基于核心框架的燃耗依赖型热管反应堆中子物理-热工-力学-辐照耦合方法

《Annals of Nuclear Energy》：Burnup-dependent neutronic-thermal-mechanical-irradiation couplingn method for heat pipe reactor based on cardinal framework

　　## 摘要要点- 基于 Cardinal 框架构建了燃耗依赖的多物理场耦合方法。- 在 MegaPower 反应堆稳态验证中显示出精确的反馈结果。- 该方法能够精确再现燃耗依赖的辐照变形趋势。## 引言随着热管技术的持续发展，热管反应堆凭借能够为太空探索、深海探索、偏远地区及应急场所等特殊场景提供稳定连续供电的能力，受到了广泛关注（Zhang 等，2024）。20 世纪 90 年代，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）提出了一种名为 HOMER（Heat Pipe-Operated Mars Exploration Reactor，热管驱动火星勘探反应堆）的热管电力系统（Houts 等，1996；Poston，2001）。基于 HOMER 概念，后续涌现了多种设计，例如已成功测试的基于斯特林技术的小型反应堆（KRUSTY，Kilowatt Reactor Using Stirling Technology）（Gibson 等，2018）。其中，MegaPower 热管反应堆凭借其紧凑的整体式固体堆芯结构以及利用热管进行被动传热的设计，在众多微型反应堆概念中脱颖而出（Mcclure 等，2015）。与传统轻水堆不同，热管反应堆采用整体式固体堆芯结构。其较高的运行温度会导致堆芯产生显著的热膨胀。温度的变化会通过多普勒展宽影响微观截面，而热膨胀则会通过材料密度的变化影响宏观截面。这些效应随后会改变中子泄漏和局部功率分布，形成"温度—变形—反应性—功率再分配"的闭环反馈机制（Poston 等，2020；Sterbentz 等，2017）。对于紧凑型快谱微型反应堆而言，热膨胀可能是整体反应性反馈的主要贡献因素，因为材料膨胀会降低原子核密度并改变中子泄漏。例如，Poston 等在 KRUSTY 中指出，燃料加热贡献了绝大部分净反馈，其中大部分燃料反馈源自热膨胀（Kendrick 和 Forget，2025）。Kendrick 和 Forget 进一步表明，KRUSTY 微型反应堆中的热膨胀对全局中子学参数有显著影响，其主要途径是增大中子泄漏（Poston 等，2020）。堆芯膨胀通过负反应性反馈保证了反应堆的自稳定性，但同时也诱发了显著的热应力或接触应力，从而加剧了整体堆芯结构的力学响应（Sterbentz 等，2017）。此外，热管反应堆通常设计为长期运行而无需换料，因此燃耗期内辐照引起的堆芯肿胀、蠕变和致密化等现象也需要予以考虑（Kendrick 和 Forget，2025；Matthews 等，2021）。为准确捕捉热管反应堆在高温、强反馈和长寿命运行条件下的非线性相互作用特性，迫切需要一种燃耗依赖的中子学—热力学—力学—辐照耦合分析方法。热管反应堆的多物理场耦合分析已取得显著进展。主要方法是将蒙特卡罗代码（如 MCNP、RMC、OpenMC）与有限元或有限体积代码（如 ANSYS、OpenFOAM、Abaqus）相耦合。Zhang 等（2023）通过外部 Python 脚本将 OpenMC 与 COMSOL 耦合，分析了稳态运行下热管反应堆三维中子学—热力学—力学耦合性能。其结果表明温度对有效增殖因子有显著影响，但对功率分布的影响较小。Ma 等（2021a）基于 RMC 和 ANSYS 对 MegaPower 反应堆进行了二维中子学—热力学—力学耦合分析，但指出三维模型仍需进一步研究。Zhang 等（2024）开发了热管反应堆多物理场耦合计算平台（MPCH），通过对比四种不同的耦合方案展示了多物理场耦合的必要性。Guo 等（2022）基于 OpenFOAM 开发了一种瞬态耦合求解器，并对 KRUSTY 的动态响应进行了初步分析。Wang 等（2024a、2024b）基于 OpenMC 和 MOOSE 平台开发了热管反应堆的中子学—热力学—力学耦合数值模拟方法。然而，他们采用了顺序耦合策略，并未实现完全双向耦合。