【摘要】：實(shí)現(xiàn)對放射性液態(tài)流出物在受納水體中擴(kuò)散遷移運(yùn)動的快速準(zhǔn)確預(yù)測對于事故條件下的核電水安全管理具有重要意義。我國的現(xiàn)有研究成果主要服務(wù)于運(yùn)營中的濱海核電站和擬建內(nèi)陸核電站的正常運(yùn)行工況,少有針對內(nèi)陸核電事故條件下的研究成果。目前描述放射性核素在水體中擴(kuò)散遷移運(yùn)動的機(jī)理模型多是采用水動力學(xué)方法,迭代求解過程計(jì)算時間長,同時計(jì)算過程中邊界條件設(shè)置不靈活,難以滿足事故后迅速做出應(yīng)急響應(yīng)的需求。而能夠?qū)崿F(xiàn)快速輸出預(yù)測結(jié)果的數(shù)據(jù)驅(qū)動模型屬于黑箱模型,難以通過核試驗(yàn)獲取黑箱模型要求的數(shù)據(jù)樣本,且不能反映研究對象的內(nèi)在機(jī)理。有鑒于此,本文提出將機(jī)理模型與數(shù)據(jù)驅(qū)動模型有機(jī)結(jié)合起來,構(gòu)建一類新型的既具有數(shù)據(jù)驅(qū)動特點(diǎn)又具有一定物理基礎(chǔ)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。論文一方面以復(fù)雜的混沌動力學(xué)系統(tǒng)為算例研究這類模型的預(yù)測效果及其影響因素,另一方面以放射性污染物擴(kuò)散遷移問題的水動力學(xué)系統(tǒng)為研究對象,采用擬建的湖北咸寧核電站及受納水體富水水庫為實(shí)例,參考日本福島核電事故的污染物泄漏源項(xiàng)進(jìn)行了污染預(yù)測,以研究機(jī)理先驗(yàn)前饋網(wǎng)絡(luò)模型的預(yù)測效果及其影響因素。論文具體包括以下三個方面：(1)機(jī)理神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型所需的訓(xùn)練樣本獲取以湖北咸寧核電站及受納水體富水水庫為研究對象,參考日本福島核電事故的泄漏工況,建立了放射性核素在受納水體中擴(kuò)散遷移運(yùn)動的水動力學(xué)模型,提出了穩(wěn)定流與非穩(wěn)定流相結(jié)合的計(jì)算方法,結(jié)合富水水庫地形和實(shí)測水文資料對典型年內(nèi)研究時段的流場進(jìn)行了模擬計(jì)算。在流場模擬的基礎(chǔ)上,模擬了咸寧核電站事故后不同半衰期核素的擴(kuò)散遷移過程,對比分析了兩者在影響范圍和影響持續(xù)時間上的差異。針對不同泄漏點(diǎn)工況,研究了地表水文條件對污染物運(yùn)動的影響。計(jì)算結(jié)果表明污染物到達(dá)下游壩址處時,短半衰期核素的濃度比長半衰期核素低1～2個數(shù)量級,前者對研究區(qū)域的影響時間在50天以內(nèi),而后者會持續(xù)100天以上；局部渦流作用會造成污染物的滯留,泄漏點(diǎn)2工況比泄漏點(diǎn)1工況的污染物擴(kuò)散相對滯后1天,并且污染物會對上游及支流水體造成一定影響。在數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上,評估了放射性廢液對富水水庫及大壩下游水體、水生生物和公眾的輻射劑量。結(jié)果表明受納水體會遭受到嚴(yán)重污染,局部水域超標(biāo)最多達(dá)到2550倍,富集在魚體內(nèi)的輻射劑量超標(biāo)25倍。公眾食用被污染魚類造成的輻射傷害大于飲用污染水體造成的傷害。(2)基于Chen和Mackey-Glass混沌系統(tǒng)的新型機(jī)理神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的建立與驗(yàn)證分別以Chen混沌系統(tǒng)和Mackey-Glass混沌系統(tǒng)中的部分或者全部混沌動力學(xué)方程作為機(jī)理知識,建立了基于Chen和Mackey-Glass混沌系統(tǒng)的新型機(jī)理神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,并采用改進(jìn)的PSO算法對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的參數(shù)進(jìn)行求解,同時研究了先驗(yàn)知識對提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型泛化性能的作用及其影響因素。計(jì)算結(jié)果表明,采用混沌系統(tǒng)已知的動態(tài)方程作為先驗(yàn)知識,可以明顯提高前饋網(wǎng)絡(luò)模型的泛化性能。Chen系統(tǒng)中三個分量采用新型網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算的平均絕對百分誤差比BP模型分別減小了21.58、21.21、1.247；同樣,Mackey-Glass系統(tǒng)使用新型網(wǎng)絡(luò)模型后平均絕對百分誤差減小了53%。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度、訓(xùn)練樣本數(shù)量和學(xué)習(xí)精度都會起到一定影響作用,其中樣本越少、學(xué)習(xí)精度越低,先驗(yàn)知識提升泛化性能的作用越明顯。網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)會對先驗(yàn)知識的提升效果造成影響,在計(jì)算結(jié)果最合理的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下先驗(yàn)知識的作用往往最明顯。(3)放射性污染物預(yù)測的新型機(jī)理神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的建立與驗(yàn)證為解決機(jī)理模擬迭代計(jì)算時間長、靈活性不足的缺點(diǎn),實(shí)現(xiàn)對污染物濃度變化趨勢的快速準(zhǔn)確預(yù)測,給出了將機(jī)理模型與數(shù)據(jù)驅(qū)動模型耦合的方法,將代表研究對象物理機(jī)理的組分輸運(yùn)方程作為先驗(yàn)知識,構(gòu)建了一類新型的先驗(yàn)前饋網(wǎng)絡(luò)模型,并將其應(yīng)用到事故條件下放射性核素的濃度預(yù)測。研究表明,機(jī)理性先驗(yàn)知識由于能反映出樣本數(shù)據(jù)所不包含的物理特性,比由樣本數(shù)據(jù)生成的單調(diào)性先驗(yàn)知識具有更強(qiáng)的約束性。在樣本數(shù)量充足的情況下,單調(diào)性先驗(yàn)知識對網(wǎng)絡(luò)計(jì)算精度的提升效果并不明顯。在對長序列的污染物濃度變化過程進(jìn)行預(yù)測時,先驗(yàn)知識同樣可以提高預(yù)測精度,全預(yù)測期的相對誤差從243%下降到50%以內(nèi)。但由于誤差傳遞的作用和逆歸一化處理對誤差的放大,在預(yù)測時段后期預(yù)測精度會逐漸下降。結(jié)合預(yù)測結(jié)果和事故初期對計(jì)算精度的需求,認(rèn)為該模型具有實(shí)現(xiàn)事故后對污染物快速準(zhǔn)確預(yù)測的實(shí)際應(yīng)用價值。本文針對描述污染物擴(kuò)散遷移運(yùn)動的機(jī)理模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動模型的不足,構(gòu)建了一類有一定物理意義的先驗(yàn)前饋網(wǎng)絡(luò)模型,并從數(shù)學(xué)模型和實(shí)例分析兩方面開展了一系列研究工作,對我國內(nèi)陸核電水安全管理提供了理論支撐。在總結(jié)研究成果的同時,針對本文研究過程中的不足,展望了未來可以繼續(xù)深化研究的工作方向。
【圖文】：

