核設(shè)施退役過程中的輻射場重構(gòu)與拆除路徑優(yōu)化

宋英明 梁燁 葉凱萱 張震宇 張秋楠 王寧 顏佳偉 朱志超 鄒樹梁

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核設(shè)施退役過程中的輻射場重構(gòu)與拆除路徑優(yōu)化

宋英明1梁燁1葉凱萱1張震宇1張秋楠1王寧2顏佳偉1朱志超1鄒樹梁1

1（南華大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院 衡陽 421001） 2（中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院信息中心 成都610213）

輻射場分布和路徑選擇是核設(shè)施退役過程中影響工作人員吸收劑量的主要因素。針對(duì)核設(shè)施退役過程中多源項(xiàng)的三維輻射場，采用點(diǎn)核積分的方法進(jìn)行重構(gòu)，重構(gòu)結(jié)果與蒙特卡羅程序計(jì)算結(jié)果吻合很好，驗(yàn)證了點(diǎn)核積分法的可行性。將核退役拆除路徑問題抽象為一種類旅行商問題數(shù)學(xué)模型，構(gòu)造不同拆除路徑下所受外照射劑量對(duì)應(yīng)的劑量矩陣，根據(jù)輻射防護(hù)ALARA (As Low As Reasonably Achievable)原則，利用遺傳算法進(jìn)行尋優(yōu)。對(duì)于多源項(xiàng)退役拆除實(shí)例，計(jì)算給出了最優(yōu)化拆除路徑和三維可視化顯示，并對(duì)優(yōu)化效果進(jìn)行了討論。設(shè)計(jì)開發(fā)了面向核設(shè)施退役過程的輻射場重構(gòu)與拆除路徑優(yōu)化功能軟件。

核設(shè)施退役，輻射場重構(gòu)，拆除路徑優(yōu)化，功能軟件

核設(shè)施退役是一項(xiàng)周期長、涉及面廣、投資高的系統(tǒng)工程，基于安全性、經(jīng)濟(jì)性、合理性的考慮，在實(shí)施各項(xiàng)核設(shè)施退役工作前，必須借助計(jì)算機(jī)仿真手段對(duì)退役技術(shù)方案和關(guān)鍵步驟進(jìn)行驗(yàn)證、評(píng)估和演練，優(yōu)化拆除工藝，以降低對(duì)人員和環(huán)境的 危害。

國際上對(duì)核設(shè)施退役仿真系統(tǒng)進(jìn)行了廣泛和深入的研究。法國原子能委員會(huì)(French Atomic Energy Commission, CEA)[1]開發(fā)了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)框架與點(diǎn)核積分方法的NARVEOS系統(tǒng)。該軟件支持情景設(shè)計(jì)、快速劑量計(jì)算，是適用于核輻射評(píng)估的ALARA (As Low As Reasonably Achievable)分析工具。經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織核能局(Nuclear Energy Agency, Organization for Economic Co-operation and Development, OECD/NEA)、日本原子力科學(xué)研究機(jī)構(gòu)(Japan Atomic Energy Agency, JAEA)和哈爾登(Halden)反應(yīng)堆工程中心[2]共同研發(fā)了一套人員劑量評(píng)估系統(tǒng)VRDose，可實(shí)現(xiàn)評(píng)估劑量、優(yōu)化退役計(jì)劃等功能。韓國原子能研究所和忠南大學(xué)[3]聯(lián)合對(duì)韓國KRR-1&2反應(yīng)堆退役開展工人輻射劑量計(jì)算機(jī)模擬，能實(shí)現(xiàn)基于MCNP-4C[4]輻射輸運(yùn)程序下的人的輻射劑量計(jì)算。隨著我國核能事業(yè)的高速發(fā)展，對(duì)核設(shè)施退役技術(shù)研究與工程準(zhǔn)備工作的要求更加體系化、專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化。目前，國內(nèi)已有部分單位在輻射場可視化軟件開發(fā)和核設(shè)施虛擬退役等方面開展了相關(guān)研究，取得了較好的成果[5?9]，但對(duì)于核設(shè)施退役中拆除路徑最優(yōu)化方法的研究相對(duì)較少且缺乏針對(duì)性。本文驗(yàn)證并采用點(diǎn)核積分法重構(gòu)核設(shè)施退役過程中多源項(xiàng)的三維輻射場，然后利用類旅行商問題(Traveling Salesman Problem, TSP)數(shù)學(xué)模型求解核退役拆除路徑問題，構(gòu)造不同拆除路徑下所受外照射劑量矩陣，通過遺傳算法尋找最優(yōu)路徑。設(shè)計(jì)開發(fā)了軟件實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能并進(jìn)行了實(shí)例分析。

1 核退役設(shè)施三維輻射場重構(gòu)

