事故条件下放射性废液污染预测的机理性神经网络模型研究

发布时间：2020-05-19 05:31

【摘要】：实现对放射性液态流出物在受纳水体中扩散迁移运动的快速准确预测对于事故条件下的核电水安全管理具有重要意义。我国的现有研究成果主要服务于运营中的滨海核电站和拟建内陆核电站的正常运行工况,少有针对内陆核电事故条件下的研究成果。目前描述放射性核素在水体中扩散迁移运动的机理模型多是采用水动力学方法,迭代求解过程计算时间长,同时计算过程中边界条件设置不灵活,难以满足事故后迅速做出应急响应的需求。而能够实现快速输出预测结果的数据驱动模型属于黑箱模型,难以通过核试验获取黑箱模型要求的数据样本,且不能反映研究对象的内在机理。有鉴于此,本文提出将机理模型与数据驱动模型有机结合起来,构建一类新型的既具有数据驱动特点又具有一定物理基础的神经网络模型。论文一方面以复杂的混沌动力学系统为算例研究这类模型的预测效果及其影响因素,另一方面以放射性污染物扩散迁移问题的水动力学系统为研究对象,采用拟建的湖北咸宁核电站及受纳水体富水水库为实例,参考日本福岛核电事故的污染物泄漏源项进行了污染预测,以研究机理先验前馈网络模型的预测效果及其影响因素。论文具体包括以下三个方面：(1)机理神经网络模型所需的训练样本获取以湖北咸宁核电站及受纳水体富水水库为研究对象,参考日本福岛核电事故的泄漏工况,建立了放射性核素在受纳水体中扩散迁移运动的水动力学模型,提出了稳定流与非稳定流相结合的计算方法,结合富水水库地形和实测水文资料对典型年内研究时段的流场进行了模拟计算。在流场模拟的基础上,模拟了咸宁核电站事故后不同半衰期核素的扩散迁移过程,对比分析了两者在影响范围和影响持续时间上的差异。针对不同泄漏点工况,研究了地表水文条件对污染物运动的影响。计算结果表明污染物到达下游坝址处时,短半衰期核素的浓度比长半衰期核素低1～2个数量级,前者对研究区域的影响时间在50天以内,而后者会持续100天以上；局部涡流作用会造成污染物的滞留,泄漏点2工况比泄漏点1工况的污染物扩散相对滞后1天,并且污染物会对上游及支流水体造成一定影响。在数值模拟计算结果的基础上,评估了放射性废液对富水水库及大坝下游水体、水生生物和公众的辐射剂量。结果表明受纳水体会遭受到严重污染,局部水域超标最多达到2550倍,富集在鱼体内的辐射剂量超标25倍。公众食用被污染鱼类造成的辐射伤害大于饮用污染水体造成的伤害。(2)基于Chen和Mackey-Glass混沌系统的新型机理神经网络模型的建立与验证分别以Chen混沌系统和Mackey-Glass混沌系统中的部分或者全部混沌动力学方程作为机理知识,建立了基于Chen和Mackey-Glass混沌系统的新型机理神经网络模型,并采用改进的PSO算法对神经网络模型的参数进行求解,同时研究了先验知识对提高神经网络模型泛化性能的作用及其影响因素。计算结果表明,采用混沌系统已知的动态方程作为先验知识,可以明显提高前馈网络模型的泛化性能。Chen系统中三个分量采用新型网络模型计算的平均绝对百分误差比BP模型分别减小了21.58、21.21、1.247；同样,Mackey-Glass系统使用新型网络模型后平均绝对百分误差减小了53%。网络结构的复杂程度、训练样本数量和学习精度都会起到一定影响作用,其中样本越少、学习精度越低,先验知识提升泛化性能的作用越明显。网络的结构会对先验知识的提升效果造成影响,在计算结果最合理的网络结构下先验知识的作用往往最明显。(3)放射性污染物预测的新型机理神经网络模型的建立与验证为解决机理模拟迭代计算时间长、灵活性不足的缺点,实现对污染物浓度变化趋势的快速准确预测,给出了将机理模型与数据驱动模型耦合的方法,将代表研究对象物理机理的组分输运方程作为先验知识,构建了一类新型的先验前馈网络模型,并将其应用到事故条件下放射性核素的浓度预测。研究表明,机理性先验知识由于能反映出样本数据所不包含的物理特性,比由样本数据生成的单调性先验知识具有更强的约束性。在样本数量充足的情况下,单调性先验知识对网络计算精度的提升效果并不明显。在对长序列的污染物浓度变化过程进行预测时,先验知识同样可以提高预测精度,全预测期的相对误差从243%下降到50%以内。但由于误差传递的作用和逆归一化处理对误差的放大,在预测时段后期预测精度会逐渐下降。结合预测结果和事故初期对计算精度的需求,认为该模型具有实现事故后对污染物快速准确预测的实际应用价值。本文针对描述污染物扩散迁移运动的机理模型和数据驱动模型的不足,构建了一类有一定物理意义的先验前馈网络模型,并从数学模型和实例分析两方面开展了一系列研究工作,对我国内陆核电水安全管理提供了理论支撑。在总结研究成果的同时,针对本文研究过程中的不足,展望了未来可以继续深化研究的工作方向。
【图文】：

放射性核素,河流,扩散强度,放射性元素

和密度分层引起的对流作用会使放射性核素在垂直方向上扩散，且不同水层放射逡逑性核素的扩散强度和浓度不同：⑤由于水力条件的改变，水流流速减缓，放射性逡逑悬浮物比河流中更容易发生沉淀。

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放射性物质被底泥吸附逦＼＼逡逑图１－２放射性元素排入河流的迁移运动（图片来源：Ｉ化Ａ１９号报告）逡逑在湖泊、水库中，放射性核素也会进行与河流中大致类似的扩散迁按运动，逡逑但湖泊、水库因其水面宽广，水流流速相对放慢，水体滞留调蓄功能加大，风力逡逑影响显著，水深较深Ｗ及边界条件等特点使得放射性核素在湖泊、水库的扩散迁逡逑移又与其在河流中迁移有所不同（Ｍｏｎｔｅ邋ｅｔａｌ．，邋２００３），主要不同点如下：①对于流逡逑速较慢的深水湖泊和水库，核素的随流运动和输运作用减弱而其它扩散作用变强，逡逑这种扩散混合往往是非均匀的：②进入湖泊和水库的放射性核素，，会水流入口逡逑为圆也的扇形方向扩散；⑤在湖泊和水库中，风浪造成的放射性核素扩散迁移变逡逑得异常明显；④对于水深较大而水面又较为宽广的湖泊、水库
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X771

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