器系统对物理场数据挖掘能力的进一步提升，最终提升堆芯在线监测系统性能和适用范围。本课题的主要研究内容和成果如下：1）基于模型降阶理论充分研究了核反应堆堆芯多物理场的流形特性，将降阶模型与数据同化理论结合用于堆芯物理场重构，提出了基于反距离拟合的三维变分数据同化方法（IDB-3D-Var）和稳定格式本征正交分解方法（SGPOD）用于堆芯物理场重构，提出了基于动态模式分解方法（DMD）的氙演变预测方法，为在线监测系统技术发展提供了理论支持。2）基于所提出的模型降阶和数据同化架构，系统性研究了堆芯多源异构探测器尺寸、位置和噪声水平对堆芯物理场重构精度和鲁棒性的影响规律。3）基于模型降阶和数据同化结合的理论，研究并提出了堆芯探测器参数设计和布局优化方法论，掌握了不同探测器可行域、探测器噪声水平及探测器数量对物理场重构精度的影响，优化提升了反应堆物理场重构的精确性和鲁棒性。.在项目执行期间，发表了高水平学术论文13篇，其中SCI收录文章10篇，EI收录2篇，北大核心期刊收录文章1篇；申请国家发明专利4项，已授权3项。相关研究成果作为组成部分获四川省科技进步二等奖1项，核电数字化技术与应用会议优秀论文二等奖1项。研究成果可为在运、在研先进反应堆堆芯在线监测系统物理场重构与测点布置优化提供理论和工程应用指导。