定量和可視化描述核退役過程中工作人員所受輻射照射，需要構(gòu)建核設(shè)施的三維輻射場。由于核退役設(shè)施一般規(guī)模較大、源項(xiàng)較多，利用MCNP軟件求解核設(shè)施內(nèi)部輻射場會(huì)導(dǎo)致運(yùn)算時(shí)間很長，且難以滿足誤差要求，因此發(fā)展基于點(diǎn)核積分法的核退役設(shè)施三維輻射場求解方法。

1.1 點(diǎn)核積分重構(gòu)三維輻射場

點(diǎn)核積分計(jì)算核設(shè)施退役場所內(nèi)輻射場分布的方法如下[10]：

1.2 蒙特卡羅程序校驗(yàn)點(diǎn)核積分結(jié)果

利用MCNP5驗(yàn)證簡單源項(xiàng)情況下點(diǎn)核積分的結(jié)果，為簡化計(jì)算，將結(jié)果歸一化處理，如圖1所示。其中，圖1(a)是退役設(shè)施內(nèi)為一點(diǎn)源的結(jié)果，圖1(b)是核設(shè)施內(nèi)為一立方體源(10cm×10cm× 10cm)的結(jié)果。從圖1可以發(fā)現(xiàn)，點(diǎn)源和體源情況下，點(diǎn)核積分結(jié)果都與MCNP計(jì)算結(jié)果吻合很好。這可在相同計(jì)算精度下，大幅節(jié)省最優(yōu)退役拆除路徑的搜尋時(shí)間。

2 基于TSP的核退役拆除路徑優(yōu)化模型

2.1 核退役拆除路徑問題的簡述

TSP是著名的數(shù)學(xué)圖論問題，應(yīng)用背景廣泛，問題描述如下：旅行商從某城市出發(fā)，遍歷各城市后返回到出發(fā)城市，尋找旅行商所走總距離最小的路線。

在核設(shè)施退役模型中，設(shè)施內(nèi)有個(gè)器件，則拆除所有器件的路徑有!條，路徑數(shù)目隨增加而急劇上升，最優(yōu)路徑的求解難度增加。為得到最優(yōu)退役拆除路徑，將核設(shè)施退役拆除路徑問題假設(shè)成類似TSP問題，特點(diǎn)在于拆除路徑起點(diǎn)可不同、可不為閉合回路，即：

1) 退役過程中需拆除的器件作為TSP問題中的城市；

2) 退役過程中的優(yōu)化目標(biāo)為工作人員所受總劑量，作為TSP問題中的總路程。由于在設(shè)施中行走所需的時(shí)間遠(yuǎn)小于拆除過程所需的時(shí)間，忽略工作人員行走中所受劑量。

2.2 不同路徑下總劑量的求解

建立時(shí)間矩陣：

劑量率矩陣和時(shí)間矩陣相乘，得劑量矩陣，矩陣各元素求和即為拆除人員受到的總劑量()。

2.3 器件單元化的推廣

實(shí)際操作中，一個(gè)器件可能分多次拆除。該情況下，設(shè)定器件單元數(shù)，即一個(gè)器件平均分為個(gè)單元，各單元的活度和產(chǎn)生的劑量率為器件的1/，拆除各單元所需的時(shí)間為拆除器件總時(shí)間的1/設(shè)同一器件中各單元位置相同，則同一器件不同單元輻射效果相同。單元總數(shù)為′個(gè)，拆除人員需遍歷所有單元。

(8)

3 遺傳算法尋優(yōu)計(jì)算與分析

旅行商問題有多種解法，目前較為常用的算法有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和遺傳算法。遺傳算法[11]是最近幾年發(fā)展起來的全局優(yōu)化算法，借用生物遺傳學(xué)觀點(diǎn)，通過選擇、遺傳、變異和免疫等作用機(jī)制，使每個(gè)個(gè)體的適應(yīng)性提高。由于全局搜索的特性，遺傳算法解決TSP問題有特定優(yōu)勢(shì)。故采用遺傳算法求解上述問題，并通過圖形用戶界面(Graphical User Interface, GUI)設(shè)計(jì)了求解本問題的可視化軟件。

3.1 算法流程

利用遺傳算法求解核退役拆除路徑優(yōu)化問題的步驟如下：

1) 種群初始化

由于核設(shè)施問題假設(shè)成多目標(biāo)旅行商問題，個(gè)體編碼方法采用實(shí)數(shù)編碼。在核設(shè)施退役中，將器件組順序?qū)崝?shù)編碼為1?（設(shè)施內(nèi)的總器件數(shù)）或1?（設(shè)施內(nèi)的總單元數(shù)）的隨機(jī)排列，初始化的參數(shù)有種群個(gè)數(shù)、染色體基因個(gè)數(shù)、迭代次數(shù)c、交叉概率c以及變異概率m。

