Applicability study of Bayesian optimization to neutronic design of a homogeneous two-region core

均質2領域炉心を対象とした核設計へのベイズ最適化の適用性検討

桑垣 一紀  ; 横山 賢治   

Kuwagaki, Kazuki; Yokoyama, Kenji

原子力機構では、炉心,炉構造、並びに保全分野の設計最適化を支援するツールであるARKADIA-Designの開発を進めている。ARKADIA-Designは、これまでに蓄積してきた高速炉開発の知見と、AI技術等を用いた最新の解析/設計技術を組み合わせ、安全性,経済性,カーボンフリーエネルギーソースとしての持続可能性といった観点から、革新的な炉心の設計を支援すること目指している。ARKADIA-Designの機能の一つとして、炉心特性で定義された目的関数を最小化(または最大化)するような設計変数を自動で求めるシステムの開発を進めている。本研究では、均質2領域炉心を対象とした複数制約条件付き単目的最適化例題を設定し、本システムの最適化アルゴリズムの候補であるベイズ最適化手法により、この例題の最適解が自動的に求まることを示した。また、3変数最適化問題を間接的に解くことで、本システムが将来的にどのように設計者を支援するかについて例示した。これらの結果やデモンストレーションを通して、自動最適化計算の成立性や、開発するシステムが設計者にとって有用な支援ツールになりうる可能性について確認した。

At the Japan Atomic Energy Agency (JAEA), a design support tool for advanced nuclear reactors is currently under development. This tool is called ARKADIA-Design, and is expected to support the integrated design evaluation of reactors from the viewpoints of safety, economy, and sustainability as a carbon-free energy source by utilizing the newest analysis/evaluation technologies such as AI technology, and the accumulated knowledge of fast reactor development. One development task of the ARKADIA-Design is to build a system that automatically identifies optimized design parameters by which an objective function specified by core performance is minimized (or maximized). In the present study, we set up a single objective optimization example problem with multiple constraints for a homogeneous two-region core, and showed that the optimal solution of this example problem can be automatically obtained by the Bayesian optimization method, which is a candidate optimization algorithm for the system. In addition, we also demonstrated how the system would assist the core design procedure in future, by indirectly solving a three-variable optimization problem of the core design. From these results and demonstrations, we confirmed that the system to be developed has the potential to be a useful support tool for the designers, enabling them to obtain optimal core designs efficiently.