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基于Modelica的核动力装置参数优化研究

摘要

与化石燃料相比，核能具有功率密度高、无需氧气、续航能力强等优点，所以核

能在诞生之初就很快被应用于核动力装置，但是对于核动力装置而言，由于系统配置

较为复杂，各系统之间存在强烈的耦合关系，导致装置相对笨重、所占空间大。如何

在确保核动力装置效率以及安全可靠的前提下，尽可能地减小其重量、体积已经成为

评价核动力装置技术水平的一个重要指标。本文针对传统自开发程序模型通用性较差、

建模效率较低的不足，以压水堆核动力装置一、二回路系统为研究对象，基于

Modelica语言和OpenModelica平台构建了标准化模型并开展了相关研究，以最优化理

论为指导对核动力装置关键参数进行优化设计。本文主要研究内容和结果如下：

(1)基于反应堆堆芯、压力容器、蒸汽发生器、稳压器、主冷却剂泵、主汽轮机、

冷凝器及减速器的数学模型，采用Modelica语言开发了相应的评价程序，实现了模型

的自由组态及可视化仿真建模。并利用评价程序开展了关键参数的可靠性验证，与母

型参数对比，计算结果误差均在3.5%以内，证明了程序的可靠性。

(2)通过大量的文献调研，在非支配排序遗传算法（NSGA）的基础上对优化算法

进行改进。针对选择算子，引入了支配解理论和拥挤度两个概念，保证优化结果在优

化解集中可以有哪些信誉好的足球投注网站到所需要的最优解。并利用国际标准例题进行测试，结果显示新型

多目标遗传算法的收敛性和分布性指标均有一定的提升。

(3)对核动力装置的优化设计建模过程进行了详细的介绍，并选取反应堆堆芯、压

力容器、蒸汽发生器（2台）、主冷却剂泵（4台）、稳压器、主汽轮机、冷凝器和减速

器的重量及体积作为核动力装置的总重量和总体积。通过敏感性分析，选取一回路工

作压力、堆芯进出口温度、蒸汽发生器二次侧压力4个运行参数以及燃料元件节径比、

蒸发器传热管节径比、蒸发器传热管外径、稳压器内径、冷凝器工作压力、冷凝器冷

却水流速、高压缸两级减速比之比、低压缸两级减速比之比这8个结构参数作为优化

变量，开展核动力装置重量、体积、自然循环能力、安全性以及热效率的多目标优化

研究。与母型方案对比，当采取重量体积优先方案时，重量、体积分别降低14%、

15%；当采取自然循环能力优先方案时，自然循环能力增加约31%；当采取装置热效

率优先方案时，热效率增加约13%。

(4)通过优化计算，得到多目标优化结果研究表明，装置重量体积具有一定程度的

正相关性，而重量体积与自然循环能力大体呈负相关性，自然循环能力与装置安全性

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也有一定程度的相关性。

关键词：OpenModelica；核动力装置；遗传算法；多目标优化设计

基于Modelica的核动力装置参数优化研究

ABSTRACT

Comparedtofossilfuels,nuclearenergyboastshighpowerdensity,operateswithout

oxygen,andexhibitsstrongendurance,whichledtoitsrapidadoptioninnuclearpower

systemsfromtheoutset.However,duetothecomplexityoftheirconfigurationsandthe

strongcouplingbetweenvarioussystems,nuclearpowerdevicestendtobebulkyandoccupy

significantspace.Minimizingweightandvolumewhileensuringefficiency,safety,and

reliabilityh