用于U-50Zr螺旋十字形燃料性能分析的中子学-热工-流体-结构耦合方法开发

《Annals of Nuclear Energy》：Development of a neutronics–thermal–fluid–structure coupling methodology for performance analysis of U-50Zr helical cruciform fuel

　　**摘要要点**• 为U-50Zr螺旋十字形燃料开发了一种高保真的中子学–热–流体–结构耦合分析方法。• 燃料变形及其反馈效应通过仿射映射和动态网格技术实现。• 对高燃耗下燃料的中子学、力学和热–水力特性进行了分析。---**引言**核能以其低碳排放、稳定功率输出和高能量密度等特征，在推动能源系统脱碳方面发挥着重要作用（Liu等，2023）。然而，当前核电系统面临诸多挑战，包括高昂的资本成本、功率密度提升潜力有限以及严格的安全裕度要求（Stewart和Shirvan，2022）。因此，开发能够提高功率密度并增强传热性能的先进燃料几何构型，是提升反应堆经济性和安全性的一条有前景的途径。螺旋十字形燃料（HCF）具有四叶十字形横截面和连续扭曲的轴向几何形状。这种几何构型增大了传热面积，缩短了热传导路径，并增强了子通道之间的横向混合（Conboy等，2014）。此外，金属U-50Zr燃料比传统UO?陶瓷燃料具有更高的热导率和铀装载密度，使HCF成为降低燃料温度、提高功率密度和改善热安全裕度的有前景的候选方案（Hou等，2025）。HCF的性能评估已从不同角度进行了广泛研究，包括热–水力特性（Chen等，2025；Cong等，2022a；Cong等，2023）、力学性能分析（Cai等，2023b；Deng等，2019；Hou等，2024；Hou等，2025；Jiang等，2026）和反应堆物理分析（He等，2026；Li等，2025；Song等，2025）。然而，HCF复杂的几何形状导致功率分布、壁温和传热系数存在强烈的空间变化。因此，单一物理场的研究无法完全捕捉堆内响应。近年来，越来越多的关注集中在HCF的多物理场耦合计算上，目的是进一步考虑中子输运、热–水力和固体力学之间的相互作用。在中子学–热–水力耦合方面，Song等建立了一个HCF组件分析框架，将三维特征线与精细的子通道方法耦合，实现了功率、温度和冷却剂密度之间的反馈计算（Song等，2026）。Han等进一步将基于CAD的蒙特卡洛中子输运代码RMC与ANSYS Fluent耦合，并将该方法应用于七棒HCF组件，从而将高保真的中子学–热–水力耦合扩展到异形燃料（Han等，2025）。Zhou等利用MCNP为小型模块化氟盐冷却高温反应堆中的螺旋十字形燃料开发了高保真中子学模型，并结合在STAR-CCM+中建立的单棒、七棒组件和多孔堆芯热–水力模型，系统地评估了堆芯功率分布、流动与传热特性以及温度安全裕度（Zhou等，2023）。Ju等利用轴向切片和几何重建方法为3×3螺旋十字形燃料组件建立了高精度的中子学和热–水力模型，分析了功率分布、流动与传热特性，以及在氦–氙混合气冷却条件下迎风面与背风面边界层行为的差异（Ju等，2024）。在固体域的中子学–热耦合方面，Dong和Wen基于OpenMC、MOOSE和Cardinal对U-50Zr HCF进行了中子学–热耦合分析，将连续能蒙特卡洛中子输运与固体热传导计算相结合，以捕捉功率分布与燃料温度之间的反馈（Dong和Wen，2026）。在热–水力–结构耦合方面，Qin等研究了三叶燃料棒单相流与辐照力学的耦合特性，揭示了流动传热、温度场与辐照变形之间的相关性（Qin等，2025）。Chen等在FuSTAR中开发了一种流动–热–结构耦合方法，系统评估了功率密度、横截面参数和扭曲节距对单根螺旋十字形燃料棒热–机械性能的影响。他们发现扭曲节距是控制燃料温度和应力响应的关键几何参数（Chen等，2025）。Wei等建立了燃料寿命初期的热–水力–结构耦合模型，对比了螺旋十字形燃料（HCF）与螺旋三叶燃料（HTF）组件的流动与传热特性以及应力–应变响应。结果表明，HCF提供更低的峰值温度和更强的横向混合能力，但引入了更大的流动阻力和更高的在包壳叶片尖端集中塑性变形的趋势（Wei等，2025）。Cai等为U-50Zr HCF开发了一种流体–热–结构耦合方法，在流体域和固体域之间传递温度、传热系数、压力和结构位移。他们的结果表明，非均匀热边界条件和辐照引起的变形显著影响HCF燃料性能预测（Cai等，2023a）。然而，目前大多数针对HCF的多物理场计算仍局限于两字段耦合。因此，中子学–热–水力耦合无法考虑固体变形的反馈；固体域的中子学–热耦合缺乏冷却剂热–水力反馈；而流体–热–结构耦合则缺乏来自中子输运的高保真热源输入。为克服这些局限性，本研究将我们之前的HCF中子学建模方法（Song等，2025）与流体–固体耦合程序（Cai等，2023a）相结合，提出了一种针对HCF的中子学–热–机械–流体多物理场耦合方法。其目标是提供中子功率分布、局部传热边界条件、固体热–机械变形以及冷却剂通道几何变化之间反馈关系的统一描述。---**各章节概要****几何与物理模型**本节介绍了中子学–热–流体–结构耦合所需的基本模型，包括HCF几何模型、中子学模型、热–力学模型和流体模型。随后进行了热源和网格敏感性分析，并指定了不同物理场的边界条件，为后续的耦合模拟提供一致的基础。**耦合方法**本节介绍了HCF燃料棒的中子学–热–机械–流体耦合方法。该方法包括迭代耦合方案、物理场变量映射以及耦合模型之间的几何边界更新。**结果与讨论**本节对比了相同燃耗下耦合与不耦合的结果，并进一步考察了耦合多物理场响应随燃耗的演变。**结论**在本工作中，为U-50Zr HCF的性能建模建立了一种中子学–热–流体–结构耦合方法。该耦合框架由连续能蒙特卡洛中子学求解器、全耦合温度–位移有限元求解器和有限体积流体求解器组成。体积热源产生率、固体温度、壁面位移、壁温、传热系数、冷却剂温度、冷却剂密度和流体压力均在……---**利益冲突声明**作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。**致谢**本工作得到国家自然科学基金（12135008，12375171）的支持，对此表示诚挚感谢。---Jianfeng Xu｜Qufei Song｜Tenglong Cong｜Hui Guo｜Hanyang Gu