计算物理 ›› 2024, Vol. 41 ›› Issue (3): 357-366.DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8714
韩文敏1(), 戴耀东1,*(
), 姚初清1, 田家祥1, 蒋丹枫2, 周一帆1
收稿日期:
2023-02-24
出版日期:
2024-05-25
发布日期:
2024-05-25
通讯作者:
戴耀东
作者简介:
韩文敏(1998-), 女, 硕士研究生, 研究方向为辐射防护, E-mail: wmhan927@163.com
基金资助:
Wenmin HAN1(), Yaodong DAI1,*(
), Chuqing YAO1, Jiaxiang TIAN1, Danfeng JIANG2, Yifan ZHOU1
Received:
2023-02-24
Online:
2024-05-25
Published:
2024-05-25
Contact:
Yaodong DAI
摘要:
针对中子-γ混合辐射场, 对屏蔽材料中的金属氧化物填料组分进行优化, 通过蒙特卡罗程序模拟获得WO3/Bi2O3/Gd2O3/B4C混合填料对低能中子与不同能量γ射线的综合屏蔽性能, 采用遗传算法和神经网络寻找填料组分的最优配比。通过对总剂量当量的计算和优化, 发现不同辐射环境下最优配比是不同的, 在中子(热中子麦氏分布能谱)通量与γ射线(0.5~3 MeV)通量相同时, 当添加屏蔽填料总质量一定, Bi2O3与B4C质量比为9:1的混合填料综合屏蔽性能达到最优。将几种混合辐射环境下得到的最优解代入蒙特卡罗程序验证, 误差在可接受范围内, 表明该屏蔽填料组分的优化设计是可行的, 节省计算时间, 为屏蔽材料的设计和制备提供了理论依据。
中图分类号:
韩文敏, 戴耀东, 姚初清, 田家祥, 蒋丹枫, 周一帆. 遗传算法在中子-γ混合辐射场屏蔽材料优化设计中的应用[J]. 计算物理, 2024, 41(3): 357-366.
Wenmin HAN, Yaodong DAI, Chuqing YAO, Jiaxiang TIAN, Danfeng JIANG, Yifan ZHOU. Application of Genetic Algorithm to Optimal Design of Shielding Materials for Neutron-γ Mixed Radiation Fields[J]. Chinese Journal of Computational Physics, 2024, 41(3): 357-366.
Parameter type | Set |
Number of layers | 4(Two hidden layers) |
Training function | Trainlm |
Transfer function | Tansig、logsig、purelin |
Training sets∶Verification set∶Testing sets | 7∶1.5∶1.5 |
Learning rate | 0.1 |
表1 神经网络参数设置
Table 1 Setting of neural network parameters
Parameter type | Set |
Number of layers | 4(Two hidden layers) |
Training function | Trainlm |
Transfer function | Tansig、logsig、purelin |
Training sets∶Verification set∶Testing sets | 7∶1.5∶1.5 |
Learning rate | 0.1 |
辐射环境 | 源数据 |
gn0.05 | 热中子源+0.05 MeV γ射线 |
gn0.1 | 热中子源+0.1 MeV γ射线 |
gn0.5 | 热中子源+0.5 MeV γ射线 |
gn1 | 热中子源+1 MeV γ射线 |
gn1.5 | 热中子源+1.5 MeV γ射线 |
gn2 | 热中子源+2 MeV γ射线 |
gn2.5 | 热中子源+2.5 MeV γ射线 |
gn3 | 热中子源+3 MeV γ射线 |
gn | 热中子源+0.05、0.1、0.5、1、1.5 MeV γ射线 |
表2 复合辐射环境的定义
Table 2 The definition of composite radiation environment
辐射环境 | 源数据 |
gn0.05 | 热中子源+0.05 MeV γ射线 |
gn0.1 | 热中子源+0.1 MeV γ射线 |
gn0.5 | 热中子源+0.5 MeV γ射线 |
gn1 | 热中子源+1 MeV γ射线 |
gn1.5 | 热中子源+1.5 MeV γ射线 |
gn2 | 热中子源+2 MeV γ射线 |
gn2.5 | 热中子源+2.5 MeV γ射线 |
gn3 | 热中子源+3 MeV γ射线 |
gn | 热中子源+0.05、0.1、0.5、1、1.5 MeV γ射线 |
图8 不同隐含层节点数在三次训练中均方误差 (a) 第一隐含层; (b) 第二隐含层
Fig.8 Error from different numbers of S1 and S2 hidden layers in three training (a) the first hidden layer; (b) the second hidden laryer
图9 k值不同时gn0.1辐射环境下神经网络预测与蒙特卡罗方法计算所得的总剂量当量
Fig.9 The total dose equivalent predicted by the neural network and that calculated by MCNP in gn0.1 radiation environment with different k values
Parameter type | Set |
Population size | 100 |
Number of iterations | 100 |
Generation gap | 0.9 |
Crossover rate | 0.8 |
Mutation rate | 0.01 |
表3 遗传算法参数设置
Table 3 Setting of genetic algorithm parameters
Parameter type | Set |
Population size | 100 |
Number of iterations | 100 |
Generation gap | 0.9 |
Crossover rate | 0.8 |
