开式布雷顿热管堆车载核电源屏蔽设计及优化

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偏远地区的国防设施或分布式电力市场,远离可靠电网,是车载核电源的潜在市场。其地理、交通、气候等条件复杂,对车载核电源系统的安全性、运输性、操作性等提出了特殊的要求,因此对车载核电源堆芯方案及其屏蔽方案开展研究具有重要的实际意义和学术研究价值。其次,反应堆屏蔽系统的设计是反应堆设计的重要组成部分,其屏蔽效果能直接影响其反应堆设计目标的实现。对于车载核电源系统,其屏蔽设计除了要满足剂量限值这个要求以外,还要满足屏蔽层的质量、尺寸限值等指标,因此,有必要研究车载核电源的屏蔽优化问题。与此同时基于屏蔽设计者的工作经验和基础理论设计的屏蔽方案由于单一化、非最优等问题,不能完全满足车载核电源精确辐射屏蔽设计的应用需求。本文首先确定了以电功率1MWe、换料周期10年、总体质量轻、结构尺寸小、满足运输安全要求等为技术指标要求,确定了“热管冷却固态堆芯+开式布雷顿循环”的车载核电源;其次针对车载核电源在正常运行和系统停堆后运输这两种状态下的堆芯进行屏蔽设计。在运行状态下,为了进一步降低剂量值,可以使用便捷屏蔽层。便捷屏蔽层对车载核电源系统总质量与体积无直接影响,并可以依据运行厂址环境因地制宜,设计自由度较高;最后基于精英策略的快速非支配遗传算法(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-II,NSGA-Ⅱ),将屏蔽层的总质量与剂量率作为优化目标,得到运行过程和运输状态下的辐射屏蔽方案Pareto最优解集。数值结果表明,本文的NSGA-Ⅱ智能优化方法对开式布雷顿热管堆车载核电源的屏蔽系统的材料排序、厚度等关键设计参数进行了自动调整与迭代优化,可获得质量轻、剂量小的屏蔽优化方案。本文基于开式布雷顿热管堆车载核电源模型对本文方法开展了数值验证研究,证明了本文方法的正确性与可行性,可为车载核电源的辐射屏蔽优化提供理论与技术支撑。
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