面向热管堆核能系统的基于三维中子输运的系统分析代码开发

《Annals of Nuclear Energy》：Development of a 3D neutron-transport-based system analysis code for heat pipe reactor nuclear energy system

　　

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  开发了一个基于三维中子输运的系统分析代码DAISYSYS-3D，用于热管反应堆核能系统。
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  提出了一种"关键时间窗口"耦合方法，以平衡长期瞬态效率与高分辨率堆芯分析。
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  所开发的堆芯模型已与ANL-BSS16基准、钠热管实验以及COMSOL热传导结果进行了验证。
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  对控制鼓旋转（反应性插入）和热管故障的瞬态分析表明，DAISYSYS-3D能够捕捉三维功率重新分配、热点迁移以及局部热响应。

引言

热管反应堆近年来备受关注，主要源于其在远程供电、空间核推进以及移动能源系统中的适用性。这得益于其紧凑结构、被动式热传输以及简化的系统设计（Swartz等人，2021年；McClure等人，2015年）。热管反应堆通常采用紧凑的快中子能谱堆芯设计，并常使用控制鼓进行反应性调节。控制鼓的旋转会在紧凑堆芯内引起显著的功率重新分配，该现象具有强烈的空间特性。此外，热管作为独立的被动式传热元件运行，与液态金属冷却快堆中流动的冷却剂存在本质区别。当发生局部热管失效时，受影响区域会出现显著的温升。这些由强烈堆芯非均匀性和局部效应驱动的复杂空间特性，对系统级瞬态分析构成了重大挑战。现有的系统瞬态分析方法通常依赖点动力学或简化的中子扩散模型。这些方法能够高效描述反应堆与能量转换系统之间的整体动态响应，但难以准确捕捉紧凑快谱堆芯中的强非均匀性，也无法解析热管失效所引起的局部效应。因此，在准确捕捉堆芯空间效应的同时保持长期系统瞬态的计算效率，仍然是热管反应堆瞬态安全分析中的关键难题。

研究人员已开展了大量的系统级建模与瞬态分析，以探究热管反应堆与能量转换系统之间的动态响应。这些研究将反应堆动力学、堆芯固体热传导、热管传热以及能量转换系统组件模型耦合起来，开发了热管反应堆的系统分析代码。这些代码被应用于典型瞬态工况分析，包括反应性扰动、负荷变化以及热管失效（Kang等人，2022年；Ge等人，2022年；Guo等人，2024年；Wang等人，2023年）。此外，相关研究改进了热管瞬态模型以提高安全参数的预测能力（Tian等人，2021年）。部分工作采用预设功率分布结合详细的三维有限元分析来解决固体基体中的热问题（Zhang等人，2023年；Zhang等人，2017年）。总体而言，系统级模型的主要优势在于其高效描述反应堆、热管与能量转换设备之间整体动态响应的计算能力，因此非常适用于长期瞬态分析和控制策略研究。然而，为了保持这种效率，点动力学仍被广泛用于堆芯分析。该方法难以解析由控制鼓旋转或局部热管失效引起的三维功率重新分配和局部温度峰值。因此，其安全裕度的预测能力需要进一步改进。

为了克服系统模型空间分辨率不足的问题，提出了针对热管反应堆的更精细的三维分析模型。最常见的方式是将模型从点动力学或预设功率分布的三维热分析转变为基于三维多物理场耦合的模型。阿贡国家实验室对热管微型反应堆开展了耦合研究，其研究工作整合了空间核学、三维传热以及热管模型，最终形成了PROTEUS/FLUENT/ANLHTP和PROTEUS/ANSYS/ANLHTP框架。这些框架在三维确定性中子输运、三维热分析和热管模型之间交换功率和温度信息，从而实现了热管反应堆的瞬态中子-热耦合（Hu等人，2019年；Lee和Jung，2020年）。此外，基于蒙特卡罗中子物理和三维热力学模型的稳态研究已实现了自洽分布，包括功率、温度、应力和变形，同时评估了热膨胀引起的反应性反馈（Zhang等人，2023年）。然而，计算负担限制了当前高保真度研究的发展，这些负担源于三维瞬态中子输运、截面更新以及大量热管的详细建模。因此，现有研究主要聚焦于稳态条件或限于较小计算域内的瞬态行为。更重要的是，当前大多数分析模型通常使用热管冷凝器温度、传热系数或热阱条件预设边界，这种方法忽略了外部载荷和控制系统的动态响应。

为了解决当前分析方法难以在模拟长期瞬态的计算效率与堆芯空间分辨率之间取得平衡的问题，提出了一种新的时间耦合方法，用于在长期系统行为模拟过程中将三维堆芯分析模型嵌入感兴趣的时段。其中，集总参数系统代码作为主代码，在整个时间域上进行时间推进。在整个过程中嵌入一个或多个"关键时间窗口"。在关键时间窗口内，状态变化由精细模型显式建模，例如控制鼓旋转和局部热管失效。在窗口内考虑三维中子输运动力学、三维堆芯热传导、一维热管传热以及三维热膨胀反馈。

开发了一个新代码DAISYSYS-3D，其中系统模拟向堆芯模型提供冷凝器边界条件和瞬态重启参数，而堆芯计算则将三维功率形状、净反应性和点动力学参数反馈回系统级结果中进行修正。因此，该方法避免了在整个时间域上持续进行三维堆芯计算，同时保留了关键瞬态过程中堆芯状态的变化。它为热管反应堆的精确高效瞬态分析提供了一种新策略。

本文其余部分组织如下：第2节介绍DAISYSYS-3D中的堆芯-系统耦合方法；第3节验证了新开发的堆芯分析模型；第4节展示了DAISYSYS-3D在微型热管反应堆核能系统瞬态分析中的应用，包括控制鼓失控旋转引起的反应性插入和局部热管失效工况；最后，第5节总结本研究并给出主要结论。

章节摘要

堆芯-系统耦合框架

提出了一种采用弱耦合策略的堆芯-系统耦合框架，该框架基于此前自主开发的代码DAISYSYS（Huang等人，2025年）进行开发。系统模型驱动整个时间域上的瞬态模拟，三维堆芯计算仅在关键时间窗口内被激活，并更新系统模型中的功率形状、净反应性和动力学参数。可在整个瞬态过程中定义多个关键时间窗口。

模型验证

基于耦合框架和新的反应堆堆芯分析模型，开发了一个新代码DAISYSYS-3D。在之前的工作中，系统分析模型已经过验证（Huang等人，2025年）。因此，本节重点介绍新开发的反应堆堆芯分析模型。

问题描述

该分析代码被用于带热管反应堆和熔盐蓄热系统的微型核能系统（MNES-HPMS）的安全分析。图18展示了MNES-HPMS的系统配置，该系统主要由反应堆堆芯系统、熔盐蓄热系统和能量转换系统组成（Huang等人，2025年）。热管反应堆作为热源，通过热管被动地将热量传递给外部换热器。超临界

结论

本文提出了一种针对热管反应堆核能系统瞬态分析的系统瞬态分析耦合方法。三维反应堆堆芯模型通过"关键时间窗口"嵌入到系统瞬态分析中。堆芯模型涉及三维中子输运动力学、三维堆芯热传导、二维热管传热以及三维热膨胀模型，揭示了堆芯参数的高分辨率分布和多物理场耦合效应。该方法很好地平衡了计算成本

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金委员会［资助编号 12475180］和中国核工业集团科技创新计划的支持。

黄栋|郑友起|杜西安