液态铅热管冷却微型反应堆的瞬态热性能与安全评估

《Progress in Nuclear Energy》：Transient thermal performance and safety assessment of a liquid lead heat pipe cooled microreactor

　　

摘要

本文提出了一种采用热管冷却的微堆设计概念，用液态铅粘结作为传统不锈钢整体式堆芯的替代方案。对瞬态热管失效情景进行了分析，以评估该新型设计的被动热韧性和安全特性。利用ANSYS建立了一个三维有限元模型，在假设的热管失效条件下进行瞬态模拟，包括单管、周边和级联失效场景。瞬态结果表明，失效发生后堆芯温度迅速上升但具有自限性，在400–500秒内达到新的准稳态。级联失效产生了最严重的工况，燃料最高温度上升至约1260 K（比稳态值高约220 K），远低于氮化铀燃料的熔点（3120 K）。在所建模的条件下，铅粘结设计使峰值温度超调量降低35%–40%，归一化温度比从1.38降至1.21。燃料安全裕度从46%提高至55%。此外，液态铅粘结缩短了稳定时间，平滑了径向温度梯度，从而缓解了瞬态期间的热应力。这些结果表明，液态铅粘结构型相较于传统不锈钢堆芯，可能提供更优的热裕度和瞬态耐受能力。未来的工作将在此基础上扩展至中子学-热工耦合分析，以评估反应性反馈和堆芯动态稳定性。

引言

热管冷却堆（HPR）作为一种紧凑型、被动安全的动力系统，在空间任务、水下探索和海洋防御等分散式应用中日益受到关注（Ma等，2021；Mcclure等，2015；Yan等，2020）。其紧凑的设计具有体积小、压降低、易于运输、固有安全性和效率高优点，使其比其他微型堆更可靠、更受欢迎（Li等，2023；Wu等，2023a，2023b）。顾名思义，热管是热管冷却堆热管理系统的关键部件。它将燃料区产生的裂变热排出，并将其传递至堆外热阱。热管是一种高度被动的热传输装置，能够在极小温差下传输大量热能（Blet等，2017）。

在设计上，热管与燃料棒交替排布于主堆芯中，形成燃料-热管格局（结构）。因此，每根热管的正常运行对堆芯的散热能力和安全运行条件至关重要。由此，一根或多根热管的失效构成了关键的设计基准事故，可能破坏堆芯温度分布、产生陡峭热梯度并挑战结构完整性。尤为关注的是级联失效，即一根热管的损坏导致其相邻热管热负荷超载，从而引发连续失效。这代表了热管堆中最严重的损坏情景。级联失效可在堆芯内产生陡峭的温度梯度和大的热应力，导致燃料肿胀、包壳变形和堆芯完整性受损（Hernandez等，2019）。因此，量化此类事件的瞬态热响应对确立任何热管堆设计的固有安全裕度至关重要。

早期热管堆的安全性评估侧重于稳态性能，研究其热裕度和稳态运行极限（Fratoni等，2007；Li等，2015；Ma等，2020；Poston等，2002；Zhang等，2023）。部分研究报道了在单根热管失效期间可以维持足够的热裕度。然而，这些稳态方法无法捕捉热管意外失效后温度和热量的时间依赖性再分布过程。实际上，热管故障是动态发生的，其产生的瞬态行为决定了反应堆是否能达到新的稳定热平衡，还是会持续过热。

因此，近期研究已转向热管失效事故的瞬态模拟。例如，Ma等（2021）分析了兆瓦级热管堆在单管失效和级联失效下的瞬态响应；其他研究者开发了专门的热工水力学工具来模拟事故序列，如功率上升和冷却阻塞（Liu等，2020；Wang等，2020）。近期研究继续完善这些瞬态分析方法，包括热管阵列在失效条件下的耦合热工水力学行为研究（Zhang等，2026）。所有上述瞬态研究的共同特点是对整体式实体堆芯（通常为不锈钢）的关注，其中实体基体提供结构支撑但横向热扩散能力有限。这一限制可能导致失效热管附近出现明显的局部温度飙升，在严重瞬态期间缩小安全裕度。

高保真CFD、系统级模型和多物理场耦合代表了热管堆热模拟的当前先进水平（Bourdot等，2023；Liu等，2020；Sun等，2020；Wang等，2020；Wu等，2023a；Zhang等，2025）。这些方法显著提升了人们对瞬态传热和反应堆热行为的理解。然而，现有研究主要集中于传统整体式堆芯构型，对液态金属粘结堆芯的关注有限，也未在相同热管失效条件下直接对比液态金属粘结设计与不锈钢设计的瞬态表现。此外，耦合中子学-热工分析已被报道对于捕捉热管微型堆中多普勒反馈和瞬态反应性行为至关重要（Chen等，2023；Wu等，2023a）。这些多物理场方法改进了对瞬态事件中反应堆动态稳定性和功率再分布的预测。本工作在规定的反应堆功率下隔离了粘结材料的对比热工行为。