Matthews 等（2021）开发了基于 MOOSE 的 DireWolf 平台，用于反应堆物理、辐射输运、燃料性能、热管热工水力、结构力学和能量转换的紧耦合模拟，展示了统一框架在稳态、瞬态和事故分析中的可行性。Stauff 等（2024）进一步沿此方向发展了 BlueCrab 平台，集成了中子学、热工水力、热管行为和材料响应，以实现更高保真度的堆芯分析。Jeong 等（2023）将 PRAGMA、OpenFOAM 和 ANLHTP 耦合，构建了用于热管微型反应堆的多物理场分析系统，并将其应用于 MegaPower 堆芯的热结构分析。上述现有研究表明了对热管反应堆开展中子学—热力学—力学耦合分析的必要性，并建立了若干代表性的耦合平台和求解路线。然而，这些研究主要聚焦于稳态中子学—热力学—力学耦合分析，并采用了基于外部脚本的松耦合策略。不同代码之间的数据交换依赖于文件读写，从而增加了计算开销。此外，关于燃耗过程中辐照诱导的材料演化的研究仍相对有限。因此，建立统一框架以开展燃耗依赖的中子学—热力学—力学—辐照耦合分析仍有进一步的研究空间。针对上述问题，本研究基于由 Argonne 国家实验室基于 MOOSE 框架开发的 Cardinal 程序，开发了一种涵盖中子学、热工水力、力学和辐照的燃耗依赖多物理场耦合方法。本研究在将开源蒙特卡罗代码 OpenMC 与 MOOSE 原生热力学和力学模块耦合的基础上，还通过自定义脚本将燃耗相关的辐照诱导肿胀、致密化和蠕变模型整合到 MOOSE 的力学模块中，并将其与中子学和热力学模块耦合。随后将所开发的方法进行了验证，并应用于 MegaPower 热管反应堆的多物理场耦合分析。首先，建立了 MegaPower 反应堆的 1/6 堆芯模型进行稳态中子学—热力学—力学耦合模拟，通过与参考数据对比验证了模型的可靠性。在此基础上，获得了功率、温度和位移等关键物理量的耦合平衡分布，并评估了热膨胀效应对反应堆整体性能的影响。此外，在 Cardinal 框架内开发了一个 Python 脚本，构建了一个中子学—辐照—热力学—力学耦合分析平台，将单通道燃料组件的辐照模型与中子学、热力学和力学模型进行联合求解，并对照相关参考验证了燃料和基体的变形响应。本研究可为揭示燃耗寿命期间辐照效应对热管反应堆热机性能的影响提供参考，并为建立用于寿命分析的高保真多物理场耦合方法奠定基础。本研究的组织结构如下：第 2 节介绍数学模型，包括中子学、热传导、力学和辐照模型；第 3 节基于整体堆芯验证稳态中子学—热力学—力学耦合，并基于单通道模型验证中子学—热力学—力学—辐照耦合；最后在第 4 节总结结论。## 章节摘录### MegaPower 热管反应堆在本研究中，采用了由美国洛斯阿拉莫斯国家实验室设计的一种特殊用途兆瓦级快堆——MegaPower 热管反应堆（Sterbentz 等，2017）。如图 1 所示，其额定热功率为 5 MWth（约 2 MWe），并采用整体式固体堆芯设计。主要设计参数列于表 1。反应堆堆芯可视为由六个独立模块组成的六角形组件，即六个 60° 扇区。每个扇区包含 204 根热管。### 3. 数值结果本研究开发的中子学—热力学—力学—辐照方法通过两个层级进行验证。第一层是基于 1/6 整体反应堆堆芯的稳态中子学—热力学—力学耦合。第二层是基于最热通道模型（单通道模型）的中子学—热力学—力学—辐照耦合。### 结论本研究基于 Cardinal 框架构建了一种适用于热管反应堆的燃耗依赖中子学—热力学—力学—辐照耦合方法，并通过稳态扇区计算和燃耗依赖的单通道分析对其实现进行了评估。在该方法中，OpenMC 通过内存数据交换与 MOOSE 中的热传导和固体力学模块相耦合，实现了中子学—热力学—力学耦合。此外还进一步开发了一个基于 Python 的外部驱动……## 利益冲突声明作者声明不存在可能影响本文报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。## 致谢本工作受以下项目资助：国家自然科学基金（批准号 12205150、12435012 和 12575190），中央高校基本科研业务费专项资金（批准号 NL2026018），以及中国教育部核动力系统与装备重点实验室（上海交通大学）运行基金（批准号 ZBA24019）。作者：刘大平、庄昆、张宾、方舟、王连捷、陈金根