用于核电站被动安全系统的高二极管性隔膜水银二极管的多维优化

《Nuclear Engineering and Design》：Multidimensional optimization of the high-diodicity diaphragm hydrodiode for passive safety systems of nuclear power plants

本文提出了一种新型高效膜片式水力二极管设计，通过机器学习辅助的代理模型对几何参数进行多目标优化，结合遗传算法和信任区域方法确定最优配置，实验验证显示其泄漏系数达2.59，首次突破膜片式二极管性能限制，为核安全系统提供紧凑可靠的被动元件方案。

　　

维克托·谢尔巴 | 阿纳托利·海特 | 谢尔盖·卡伊戈罗多夫 | 克谢尼娅·索基尔科 | 叶夫根尼·帕夫柳琴科

俄罗斯联邦奥姆斯克国立技术大学流体力学与机械系，邮编644050，奥姆斯克

摘要

本文提出了一种新型的高效隔膜水力二极管（即流体二极管），用于核电站的安全电路。为了实现最大的二极管特性，采用机器学习辅助的替代模型对其几何形状进行了多参数优化。替代模型的训练通过准随机采样完成，而精确的二极管特性值则基于雷诺平均纳维-斯托克斯方程的CFD模拟得出，该方程采用了$k?\omega$湍流模型。通过迭代补充采样方法进一步提高替代模型的准确性。在替代模型的基础上，运用遗传算法和信赖区域优化算法得到了最优的水力二极管配置。CFD和替代模型报告的最大二极管特性值为$D_{\mathrm{CFD}}\approx 2.74$，而实验验证的最优二极管配置的二极管特性值为$D_{\exp }=2.59$。这种隔膜水力二极管的高二极管特性值是首次报道的，因此是该领域的一项重要成就。所提出的设计和优化方法为构建紧凑且可靠的安全系统被动组件提供了可能性。

引言

现代核电站（NPP）的安全概念优先考虑开发能够在无需外部能源和主动控制系统的情况下在紧急模式下运行的被动系统（参见液态金属冷却快中子反应堆技术现状。IAEA-TECDOC-1083，1999）。增加被动元件的比例直接有助于降低严重事故的概率并最小化其后果。其中一类有前景的设备是水力二极管（hydrodiodes），它们是具有复杂形状的通道，能够为冷却剂的正向和反向流动提供不同的流体阻力（Lebedev等人，1973）。它们的工作原理类似于电气工程中的半导体二极管，这也是其名称的由来。由于没有活动机械部件，它们异常可靠，抗侵蚀且无需维护，这对于长期运行中的辐射环境特别有价值（Priestman和Tippetts，1984）。

在对福岛第一核电站事故之后，人们对用于压水反应堆（PWRs）的水力二极管的兴趣增加，这刺激了寻找应对事故条件的解决方案的研究（Stratta和Belliard，2017；Todreas，2009）。在这种情况下，被动限制不需要的流动的能力直接影响堆芯的安全。在（Stratta和Belliard，2017）中研究了PWR在失去冷却剂（LOFC）事故时的情况。提出了两种系统：容器内流量限制器和先进蓄能器，这两种系统都基于水力二极管原理。特别是，先进蓄能器（Stratta和Belliard，2017）旨在在水位降至某个临界水平以下时限制流量。流量限制器通过水力二极管自动切换，以避免过量的冷却剂损失，同时补偿通过破裂口流出的水。

（Rosnovsky和Yaurov，2024）还研究了水力二极管作为泄漏限制装置的可行性。研究表明，泄漏限制装置可以显著减少通过小管道破裂（轻微泄漏）的冷却剂泄漏。这提高了人员和安全系统的响应时间，减少了辐射暴露。

同时，（Shin等人，2018）研究了混合回路池式第四代钠冷快中子反应堆（SFR）的运行情况。在这种类型的反应堆中，热池和直接热交换器浸入冷池中；因此，热池和冷池在物理上是分离的但在热上是耦合的。在正常运行期间，热量通过液态钠的强制对流被带走。为了防止过量的热量损失，应大幅减少小旁路流量。在LOFC事故期间，堆芯冷却通过自然循环进行，该循环反向通过旁路。通过安装水力二极管，可以实现根据旁路流动方向变化的高低流量（Shin等人，2018）。

根据文献综述，可以确定核工业中水力二极管发展的几个主要方向：

1.

涡流二极管。这些二极管的工作原理是在反向流动时在腔室内产生强烈的涡流，导致显著的流体损失（Zobel，1936；ORNL/TM-2011/425，2011）。它们表现出较高的二极管特性（高达4.5及以上），例如，它们是用于钠反应堆中被动切换循环模式的关键元件（Shin等人，2018；ORNL/TM-2009/297，2009；Kulkarni等人，2008）。包括大涡模拟（LES）在内的研究显著有助于理解涡流二极管中的非稳态过程（Yin等人，2010）。然而，它们的设计可能相对笨重。

2.

