基于遺傳算法的多目標(biāo)智能輻射屏蔽方法研究.pdf

1、輻射屏蔽系統(tǒng)設(shè)計(jì)是核工程設(shè)計(jì)的重要組成部分，其設(shè)計(jì)方案直接關(guān)系到核裝置及人員的輻射安全，并極大的影響裝置總體性能及工程造價(jià)等，甚至?xí)萍s最終目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。對于現(xiàn)代先進(jìn)核裝置的輻射屏蔽設(shè)計(jì)，如:商用核電站、復(fù)雜核設(shè)施、大型加速器及靶站等，尤其對于艦船用核動(dòng)力反應(yīng)堆、空間反應(yīng)堆，除要求規(guī)定區(qū)域的輻射劑量率滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)值、工程造價(jià)可接受外，還要嚴(yán)格的控制重量指標(biāo)和尺寸指標(biāo)，使得設(shè)計(jì)過程非常復(fù)雜、耗時(shí)。此外，屏蔽設(shè)計(jì)方案的選取還受屏蔽設(shè)計(jì)人員的知

2、識(shí)背景、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的影響。因此復(fù)雜核裝置的輻射屏蔽優(yōu)化問題，實(shí)際上是多維、多目標(biāo)優(yōu)化問題。針對核輻射屏蔽優(yōu)化問題，國內(nèi)外還未建立完善、成熟的多目標(biāo)輻射屏蔽設(shè)計(jì)優(yōu)化理論。
　　 本論文采用將遺傳算法與先進(jìn)屏蔽計(jì)算方法有機(jī)結(jié)合的方案，建立了完整的遺傳算法多維、多目標(biāo)核輻射屏蔽設(shè)計(jì)優(yōu)化理論體系。基于上述理論體系并參照軟件工程的開發(fā)流程研發(fā)了多維、多目標(biāo)輻射屏蔽設(shè)計(jì)智能優(yōu)化軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了輻射屏蔽設(shè)計(jì)方案選取過程的自動(dòng)化，消除了人因出錯(cuò)的

3、影響，并極大的提高了屏蔽設(shè)計(jì)分析的效率。本文對輻射屏蔽智能優(yōu)化平臺(tái)進(jìn)行了嚴(yán)格測試，并將其應(yīng)用于中國散裂中子源( CSNS)靶站主體屏蔽與中子孔道屏蔽設(shè)計(jì)，以及Sefaner號(hào)艦船反應(yīng)堆的二次屏蔽體區(qū)域的屏蔽設(shè)計(jì)中，驗(yàn)證了多目標(biāo)智能屏蔽設(shè)計(jì)理論及其軟件系統(tǒng)在工程應(yīng)用中的正確性和可行性。主要研究內(nèi)容為:
　　 (1)建立了基于遺傳算法的輻射屏蔽多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。采用混合編碼的方式對輻射屏蔽優(yōu)化過程的各個(gè)變量進(jìn)行表達(dá)，使得遺傳算法的

4、實(shí)現(xiàn)過程中各變量的表達(dá)簡單，同時(shí)采用多種雜交、變異操作方式實(shí)現(xiàn)遺傳操作過程。引入了目標(biāo)的適應(yīng)度函數(shù)的自適應(yīng)權(quán)重系數(shù)，從而達(dá)到了消除子目標(biāo)函數(shù)值域的差別和實(shí)現(xiàn)各子目標(biāo)之間權(quán)值系數(shù)可調(diào)節(jié)的目的。給出了各個(gè)子目標(biāo)的求解方法，包括:體積、重量、造價(jià)、劑量率等。引入溫度限值并將其作為方案評價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)之一，使得尋優(yōu)方案的結(jié)果更加可行。
　　 (2)建立了多維快速耦合劑量率計(jì)算方法，成功解決了遺傳算法隨機(jī)尋優(yōu)速度問題。即:在遺傳種群迭代過程中，

5、屏蔽計(jì)算首先采用快速的一維離散縱標(biāo)方法或三維點(diǎn)核積分方法獲得一個(gè)初步優(yōu)化的種群，在此基礎(chǔ)上采用計(jì)算速度較慢但精度很高的多維離散縱標(biāo)法或多維蒙特卡洛方法進(jìn)行最終優(yōu)化模型計(jì)算，這樣既能保證尋優(yōu)過程對計(jì)算速度的要求又能保證尋優(yōu)結(jié)果的精度。
　　 (3)研究了遺傳算子與種群規(guī)模等參數(shù)的設(shè)置范圍對多目標(biāo)核輻射屏蔽設(shè)計(jì)尋優(yōu)速度的影響。這些參數(shù)最佳設(shè)置范圍的獲得為平臺(tái)的工程應(yīng)用提供了經(jīng)驗(yàn)和借鑒。
　　 (4)采用美國核管會(huì)的壓力容器基

6、準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)文檔NUREG/CR-6453和NUREG/CR-6115，對優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)中的多維計(jì)算模塊進(jìn)行了基準(zhǔn)驗(yàn)證并設(shè)計(jì)算例對平臺(tái)進(jìn)行了嚴(yán)格的測試。最后，將輻射屏蔽多目標(biāo)優(yōu)化理論應(yīng)用于大型復(fù)雜核裝置（中國散裂中子源靶站系統(tǒng)、艦船反應(yīng)堆本體）屏蔽系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)中。
　　 建立了較完整的基于遺傳算法的多維、多目標(biāo)核輻射屏蔽優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，開發(fā)了基于該方法的智能輻射屏蔽設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)，并驗(yàn)證了多目標(biāo)智能屏蔽設(shè)計(jì)理論及其軟件系統(tǒng)在工程應(yīng)用中的