2) 建立適應(yīng)度函數(shù)

拆除某一器件時(shí)所受劑量率由點(diǎn)核積分已知，器件組隨機(jī)全排列對(duì)應(yīng)的總劑量可求，總劑量越小，種群的適應(yīng)度函數(shù)越好。將總劑量的倒數(shù)作為適應(yīng)度函數(shù)，由求min()變?yōu)榍髆ax[1/()]。

3) 選擇操作

用輪盤賭法和兩兩競爭的方法進(jìn)行選擇操作，采用基于適應(yīng)度比例的選擇策略，即適應(yīng)度越好的個(gè)體被選擇的概率越大，并保存所選適應(yīng)度最高的個(gè)體。

4) 交叉操作

利用部分映射交叉(Partial Mapped Crossover, PMX)算法進(jìn)行交叉操作，先對(duì)父代進(jìn)行常規(guī)的兩點(diǎn)交叉，再根據(jù)交叉區(qū)域內(nèi)各基因值之間的映射關(guān)系來修改交叉區(qū)域之外的各個(gè)基因值，該算法可以較多地產(chǎn)生父代遍歷路徑所沒有的部分新路徑，收斂速度較低，但其全局搜索能力較強(qiáng)。

5) 變異操作

對(duì)于變異操作，隨機(jī)選取個(gè)體，同時(shí)隨機(jī)選取個(gè)體的兩個(gè)基因進(jìn)行交換以實(shí)現(xiàn)變異操作。

算法整體流程如圖2所示。

圖2 求解核設(shè)施退役拆除路徑優(yōu)化問題的算法整體流程

3.2 求解實(shí)例

當(dāng)核設(shè)施內(nèi)源項(xiàng)個(gè)數(shù)為1時(shí)，不同的器件單元數(shù)必然對(duì)應(yīng)同一優(yōu)化路徑。經(jīng)程序驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，源項(xiàng)較少時(shí)，不同的器件單元數(shù)趨于對(duì)應(yīng)同一優(yōu)化路徑，即單元數(shù)為1對(duì)應(yīng)的路徑。故源項(xiàng)較少情況下，器件可分多次拆除無明顯優(yōu)勢(shì)；源項(xiàng)較多時(shí)，分多次拆除同一器件的路徑較為復(fù)雜，為便于觀看，建立一個(gè)10cm×10cm×10cm的廠房，隨機(jī)放置30個(gè)正方體形狀的放射性器件，器件的尺寸在(1?8)×10?3m3內(nèi)隨機(jī)分布，器件的活度在(1.85?5.5)×1010內(nèi)隨機(jī)分布，假設(shè)拆除時(shí)間與拆除器件的體積成正比：t=/（其中：為體積，m3；為比例系數(shù)，以下取=3為例）。

各器件單元數(shù)=1時(shí)，利用MATLAB實(shí)現(xiàn)遺傳算法求解基于旅行商問題下的最優(yōu)退役路線如圖3(a)所示，其中初始種群為100個(gè)，迭代次數(shù)為1000次。由圖3(b)可知，該例中拆除人員的總劑量在迭代200次左右達(dá)到收斂，最優(yōu)路線對(duì)應(yīng)的受照總劑量為。

單元數(shù)設(shè)為5時(shí)，拆除人員可分多次對(duì)某一器件進(jìn)行拆除，最優(yōu)退役路徑如圖4(a)所示。由圖4(b)可知，該例中拆除人員的總劑量在迭代900次左右達(dá)到收斂，最優(yōu)路徑對(duì)應(yīng)受照總劑量為。

由計(jì)算結(jié)果可知，最優(yōu)路徑可能存在于分多次拆除同一器件情況下。另外，針對(duì)核設(shè)施拆除過程中可能造成的二次污染，可通過劑量估算后，再次計(jì)算輻射場，利用功能軟件進(jìn)行二次尋優(yōu)。

4 功能軟件開發(fā)

利用MATLAB實(shí)現(xiàn)了基于遺傳算法求解旅行商問題下的最優(yōu)退役路線，并通過GUI設(shè)計(jì)了面向核設(shè)施退役過程的輻射場重構(gòu)與拆除路徑優(yōu)化功能軟件。

圖5為新建廠房數(shù)據(jù)界面，在該界面可進(jìn)行三維情景設(shè)計(jì)，包括放射性器件數(shù)據(jù)如器件位置、形狀、尺寸、活度、拆除所需時(shí)間及廠房相關(guān)數(shù)據(jù)并保存，廠房及任意房間的布局可視。

圖6為最優(yōu)路徑求解界面，可在該界面更換保存的廠房數(shù)據(jù)，調(diào)整器件單元數(shù)、迭代次數(shù)、種群數(shù)量等參數(shù)，并顯示遺傳算法求解最優(yōu)路徑的進(jìn)程，所得結(jié)果可保存為文本文件或Excel文件。