增强被动热韧性的一个有前景的方案是用液态金属粘结替代固体整体式结构。这一概念基于先前使用液态钠作为热耦合介质以改善堆芯传热的建议（Sterbentz等，2017a）。通过将燃料棒和热管浸入铅或钠等导热液态介质中，热量可以更有效地在整个堆芯内重新分布，缓解局部热点（Sterbentz等，2017a；Yinusa等，2024，2025）。与钠相比，液态铅具有显著更高的沸点和更低的与空气及水的化学活性，从而减少了沸腾相关问题。此外，铅的低中子慢化和吸收特性支持快谱运行和延长堆芯寿命。然而，与任何设计一样，液态铅的应用也带来了一些挑战，如腐蚀控制、材料相容性以及瞬态条件下的热工水力学验证。

近期已开发了一些实验设施，以支持热管微型堆热工水力学模型的验证。爱达荷国家实验室的MAGNET（微型堆敏捷非核实验平台）设施与氦组分测试设施（He-CTF）联合提供了在典型热条件下对热管阵列进行非核测试的能力（Morton等，2020，2024；Sabharwall等，2023；Trellue等，2020）。密歇根大学的MISOH2设施已产出了关于钠热管在多管构型中启动和性能的高分辨率X射线成像数据（Huang，2024；Huang等，2023）。利用ANSYS进行热管堆热分析的数字研究也已有示范（Sun等，2020）。这些资源提供了有价值的基准数据和方法论，可以为未来液态铅堆芯设计的验证提供参考。

我们之前的工作已经建立了液态铅粘结相较于传统不锈钢整体式堆芯在稳态下的热工优势。然而，那项研究仅限于稳态比较，未考察失效条件下的瞬态行为。虽然整体式堆芯的瞬态热管失效分析已有所报道（Liu等，2020；Ma等，2021；Wang等，2020），但尚无已发表的研究定量评估液态铅粘结在此类极端事件中缓解温度偏差的瞬态效益。本工作将我们此前的稳态分析扩展至时间依赖领域，首次对液态铅粘结构型在热管失效情景下的瞬态性能进行了评估，并与相同建模假设下的不锈钢设计进行了直接对比。

因此，本工作呈现了液态铅热管冷却微型堆的瞬态热工性能和安全评估，并与传统不锈钢堆芯进行了对比。研究了不同的热管失效事故情景，如单管和多重热管失效。特别关注了温度再分布的时间演化、传热行为以及反应堆堆芯达到新热平衡的能力。主要目标为：(1) 评估液态铅介质在严重瞬态期间的热量再分布能力；(2) 量化相较于传统不锈钢整体式堆芯被动安全裕度的提升；(3) 提供对液态金属粘结所提供的热阻尼效应的机理性理解。本研究为液态金属粘结反应堆堆芯内的瞬态热再分布机制提供了全面认识。

核心几何构型

所提出的液态铅热管冷却微型堆采用紧凑型六边形晶格排列，将氮化铀（UN）燃料棒和钠热管嵌入圆柱形堆芯结构中。反应堆设计产生300 kW热功率，通过热管实现移热。该设计灵感来源于美国洛斯阿拉莫斯国家实验室和美国国家航空航天局（NASA）早期开发的不锈钢整体式热管反应堆概念。

稳态温度验证

稳态温度分布是所有后续瞬态分析的基础。图10a展示了额定满功率运行（300 kW）下1/6对称模型的等温线分布结果。预测的热场展现了物理上一致的温度层级关系，其中燃料区域温度最高，依次为包壳、液态铅和热管壁。这一行为证实了堆芯内的传热

结论

本研究在假设的热管失效情景下考察了液态铅热管冷却微型堆的瞬态热工行为。分析重点在于评估温度演化、热量再分布机制和热安全裕度，并与传统不锈钢整体式堆芯进行了对比。在本简化模型的范围内，结果表明引入液态铅热粘结改善了横向热扩散，并

未来工作

本工作未包含耦合的中子学-热工反馈效应。此外，液态铅设计的若干工程挑战仍未解决，包括结构材料的腐蚀、热膨胀管理以及与铅填充相关的制造复杂性。热膨胀对界面接触的影响也未纳入模型。未来的工作应侧重于：(1) 利用MAGNET等非核实验设施进行实验验证；(2) 耦合

CRediT作者贡献声明

Taiwo Saheed Yinusa：写作——审阅与编辑，写作——初稿，方法论，形式化分析，概念构思。Huaping Mei：验证，指导，软件，方法论，概念构思。Isaac Kwasi Baidoo：可视化，验证，方法论。Chao Chen：写作——审阅与编辑，验证，方法论。Taosheng Li：指导，资金获取。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所述工作的情况。

致谢

作者感谢安徽省重点研究与开发项目（编号2022107020018）和合肥物质科学研究院院基金（编号YZJJ202305-TS）对本工作的支持。感谢中国科学院与第三世界科学院（CAS-TWAS）的联合支持。

Taiwo Saheed Yinusa | Huaping Mei | Isaac Kwasi Baidoo | Chao Chen | Taosheng Li
中国科学院合肥物质科学研究院核能安全技术研究所，合肥，230031，中国