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Physics-Informed Neural Network Solution of Point Kinetics Equations for a Nuclear Reactor Digital Twin

外推法 插值(计算机图形学) 人工神经网络 非线性系统 应用数学 物理 中子 核反应堆 微分方程 计算机科学 统计物理学 数学 数学分析 核物理学 人工智能 经典力学 量子力学 运动(物理)
作者
Konstantinos Prantikos,Lefteri H. Tsoukalas,Alexander Heifetz
出处
期刊:Energies [Multidisciplinary Digital Publishing Institute]
卷期号:15 (20): 7697-7697 被引量:37
标识
DOI:10.3390/en15207697
摘要

A digital twin (DT) for nuclear reactor monitoring can be implemented using either a differential equations-based physics model or a data-driven machine learning model. The challenge of a physics-model-based DT consists of achieving sufficient model fidelity to represent a complex experimental system, whereas the challenge of a data-driven DT consists of extensive training requirements and a potential lack of predictive ability. We investigate the performance of a hybrid approach, which is based on physics-informed neural networks (PINNs) that encode fundamental physical laws into the loss function of the neural network. We develop a PINN model to solve the point kinetic equations (PKEs), which are time-dependent, stiff, nonlinear, ordinary differential equations that constitute a nuclear reactor reduced-order model under the approximation of ignoring spatial dependence of the neutron flux. The PINN model solution of PKEs is developed to monitor the start-up transient of Purdue University Reactor Number One (PUR-1) using experimental parameters for the reactivity feedback schedule and the neutron source. The results demonstrate strong agreement between the PINN solution and finite difference numerical solution of PKEs. We investigate PINNs performance in both data interpolation and extrapolation. For the test cases considered, the extrapolation errors are comparable to those of interpolation predictions. Extrapolation accuracy decreases with increasing time interval.
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