A nuclear reactor based on MIT BEAVRS benchmark was used as a typical power generating Pressurized Water Reactor (PWR). The PARCS v3.2 nodal-diffusion core simulator was used as a full-core reactor physics solver to emulate the operation of a reactor and to generate training, and validation data for the ANN. The ANN was implemented with dedicated Python 3.8 code with Google's TensorFlow 2.0 library. The effort was based to a large extent on the process of appropriate automatic transformation of data generated by PARCS simulator, which was later used in the process of the ANN development. Various methods that allow obtaining better accuracy of the ANN predicted results were studied, such as trying different ANN architectures to find the optimal number of neurons in the hidden layers of the network. Results were later compared with the architectures proposed in the literature. For the selected best architecture predictions were made for different core parameters and their dependence on core loading patterns. In this study, a special focus was put on the prediction of the fuel cycle length for a given core loading pattern, as it can be considered one of the targets for plant economic operation. For instance, the length of a single fuel cycle depending on the initial core loading pattern was predicted with very good accuracy (>99%). This work contributes to the exploration of the usefulness of neural networks in solving nuclear reactor design problems. Thanks to the application of ANN, designers can avoid using an excessive amount of core simulator runs and more rapidly explore the space of possible solutions before performing more detailed design considerations.


翻译:本文以MIT BEAVRS基准核反应堆作为样例,利用PARCS v3.2节点扩散反应堆物理模拟器进行仿真,生成人工神经网络(ANN)的训练和验证数据。将专用的Python 3.8代码与Google的TensorFlow 2.0库相结合来实现ANN,本文主要基于从PARCS模拟器生成数据的自动转换过程,相应地开发出ANN。本文研究了各种提高ANN预测结果准确性的方法,例如尝试不同的ANN结构以找到网络隐藏层中最佳的神经元数量等。结果与文献中提出的结构进行了比较,并针对最佳结构进行了不同核参数的预测与核心加载模式的相关性分析。本研究特别关注了对于给定的核心加载模式,预测燃料循环长度的问题,因为它可以被视为在核电站经济运行中的一个目标。例如,单个燃料周期的长度根据初始核心加载模式进行了预测,预测准确率高达99%。本文对于探索神经网络在解决核反应堆设计问题方面的有用性做出了贡献。借助ANN的应用,设计师可以避免使用大量的核心模拟器运行,并在进行更详细的设计考虑之前更快地探索可能的解决方案。

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人工神经网络(Artificial Neural Network,即ANN ),是20世纪80 年代以来人工智能领域兴起的研究热点。它从信息处理角度对人脑神经元网络进行抽象, 建立某种简单模型,按不同的连接方式组成不同的网络。在工程与学术界也常直接简称为神经网络或类神经网络。神经网络是一种运算模型,由大量的节点(或称神经元)之间相互联接构成。每个节点代表一种特定的输出函数,称为激励函数(activation function)。每两个节点间的连接都代表一个对于通过该连接信号的加权值,称之为权重,这相当于人工神经网络的记忆。网络的输出则依网络的连接方式,权重值和激励函数的不同而不同。而网络自身通常都是对自然界某种算法或者函数的逼近,也可能是对一种逻辑策略的表达。 最近十多年来,人工神经网络的研究工作不断深入,已经取得了很大的进展,其在模式识别、智能机器人、自动控制、预测估计、生物、医学、经济等领域已成功地解决了许多现代计算机难以解决的实际问题,表现出了良好的智能特性。
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