Mutation rate | 0.01 |
图11 (a) 各辐射环境中填料组分最优配比下神经网络预测剂量当量、蒙特卡罗程序计算剂量当量结果;(b) 各辐射环境中填料组分最优配比
Fig.11 (a) Results of the dose equivalent from neural network and Monte Carlo program under the optimal ratio of filler ratio in various radiation environments; (b) optimum ratio of filler in various radiation environments
图12 k值不同时,各辐射环境中优化得到的填料组分 (a) gn0.05; (b) gn0.1; (c) gn0.5; (d) gn1; (e) gn1.5; (f) gn2; (g) gn2.5; (h) gn3
Fig.12 The optimum ratio of filler in various radiation environments with different k values (a)gn0.05; (b) gn0.1; (c) gn0.5; (d) gn1; (e) gn1.5; (f) gn2; (g) gn2.5; (h) gn3
核素 | 峰位能量/keV | 全能峰净计数 |
Co-60 | 1 332 | 1 106 |
I-134 | 884 | 557 |
Cs-137 | 662 | 1 204 |
Xe-133 | 81 | 3 873 |
表4 放射性贯穿件位置实测各核素峰位能量及净计数
Table 4 The measured peak energy and net count of each nuclide in nuclear power environment
核素 | 峰位能量/keV | 全能峰净计数 |
Co-60 | 1 332 | 1 106 |
I-134 | 884 | 557 |
Cs-137 | 662 | 1 204 |
Xe-133 | 81 | 3 873 |
WO3/Bi2O3/Gd2O3/B4C | Hn/10-12Sv | Hnγ/10-12Sv | Hγ/10-12Sv | H总/10-12Sv |
0.9/0/0/0.1 | 1.130 × 10-3 | 1.101 × 10-2 | 1.273 × 10-2 | 2.487 × 10-2 |
0/0/0.9/0.1 | 5.398 × 10-8 | 1.034 × 10-1 | 1.278 × 10-2 | 1.161 × 10-1 |
0.4/0.5/0/0.1 | 9.214 × 10-4 | 9.957 × 10-3 | 1.262 × 10-2 | 2.350 × 10-2 |
0/0.5/0.4/0.1 | 6.206 × 10-7 | 9.879 × 10-2 | 1.265 × 10-2 | 1.114 × 10-1 |
0.3/0.3/0.3/0.1 | 1.644 × 10-6 | 9.759 × 10-2 | 1.268 × 10-2 | 1.103 × 10-1 |
0/0/0/1 | 1.910 × 10-6 | 1.241 × 10-2 | 1.443 × 10-2 | 2.684 × 10-2 |
0/0.7/0/0.3 | 4.232 × 10-5 | 1.023 × 10-2 | 1.310 × 10-2 | 2.337 × 10-2 |
0/0.8/0/0.2 | 1.333 × 10-4 | 9.697 × 10-3 | 1.286 × 10-2 | 2.269 × 10-2 |
0/0.89/0/0.11 | 6.145 × 10-4 | 9.141 × 10-3 | 1.263 × 10-2 | 2.239 × 10-2 |
0/0.9/0/0.1 | 7.630 × 10-4 | 9.060 × 10-3 | 1.261 × 10-2 | 2.243 × 10-2 |
0/1/0/0 | 1.965 × 10-2 | 6.823 × 10-6 | 1.231 × 10-2 | 3.196 × 10-2 |
表5 几种不同填料配比在蒙特卡罗方法输运中产生的几种剂量当量
Table 5 Several dose equivalents of different filler ratio in Monte Carlo method transport
WO3/Bi2O3/Gd2O3/B4C | Hn/10-12Sv | Hnγ/10-12Sv | Hγ/10-12Sv | H总/10-12Sv |
0.9/0/0/0.1 | 1.130 × 10-3 | 1.101 × 10-2 | 1.273 × 10-2 | 2.487 × 10-2 |
0/0/0.9/0.1 | 5.398 × 10-8 | 1.034 × 10-1 | 1.278 × 10-2 | 1.161 × 10-1 |
0.4/0.5/0/0.1 | 9.214 × 10-4 | 9.957 × 10-3 | 1.262 × 10-2 | 2.350 × 10-2 |
0/0.5/0.4/0.1 | 6.206 × 10-7 | 9.879 × 10-2 | 1.265 × 10-2 | 1.114 × 10-1 |
0.3/0.3/0.3/0.1 | 1.644 × 10-6 | 9.759 × 10-2 | 1.268 × 10-2 | 1.103 × 10-1 |
0/0/0/1 | 1.910 × 10-6 | 1.241 × 10-2 | 1.443 × 10-2 | 2.684 × 10-2 |
0/0.7/0/0.3 | 4.232 × 10-5 | 1.023 × 10-2 | 1.310 × 10-2 | 2.337 × 10-2 |
0/0.8/0/0.2 | 1.333 × 10-4 | 9.697 × 10-3 | 1.286 × 10-2 | 2.269 × 10-2 |
0/0.89/0/0.11 | 6.145 × 10-4 | 9.141 × 10-3 | 1.263 × 10-2 | 2.239 × 10-2 |
0/0.9/0/0.1 | 7.630 × 10-4 | 9.060 × 10-3 | 1.261 × 10-2 | 2.243 × 10-2 |
0/1/0/0 | 1.965 × 10-2 | 6.823 × 10-6 | 1.231 × 10-2 | 3.196 × 10-2 |
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