和密度分層引起的對流作用會使放射性核素在垂直方向上擴(kuò)散，且不同水層放射逡逑性核素的擴(kuò)散強(qiáng)度和濃度不同：⑤由于水力條件的改變，水流流速減緩，放射性逡逑懸浮物比河流中更容易發(fā)生沉淀。

放射性物質(zhì)被底泥吸附邐＼＼逡逑圖１－２放射性元素排入河流的遷移運(yùn)動（圖片來源：Ｉ化Ａ１９號報告）逡逑在湖泊、水庫中，放射性核素也會進(jìn)行與河流中大致類似的擴(kuò)散遷按運(yùn)動，逡逑但湖泊、水庫因其水面寬廣，水流流速相對放慢，水體滯留調(diào)蓄功能加大，風(fēng)力逡逑影響顯著，水深較深Ｗ及邊界條件等特點(diǎn)使得放射性核素在湖泊、水庫的擴(kuò)散遷逡逑移又與其在河流中遷移有所不同（Ｍｏｎｔｅ邋ｅｔａｌ．，邋２００３），主要不同點(diǎn)如下：①對于流逡逑速較慢的深水湖泊和水庫，核素的隨流運(yùn)動和輸運(yùn)作用減弱而其它擴(kuò)散作用變強(qiáng)，逡逑這種擴(kuò)散混合往往是非均勻的：②進(jìn)入湖泊和水庫的放射性核素，，會水流入口逡逑為圓也的扇形方向擴(kuò)散；⑤在湖泊和水庫中，風(fēng)浪造成的放射性核素?cái)U(kuò)散遷移變逡逑得異常明顯；④對于水深較大而水面又較為寬廣的湖泊、水庫
【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：X771

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本文編號：2670419