Assessment of Machine Learning-Based Critical Heat Flux Models in the CTF Subchannel Code for Square Rod Bundle Prediction

TL;DR

使用CTF子通道代码的机器学习模型显著提高了方形棒束的临界热流密度预测精度。

cs.LG 🔴 高级 2026-09-19 15 次浏览
Aidan Furlong Vinicius de Melo Monteiro Robert Salko Juliana Pacheco Duarte Xu Wu
机器学习 临界热流密度 核热水力学 混合模型 方形棒束

核心发现

方法论

本研究采用了纯机器学习和混合残差校正模型,结合局部和半局部公式进行评估。使用EPRI棒束CHF数据库,模型在CTF子通道代码中部署,评估其在方形棒束几何中的表现。

关键结果

  • 局部混合LUT模型表现最佳,半局部纯ML模型也表现出色。与Bowring、W-3和2006 Groeneveld LUT相比,基于管道数据训练的模型在棒束预测中表现出显著改进。
  • 在大多数几何和操作条件下,ML模型优于传统方法。
  • 即使模型仅在管道数据上训练,仍可在棒束应用中实现显著改进。

研究意义

该研究首次在生产级子通道分析环境中大规模评估了ML模型在方形棒束中的应用,支持其在反应堆热水力分析中的广泛应用。通过提高CHF预测精度,增强了燃料性能和反应堆安全性。

技术贡献

研究展示了ML模型在复杂几何中的迁移能力,特别是从管道到棒束的应用。混合残差校正模型结合了传统方法和ML的优势,提供了更高的预测精度和模型可解释性。

新颖性

这是首次大规模评估ML模型在生产级子通道分析中应用于方形棒束的研究,展示了ML方法在复杂几何中的潜力。

局限性

  • 模型在某些几何和操作条件下的表现不如预期,可能需要进一步优化。
  • 对湍流混合假设的敏感性可能影响预测精度。

未来方向

未来研究可探索不同几何和操作条件下的模型优化,并评估其他ML方法在棒束中的应用潜力。

AI 总览摘要

在核热水力学中,临界热流密度(CHF)的准确预测对于燃料性能和反应堆安全至关重要。传统的经验相关和查找表方法在不同几何和操作条件下的预测精度不一致。近年来,机器学习(ML)方法显示出显著提高CHF预测精度的潜力,特别是在管道数据的应用中。然而,这些方法在反应堆相关的棒束几何中的适用性尚未得到充分探索。

本研究评估了部署在CTF子通道代码中的ML模型,使用EPRI棒束CHF数据库进行测试。结果表明,尽管模型仅在管道数据上训练,但在方形棒束应用中表现出色,优于传统方法。局部混合LUT模型表现最佳,而半局部纯ML模型也表现出色。

这些发现为ML模型在生产级子通道分析环境中的大规模应用提供了支持,展示了其在反应堆热水力分析中的广泛应用潜力。未来研究可进一步优化模型,并探索其他ML方法在不同几何和操作条件下的应用。

深度分析

研究背景

临界热流密度(CHF)是核热水力学中的关键参数,直接影响燃料性能和反应堆安全。传统上,CHF预测依赖于实验测量和经验相关,但这些方法在不同几何和操作条件下的预测精度不一致。近年来,机器学习(ML)方法显示出提高CHF预测精度的潜力。

核心问题

大多数ML模型基于管道数据开发和评估,其在反应堆相关棒束几何中的适用性尚未得到充分探索。棒束几何中存在额外的物理现象,如湍流混合和非均匀功率分布,这使得管道数据训练的模型在棒束环境中的表现不确定。

核心创新

本研究首次在生产级子通道分析环境中大规模评估了ML模型在方形棒束中的应用。采用混合残差校正模型,结合传统方法和ML的优势,提高了预测精度和模型可解释性。

方法详解

  • �� 使用EPRI棒束CHF数据库进行模型评估。
  • �� 采用纯ML和混合残差校正模型,结合局部和半局部公式。
  • �� 评估模型在不同几何和操作条件下的表现。

实验设计

实验使用EPRI棒束CHF数据库,涵盖多种几何和操作条件。模型在CTF子通道代码中部署,评估其在方形棒束中的表现。对比传统方法,如Bowring、W-3和2006 Groeneveld LUT。