特斯拉阀。这种类型的水力二极管基于一系列分支通道。由于其简单性和紧凑性而受到关注。流动模拟显示其在阻力方面的二极管特性可能非常高（Yin等人，2010）；然而，现有的研究尚未得到充分的实验验证。

3.

隔膜水力二极管。这种类型的二极管以其设计简单性和小尺寸为特点（Kaigorodov，2019；Shcherba等人，2024）。这使它们成为紧凑电路、紧急冷却系统和其他需要频繁改变流动方向或组织单向循环的应用的理想候选者（Kaigorodov，2021；Kaigorodov，2020；Xiaomi，2015）。然而，限制其在关键核电站系统中广泛应用的主要和关键缺点是二极管特性较低，通常不超过1.7…1.8（Shcherba等人，2024；Khabarova等人，2017）。

因此，市场对结合低正向阻力和高二极管特性的紧凑、技术先进且可靠的水力二极管设计有着持续的需求。隔膜水力二极管具备占据这一市场的所有优势，除了关键参数——二极管特性。设计高效二极管需要现代优化方法，例如拓扑优化（Lim等人，2019）或基于替代建模的方法。

考虑到这一点，本研究提出了一种新型的高效隔膜水力二极管设计，采用了倾斜板的偏心排列。研究的主要目标是通过几何优化显著提高其二极管特性，从而克服隔膜水力二极管的基本限制。与涡流二极管不同，新设计侧重于在紧凑性、简单性和正向最小阻力重要的应用场景中。

基于参数研究的传统设计改进方法在多维几何参数空间中面临困难。为了克服直接计算流体动力学（CFD）建模的高计算成本限制，本研究采用了一种基于人工神经网络（ANN）的替代模型方法，该网络使用CFD数据进行训练（Rafiq等人，2001；Welp等人，2025；Dhuper等人，2024）。为了在四个几何参数的空间中全局搜索最优配置，应用了遗传算法和信赖区域方法，随后对获得的结果进行了实验验证。

本研究的目标是大幅提高隔膜水力二极管的二极管特性，以扩展其在核电站被动安全系统和循环电路中的应用范围。

节选内容

问题陈述

所考虑的隔膜水力二极管的原理示意图如图1所示。与之前的研究（Shcherba等人，2024）不同，倾斜板以不同的偏心参数$l$偏心布置。板间的间隙$s$、倾斜角$\beta$以及通道之间的距离$\Omega$被假设为定义水力二极管几何形状的最小参数集。水力二极管的主要整体特性，即二极管特性，定义为：

流体流动模拟

由于高昂的制造和时间成本，直接实验研究大量具有不同几何形状和尺寸的水力二极管原型是不合理的，这一点在4.1节中进行了讨论。为了克服这些复杂性，建议用基于CFD方法的数值流体流动分析来替代部分实验。

水力二极管域内的流体流动是三维的，具有显著的粘性和湍流效应。

实验方法

数值研究的准确性以及优化设计有效性的标准是将数值结果与全尺寸实验测量结果进行定量比较。为此，制造并在专门设计的液压测试台上测试了隔膜水力二极管原型。

替代模型准确性

对于每种考虑的ANN配置，表2总结了$?$（12）和$r_{\mathrm{ff}}$（13）的估计值。可以看出，当选择每个隐藏层有200个神经元时，RMS值降至非常低的水平（$?<0.01\%$）。虽然这个低的RMS值足以进行进一步分析，但将每个隐藏层的神经元数量增加到500个后，二极管特性的插值更加平滑。另一方面，进一步增加神经元数量并不必要。

结论

本文提出了用于被动核电站安全系统的新高效水力二极管的研究结果。该研究包括全尺寸数值实验、多维优化和主要结果的实验验证。可以得出以下结论：

1.

本文介绍了一种具有偏心排列倾斜板的新隔膜水力二极管设计。其流动域可以通过四个独立参数来规定：

CRediT作者贡献声明

维克托·谢尔巴：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、数据管理。阿纳托利·海特：撰写——审稿与编辑、软件开发、方法论、概念化。谢尔盖·卡伊戈罗多夫：撰写——初稿撰写、验证、形式分析。克谢尼娅·索基尔科：资源协调、调查。叶夫根尼·帕夫柳琴科：撰写——审稿与编辑、可视化。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：谢尔盖·卡伊戈罗多夫和叶戈尔·多罗菲耶夫表示获得了俄罗斯科学基金会的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

V.谢尔巴、S.卡伊戈罗多夫和E.帕夫柳琴科感谢俄罗斯科学基金会（授予编号为25-29-20049的资助）对这项研究的支持。