新型核反应堆的性能优化

改变传统方法的细棒稠密栅格核反应堆，有适合于核动力装置的特点和应用前景，国内外已关注这一动向。本研究利用最优化和最优控制的方法，研究这种堆芯的栅格参数，不同浓度燃料和可燃毒物的布置方式；对机动性能力提出了定量指标，并对具有给定自然循环能力和机动性能力要求的问题，归结为逆问题来研究，提出了研究解决这一问题的新思路。这些基本问题的研究，有望使核反应堆达到功率密度高、体积小、噪音低（流量小）和机动性高的优越特性。本研究把栅格参数问题归结为多目标最优化问题，利用两级优化方法，先求单目标优化问题，再利用协调算法，求得多目标问题的最优解。把不同浓度燃料和可燃毒物布置问题，利用最优控制理论中的极大值原理，归结为Bang-Bang控制问题，求得堆芯的最优布置。把自然循环能力对堆芯推动力的要求，机动性对时间常数的要求，分别描述为逆问题，求得给定这两种能力的堆芯参数。

研究目标为具有优化性能的新型核反应堆的堆芯参数。首先，分析细棒稠密栅格堆芯的特点，以功率密度、冷却剂进出口温差、流体引起的振动为目标，利用带精英策略的非支配排序遗传算法进行多目标优化计算，得到堆芯栅格参数的Pareto最优解集；提出堆芯机动性能的要求，并根据这一要求对Pareto最优解集进行验证；在分析栅格参数对堆芯性能敏感性的基础上，选择出最终关于堆芯稠密栅格的优化解，与ABV-6M和CPWR640堆的对比说明细棒稠密栅格具有体积小，流量低，主参数先进，机动性能好等综合性能的优势。其次，将最优栅格参数所对应的冷却剂状态参数作为计算工况，对直流蒸汽发生器进行优化，采用遗传算法，以内螺旋管螺距和套管中心距为设计变量，直流蒸汽发生器运行中功耗最低为目标函数进行优化计算，得到了适用于稠密栅格堆芯的直流蒸汽发生器的最优结构；然后提出自然循环和强迫循环的切换功率，利用迭代计算出在满足直流蒸汽发生器稳定性的前提下能够实现自然循环的最低位差。. 最后利用逆向求解扩散方程的方法对燃料装载进行优化，以堆芯最低比装料为目标求得最优燃料分布；在此基础上利用极大值原理，以堆芯径向功率峰值因子最小为目标，对可燃毒物的分布进行优化计算，最终得到燃料和可燃毒物的最优布置。