一体化反应堆关键设备及系统优化设计研究
摘要
由于核动力装置尤其是船用核动力装置受空间和载重所限，在满足反应堆设计需求
的基础上应尽可能的实现其小型化。本文以一体化压水堆一回路系统为研究对象，依据
最优化方法，对一回路关键设备及系统的重量和体积开展了多目标优化设计研究及分析。
本文的主要研究内容和结果如下所示：
1
（）建立了板状燃料元件堆芯和直管式直流蒸汽发生器数学模型，基于已有压力
容器、稳压器和主冷却剂泵模型，利用C#语言开发了一回路系统评价程序。利用评价程
序开展了结构和性能的评估验证，程序关键参数的计算结果与母型（参照对象）设计值
的误差小于1%，证明了程序的可靠性。
2MOGANSGA
（）在充分调研多目标遗传算法（）、非支配排序遗传算法（）、带精
NSGA-II
英策略的快速非支配排序遗传算法（）以及基于参考点的非支配排序遗传算法
NSGA-IIINSGA-III
（）的原理和策略的基础上，针对算法局部搜索能力较差的缺点，
引入了基于黄金正弦算法的自适应变异策略，提出了改进的GSA-NSGA-III多目标算法。
并且利用国际标准例题进行测试，验证了该算法在求解多目标优化问题时收敛性和分布
性指标的优越性。
3
（）基于直流蒸汽发生器评价程序，开展了蒸汽发生器关键参数的敏感性分析，选
取反应堆一回路压力、堆芯冷却剂进出口温度、蒸汽发生器二次侧压力以及传热管外径
6GSA-NSGA-III
和节径比这个参量作为优化变量。采用算法进行了蒸汽发生器重量和
体积的多目标优化设计，并获得了相应的优化方案。与母型方案对比可知，优化方案的
重量降低了29.35%，体积减小了22.58%。
4IP200
（）参考一体化压水堆的一回路布置形式，确定了反应堆一回路系统中的
设备类型和设备数量。选取反应堆堆芯、反应堆压力容器、蒸汽发生器（12台）、主冷
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却剂泵（台）和稳压器这个关键设备的重量之和以及压力容器的体积作为一回路系
统的重量和体积。通过敏感性分析，选取一回路运行压力、堆芯冷却剂进口温度、堆芯
冷却剂出口温度、蒸汽发生器二次侧压力、堆芯与蒸汽发生器高度差、传热管外径和传
热管节径比这7个参量作为优化变量，开展一回路系统重量和体积的多目标优化研究。
由于重量和体积这两个优化目标之间虽然具有强正相关性，但仍有一定的负相关性，且
系统的重量和体积较大，选取不同优化方案时的变化较为明显，因此分别示出了系统的
重量最优方案和体积最优方案。分析优化方案可知，重量最优方案中，重量比母型值降
哈尔滨工程大学专业学位硕士学位论文
低了9.49%，体积比母型值减小了7.99%；体积最优方案中，重量比母型值降低了8.47%，
体积比母型值减小了9.38%。
关键词：反应堆一回路系统；多目标遗传算法；一体化压水堆；优化设计
一体化反应堆关键设备及系统优化设计研究
Abstract
Duetothelimitationsofspaceandload,especiallyinmarinenuclearpowerunits,itis
necessarytominiaturizethenuclearpowerplantasmuchaspossiblewhilemeeting