《Annals of Nuclear Energy》：Numerical analysis of molten salt spreading and solidification behavior using GPU-accelerated fully explicit moving particle method
编辑推荐：
•
基于GPU加速的3D粒子方法用于模拟熔盐泄漏的扩散过程。
•
在显式粒子方法中增加了固化和表面张力模型。
•
预测的前沿半径比1D和2D参考代码小11–14％。
•
控制扩散的是密度、表面张力和接触角，而不是粘度。
•
对于大规模的3D
- •
基于GPU加速的3D粒子方法用于模拟熔盐泄漏的扩散过程。
- •
在显式粒子方法中增加了固化和表面张力模型。
- •
预测的前沿半径比1D和2D参考代码小11–14％。
- •
控制扩散的是密度、表面张力和接触角，而不是粘度。
- •
对于大规模的3D模拟，计算成本与粒子数量成线性关系。
引言
近年来，全球对熔盐反应堆（MSRs）的兴趣日益浓厚。与这些反应堆的设计和技术相关的活动越来越多（IAEA，2023年）。预计MSRs在安全性方面将优于轻水反应堆（LWRs），并有望避免严重事故的发生（Serp等人，2014年）。
MSRs的开发和商业化需要监管机构的批准。必须通过实验和计算分析来证明其安全性，包括考虑严重事故的情况（Holcomb等人，2018年）。其中一个场景假设熔盐发生泄漏并暴露在室外环境中（Beall等人，1964年）。熔盐接触到低温表面时会固化。了解固化速率以及材料在完全固化之前的扩散方式有助于设计最佳的安全围护系统。
迄今为止，已经进行了多项研究来评估熔盐的扩散和固化行为（Thomas等人，2021年；Thomas等人，2022年；Chun等人，2026年）。阿贡国家实验室一直处于这项研究的前沿，进行了关于熔盐扩散和固化的实验（Thomas和Jackson，2023年；Thomas和Jackson，2022年；Thomas和Jackson，2021年）。该实验室还开发了MELTSPREAD 1D瞬态代码（Farmer，2017年），该代码最初是为核废料扩散应用设计的，现在用于分析熔盐行为。
最近对熔盐在平面表面上扩散的分析使用了MELTSPREAD代码来获得初步的扩散距离和固化特性估计（Thomas等人，2021年；Thomas等人，2022年）。虽然MELTSPREAD是对此类初步评估非常有价值的工具，但它通常依赖于基于重力的1D流动模型。1D方法可能会忽略局部现象，因为它假设熔融物质均匀扩散。为了更详细地了解熔盐的扩散和固化过程，使用了ANSYS Fluent 2024R1软件进行了2D分析，并采用了体积流体（VOF）多相公式（Chun等人，2026年），其结果与MELTSPREAD模拟在前沿位置上高度吻合，并显示出详细的温度分布。
然而，要全面了解熔盐的扩散和固化行为，应进行3D分析。由于问题的自由表面特性，可以采用无网格拉格朗日方法（Gotoh和Khayyer，2018年）。在这种方法中，流体域被划分为移动的粒子。速度、压力或温度等变量附着在这些粒子上。与传统的欧拉方法相比，这种方法具有优势，因为它不需要求解动量方程的对流项，并且由于每个粒子在整个模拟过程中保持恒定质量，因此满足质量守恒。使用拉格朗日方法的方法之一是移动粒子半隐式方法（MPS），它最初是为分析不可压缩自由表面流而开发的（Koshizuka和Oka，1996年）。MPS已成功应用于核工程问题，例如模拟反应堆熔毁后的核废料扩散（Yamaji和Li，2016年；Jubaidah等人，2020年；Zhao等人，2024年；Kawahara和Oka，2012年）。然而，对于大规模模拟，由于需要求解大型稀疏压力矩阵，计算成本会变得很高（Zhu等人，2011年）。这对于全尺寸、高分辨率的3D模拟来说是一个重大限制。
因此，在本研究中，我们应用了一种完全显式的版本，称为显式MPS（E-MPS）（Yamada等人，2011年）。完全显式方法通过将压力作为状态变量来计算（Shakibaeinia和Jin，2010年），从而避免了求解稀疏压力矩阵的问题，同时使用了一个人为设定的声速。因此，流体被视为弱可压缩的，其密度波动由选定的声速控制。这种计算方法非常适合图形处理单元（GPU）架构（Gou等人，2019年）。为了分析熔盐的扩散和固化行为，E-MPS的基本框架被扩展以包括固化和表面张力模型。
章节片段
数值方法
在本研究中，流动被视为3D和弱可压缩的。压力是根据粒子数密度显式获得的，并且所产生的密度变化保持较小（第5.1节）。采用E-MPS（Yamada等人，2011年）方法进行数值模拟。
模型验证
在将该框架应用于泄漏场景之前，首先在简单测试案例中验证了表面张力、润湿性和固化模型与分析解的吻合度。这些测试中使用的有效半径与表5中列出的半径相同。声速为5米/秒。
模拟设置
所模拟的泄漏场景中，熔融的FLiNaK撞击平整的不锈钢基底，这与使用MELTSPREAD（Thomas等人，2021年）模拟的参考案例相对应。为了使两种代码之间能够进行一致比较，尽可能采用了MELTSPREAD模拟中的几何形状、初始条件、热物理性质和建模假设。泄漏场景的示意图如图9所示，以及几何形状和初始条件...
数值参数
首先检查了对空间分辨率的敏感性。泄漏计算是在初始粒子距离从0.0002米到0.00125米的情况下进行的，声速为5米/秒。时间步长从0.00004秒到0.00025秒，在每种情况下都满足Courant条件（方程（12）。对于0.0002米到0.0008米之间的粒子距离，1.6秒后的前沿半径变化小于1％（图10），表明收敛。对于更大的距离，半径增加，收敛性丧失...
结论
基于完全显式的移动粒子（E-MPS）方法开发了一个用于分析熔盐扩散和固化的3D框架。该模型扩展了包括固化和表面张力模型。各个模型都已通过与分析解的对比进行了验证。静态液滴的Young-Laplace压力、静止液滴的平衡接触角以及1D固化过程。表面张力模型正确再现了表面张力系数...
写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备这份工作期间，作者使用了Claude（Anthropic）工具来提高手稿的可读性和清晰度。使用该工具/服务后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对发表文章的内容负全责。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报道工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了创新小型模块化反应堆开发机构（RS-2023-00258205）的资助，韩国国家研究基金会（NRF）的资助（RS-2025-10972968），由韩国科学技术信息通信部（MSIT）提供，以及韩国能源技术评估与规划院（KETEP）的资助（RS-2024-00401705），由韩国气候、能源和环境部（MCEE）提供。
Wiktor Gronek|Na Young Song|Han Young Yoon