结果分析

局部混合LUT模型表现最佳,半局部纯ML模型也表现出色。基于管道数据训练的模型在棒束预测中表现出显著改进,优于传统方法。

应用场景

该研究支持ML模型在反应堆热水力分析中的广泛应用,特别是在复杂几何和操作条件下的CHF预测。

局限与展望

模型在某些几何和操作条件下的表现不如预期,可能需要进一步优化。对湍流混合假设的敏感性可能影响预测精度。

通俗解读 非专业人士也能看懂

想象一个厨房,传统方法就像用老旧的食谱做饭,虽然能做出食物,但味道不总是好。机器学习就像是一个聪明的厨师助手,它能根据食材和烹饪条件调整食谱,做出更美味的菜肴。在核反应堆中,临界热流密度(CHF)就像是厨房的温度控制,太高会烧焦食物。机器学习模型帮助更准确地预测和控制这个温度,确保食物(燃料)安全和美味(性能)。

简单解释 像给14岁少年讲一样

想象你在玩一个游戏,目标是保持角色的健康值不下降。传统的方法就像是用老旧的攻略,虽然能过关,但不总是高分。机器学习就像是一个聪明的AI助手,它能根据游戏进程调整策略,让你更容易赢得高分。在核反应堆中,临界热流密度(CHF)就像是角色的健康值,太高会导致游戏失败。机器学习模型帮助更准确地预测和控制这个值,确保游戏顺利进行。

术语表

临界热流密度 (CHF)

指在核反应堆中,热流密度达到某一临界值时,传热性能迅速恶化的现象。

在论文中用于评估机器学习模型的预测精度。

混合残差校正模型

结合传统模型和机器学习的优势,通过学习残差来提高预测精度。

用于提高CHF预测的准确性。

EPRI棒束CHF数据库

包含大量实验数据的数据库,用于评估CHF模型的表现。

作为模型评估的基准数据集。

CTF子通道代码

一种用于核反应堆热水力分析的计算工具。

用于部署和评估机器学习模型。

局部和半局部公式

指在模型中使用的不同输入特征组合,影响模型的预测能力。

用于评估模型在不同几何和操作条件下的表现。

开放问题 这项研究留下的未解疑问

  • 1 如何在不同几何和操作条件下优化机器学习模型的表现?
  • 2 湍流混合假设对模型预测精度的具体影响是什么?
  • 3 如何进一步提高模型的迁移能力?

应用场景

近期应用

核反应堆安全分析

通过提高CHF预测精度,增强反应堆的安全性和运行效率。

燃料性能优化

更准确的CHF预测有助于优化燃料设计,提高燃料利用率。

远期愿景

智能反应堆控制

利用机器学习模型实现更智能的反应堆控制系统,提高整体安全性和效率。

原文摘要

The prediction of critical heat flux (CHF), a key safety-related quantity in nuclear thermal hydraulics, remains an important challenge due to its direct relationship with fuel performance and reactor safety. Recent studies have demonstrated that relative to traditional empirical correlations and lookup tables (LUTs), machine learning (ML) methods can substantially improve CHF prediction accuracy. Most ML-based CHF models, however, have been developed and evaluated using tube databases, leaving their applicability to reactor-relevant rod bundle geometries largely unexplored. This study evaluates ML-based CHF models deployed within the CTF subchannel code using the Electric Power Research Institute (EPRI) rod bundle CHF database. Both pure and hybrid residual correction models are considered in local and semilocal formulations. The tube-trained ML CHF models generally transferred favorably to rod bundle applications and outperformed traditional CHF methods across most geometries and operating conditions. The local hybrid LUT model produced the strongest overall performance, and the semilocal pure ML model remained highly competitive. Comparison against the Bowring correlation, W-3 correlation, and 2006 Groeneveld LUT demonstrated that substantial improvements in rod bundle CHF prediction are possible even when models are trained exclusively on tube data. These findings provide one of the first large-scale assessments of ML-based CHF models in square rod bundles within a production-level subchannel analysis environment and support their broader application in reactor thermal hydraulic analysis.

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