多物理、多尺度耦合与安全分析

      反应堆是一个高度耦合的复杂工程系统，其运行过程同时涉及中子物理、热工水力、结构力学、燃料性能以及化学过程等多种物理机制。开展多物理场耦合分析的核心意义在于能够真实刻画反应堆内部不同物理过程之间的相互作用，从而为反应堆设计优化、安全分析与运行控制提供高保真计算工具。例如，功率分布决定燃料发热，而温度场又反过来通过密度反馈、截面变化等影响反应性；同时，冷却剂流动决定热量移除能力，结构热膨胀和材料性能变化也会进一步影响堆芯几何和反应性。因此，只有在统一计算框架下对这些物理过程进行耦合求解，才能准确预测反应堆在稳态、瞬态以及事故工况下的行为。这对于先进微堆的设计与许可尤为关键。

      反应堆多尺度耦合是指在统一的分析框架下，将不同时间尺度与空间尺度上的物理过程进行关联建模与计算，从而更真实地描述核反应堆复杂的运行机理。其核心意义在于：反应堆中的关键现象往往跨越多个尺度，例如微观材料结构、燃料颗粒、燃料元件、组件、堆芯、系统级等空间尺度，以及微秒级中子动力学、秒级热工水力瞬态、年级燃耗演化等时间尺度。许多工程关键问题（如燃料性能退化、结构材料损伤、事故演化过程等）本质上都来源于不同尺度物理过程之间的相互影响。例如，燃料颗粒尺度上的裂变气体释放和晶格缺陷演化，会影响燃料热导率和膨胀行为，从而改变组件尺度温度场和功率分布；又如材料腐蚀、氚渗透等微观过程，会在长期运行中影响系统级安全裕度。因此，多尺度耦合分析能够在更高保真度上揭示反应堆运行机理，是先进反应堆设计优化、寿命评估和安全分析的重要基础。

热管微堆多物理耦合

      世界各国对深空、深海、孤岛等特殊物理空间的探测任务不断增长，电源需求亦随之增长。相对于传统动力方式，能量密度更高、可靠性和可持续性更强的核动力电源成为特殊物理空间探测任务的首要能源选择。热管冷却反应堆（热管堆）是引起关注的核反应堆类型之一。热管堆采用固体堆芯设计，堆芯产生的热量通过热管以非能动方式导出到堆外，具有结构简单、固有安全性高、运行特性简单、易于模块化等突出优点，在深空探测、深海潜航、孤岛电源等特殊场景中具有广阔的应用前景。

      为提升多物理场耦合特性分析求解速度，在RETA求解器的基础上，采用基于PJFNK的统一求解方法，开展对求解速度的优化研究。对kW级热管堆KRUSTY堆采用基于点堆动力学方程的统一求解模型，规避迭代的使用，相较传统的Picard迭代求解模型求解速度提升八倍。针对MW级热管冷却反应堆，开发基于多群中子扩散的中子物理模型和热-力场统一求解模型，并针对数据传递模式、功率密度插值算法、耦合模型加速收敛算法等开展加速优化研究。

熔盐堆多尺度耦合

      针对熔盐冷却球床反应堆，建立了耦合多维流体方程（CFD）及一维系统热工水力学方程（STH）的统一求解模型，实现同时求解。针对加州伯克利大学熔盐冷却球床反应堆装置，进行了数值模拟研究，获得了超过10倍的加速比，验证了统一求解器在提高计算速度方面的优势。

钠冷快堆系统安全分析模型

      钠冷快堆（SFR）作为第四代反应堆的代表技术，具有提升核燃料利用率（嬗变铀-238）和增强安全性的潜力。基于美国阿贡国家实验室的EBR-II钠冷实验堆的瞬态事故基准题（SHRT-17和SHRT-45r），利用RETA系统分析软件，构建EBR-II的RETA系统安全分析模型，开展事故工况模拟计算，将计算结果与基准题进行对比验证，以评估RETA在钠冷快堆领域的适用性。

高温气冷堆系统安全分析模型

      棱柱式高温气冷堆（Prismatic High Temperature Gas-cooled Reactor, HTGR）具备卓越的事故安全性，在事故工况下主要依靠压力传导冷却等非能动方式导出余热。基于HTTF基准题，建立了基于RETA的轴对称环形模型，对满功率稳态和压力传导冷却瞬态工况进行了计算和实验数据验证。结果表明，RETA能够较好地模拟流体反向流动、自然循环建立等主要物理过程，验证了RETA在高温气冷堆系统安全分析领域的适用性。

铅铋回路热工水力分析模型

      利用 RETA 对TALL-3D 的铅铋合金（LBE）实验装置进行了建模，以研究流动由强制循环向自然循环过渡的过程。TALL-3D 装置是一套整体式热工水力回路，用于研究重液态金属冷却剂的热工水力特性。结果表明，在 MH 支路中，瞬态质量流量和温度在振荡频率以及稳态（自然循环）数值方面均能够较好地再现实验趋势。采用一阶格式（BDF1-O1）得到的结果与参考解存在显著差异，这一点在本研究中引起关注。在 BDF1-O1 格式下，约 700 s 时出现的质量流量峰值比收敛值低 25% 以上，而约 600 s 时的流体温度峰值也比收敛值低 50 K 以上。相比之下，在采用二阶格式（BDF2-O2）时，这两个峰值与收敛值之间的偏差处于合理范围。研究表明，同时采用时间与空间均为二阶精度的离散格式，对于准确预测振荡幅值至关重要。