圖5 新建廠房數(shù)據(jù)界面

圖6 求解最優(yōu)路徑界面

圖7為最終的結(jié)果，給出了迭代次數(shù)與拆除人員受到總劑量的曲線，可以得到收斂后所受的最小劑量值。圖7還給出了最優(yōu)拆除路徑，最優(yōu)路徑窗口中按最優(yōu)路徑依次顯示了每次要拆除的器件以及所要拆除的百分比。

圖7 最終結(jié)果

圖8為最優(yōu)拆除路徑的動(dòng)態(tài)顯示，顯示速度可調(diào)。正被拆除的器件的顏色將不停變化，尺寸將不斷變小。該界面以一條移動(dòng)的短線顯示拆除人員在器件間的運(yùn)動(dòng)過程。

圖8 最優(yōu)路徑的動(dòng)態(tài)顯示圖

5 結(jié)語

針對(duì)核設(shè)施退役過程中多源項(xiàng)的三維輻射場，發(fā)展了基于點(diǎn)核積分的輻射場快速重構(gòu)方法，并利用蒙特卡羅程序驗(yàn)證。核退役拆除路徑問題抽象為類TSP問題數(shù)學(xué)模型，構(gòu)造不同拆除路徑下所受外照射的劑量矩陣，根據(jù)輻射防護(hù)ALARA原則，利用遺傳算法尋優(yōu)計(jì)算。計(jì)算給出了多源項(xiàng)拆除實(shí)例最優(yōu)化拆除路徑和三維顯示，并對(duì)優(yōu)化效果進(jìn)行了討論?；谝陨戏椒ㄔO(shè)計(jì)開發(fā)了面向核設(shè)施退役過程的輻射場重構(gòu)與拆除路徑優(yōu)化功能軟件。據(jù)此可進(jìn)一步研究多旅行商問題下的核退役拆除路徑優(yōu)化問題，并考慮核設(shè)施退役過程中的個(gè)人受照劑量、集體受照劑量、經(jīng)濟(jì)代價(jià)、環(huán)境影響和公眾心理等眾多影響因素，實(shí)現(xiàn)核設(shè)施退役過程中的輻射防護(hù)最優(yōu)化，為核設(shè)施退役提供更合理、有效的決策 方案。

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Radiation field reconstruction and dismantling route optimization during nuclear decommissioning

SONG Yingming1LIANG Ye1YE Kaixuan1ZHANG Zhenyu1ZHANG Qiunan1WANG Ning2YAN Jiawei1ZHU Zhichao1ZOU Shuliang1

1(School of Nuclear Science and Technology, University of South China, Hengyang 421001, China) 2(Center of Information, Nuclear Power Institute of China, Chengdu 610213, China)

Background: Decommissioning nuclear facilities with less cost is a key part of nuclear reactor development, which mainly depends on the dismantling route based on the distribution of radiation field. Purpose: Thisstudy attempts to reconstruct the radiation field of decommissioning nuclear facilities and find out the optimal dismantling route. Methods: The method of point-kernel integration is adopted to reconstruct the three-dimensional radiation field of multi-source terms during the decommissioning of nuclear facilities and the results are compared with the Monte Carlo program. A functional software is designed and developed with functions of radiation field reconstruction and removal route optimization during the nuclear facility decommissioning process. The problem of optimizing dismantling route is abstracted to a mathematical model of the Traveling Salesman Problem (TSP), and the Dose Matrix under different routes are constructed. According to ALARA (As Low As Reasonably Achievable) principle of the radiation protection, the methodology is optimized by genetic algorithm. Results: The reconstructed radiation field is in good agreement with the result calculated by the Monte Carlo program. Upon the instance of decommissioning multi-source terms’ removal, the optimal route and three-dimensional visualization are calculated and obtained, and the optimal results are discussed. Conclusion: The method of point-kernel integrationand the TSP mathematical model can be used during nuclear decommissioning.

Nuclear decommissioning, Radiation field reconstruction, Dismantling route optimization, Functional software

TL72

10.11889/j.0253-3219.2017.hjs.40.050502

宋英明，男，1980年出生，2009年于清華大學(xué)獲博士學(xué)位，研究領(lǐng)域?yàn)楹嗽O(shè)施退役與輻射安全

2016-09-20，

2016-11-07

Supported by Special Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education (No.20134324120003), Key Project Fund of Hunan Provincial Department of Education (No.14A120)

高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(No.20134324120003)、湖南省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目基金(No.14A120)資助

SONG Yingming, male, born in 1980, graduated from Tsinghua University with a doctoral degree in 2009, focusing on the field of nuclear facilities and radiation safety

2016-09-20, accepted date: 2016-11-07