核动力工程

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吴宏春, 雷铠灰, 申靖文

2025, 46(1): 1-12. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0001

摘要(26) HTML (7) PDF(13)

摘要:
在全球科学智能研究与应用的浪潮下，人工智能技术已在反应堆中子学分析的各个环节得到应用，以增强中子学分析的智能化、精细化和高效化。本文对近年来人工智能技术在反应堆中子学分析中的应用研究进展进行综述，以期为推进反应堆数智化发展提供一定的借鉴和参考。为便于读者阅读，首先介绍了人工智能方法的基本分类及其特点；然后分别介绍了中子学分析的核数据评价处理、问题建模、方程数值求解以及输运结果应用四个主要环节的应用研究情况，并分析了其关键技术；最后从模型、数据和应用安全三个方面总结了人工智能技术在中子学分析计算中存在的问题，并给出了相应的研究建议与思考。

全堆芯三维时空动力学中子输运程序SAAFCGSN应用研究

姜夺玉, 许鹏, 江新标, 胡田亮, 王立鹏, 曹璐, 李达

2025, 46(1): 13-23. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0013

摘要(12) HTML (6) PDF(3)

摘要:
当前为了应对新型先进小堆技术的发展，反应堆物理数值计算程序对三维全堆芯输运计算的要求不断提高。本文基于MOOSE平台开发了全堆芯三维时空动力学中子输运程序SAAFCGSN，该程序基于有限元方法实现空间变量离散，基于残差形式实现堆芯稳态、瞬态中子输运方程以及缓发中子先驱核方程的求解，采用JFNK方法避免直接求解Jacobin矩阵，从而提高计算速度，降低内存占用。为了检验程序的瞬态计算能力，本文使用经济发展与合作组织核能机构（OECD/NEA）C5G7-TD系列基准题验证了程序的可靠性，并与高保真确定论中子输运程序及蒙特卡罗程序模拟结果进行比较分析。研究表明，SAAFCGSN程序计算精度较高，可以有效处理控制棒尖齿效应，并得到详细的三维堆芯中子注量率分布，满足先进小堆的稳态及瞬态中子学计算需求。

VVER反应堆24个月换料周期可行性研究

化新超, 潘登, 李瑶, 彭一鹏, 刘家庆

2025, 46(1): 24-29. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0024

摘要(17) HTML (14) PDF(2)

摘要:
为减少VVER反应堆使用寿命内换料大修次数，提高机组能力因子，增加平均年度发电量，本文利用KASKAD软件包，通过增加燃料组件平均²³⁵U富集度和批换料数的方式，对VVER反应堆实现24个月换料周期的可行性进行了研究，从而设计出了长短交替的24个月长周期堆芯换料方案。对该方案计算结果分析表明：其循环长度分别为633.5 EFPD（EFPD为等效满功率运行天）或667.1 EFPD，各堆芯特性参数均满足设计限值要求，且有较大裕量；较目前18个月堆芯换料周期方案，该方案具有良好的经济效益，当国际天然铀采购价格每磅不超过60美元时，每台机组平均每年将至少带来约0.12亿元收益。因此，本文研究的24个月换料平衡循环堆芯装载方案具有很好的安全性、经济性、灵活性以及工程应用价值。

压水堆燃料棒径向热膨胀建模方法及其影响分析研究

周雨锋, 谢伟戎, 万承辉, 曹新, 白家赫, 郭林

2025, 46(1): 30-35. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0030

摘要(9) HTML (5) PDF(5)

摘要:
在压水堆功率运行过程中，燃料芯块和燃料棒包壳由于温度变化会出现不同程度的热膨胀现象，对堆芯物理计算具有重要影响。为了在两步法计算流程中精确考虑燃料棒径向热膨胀对堆芯物理分析结果的影响，本文基于堆芯物理分析软件Bamboo-C提出了燃料棒径向热膨胀精确建模方法，分别在组件计算和堆芯计算层面对燃料棒径向热膨胀导致的几何变化予以考虑，且在堆芯计算层面通过温度场的迭代收敛最终确定精确的几何膨胀尺寸。本文以EPR1750机组为研究对象，对各燃料循环启动物理试验和功率运行过程进行计算，结果表明，与等温温度系数实测值的误差平均值由−3.065 pcm/K（1pcm=10^–5）降低至−1.870 pcm/K，与临界硼浓度实测值的误差平均值由−5.9ppm（1ppm=10^–6）、−5.7ppm降低至−2.5ppm、−2.7ppm。因此，本文提出的压水堆燃料棒径向热膨胀建模方法能够在一定程度上提高EPR1750机组关键安全参数的计算精度，具有一定的工程应用价值。

基于多次碰撞源的离散纵标射线效应减弱方法研究

郑征, 李翔, 梅其良, 黎辉, 王梦琪

2025, 46(1): 36-40. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0036

摘要(12) HTML (3) PDF(2)

摘要:
本研究旨在探讨通过蒙特卡罗（MC）方法计算多次碰撞源分布，以减轻离散纵标（SN）方法中的射线效应，尤其是在处理包含局部源、低密度或真空区域的模型时。采用MC方法计算多次碰撞源分布，并利用Kobayashi基准题对多次碰撞源和首次碰撞源的射线效应减弱方法进行了初步验证和分析。通过混合并行技术（消息传递接口MPI+开放式多处理器OpenMP）提高计算效率，减少负载不平衡问题。研究表明，MC多次碰撞源方法在抑制SN方法中局部源问题的射线效应方面表现优异，能够显著减少计算中的非物理震荡，提高计算精度。当碰撞次数达到3次以上时，计算偏差降低至10%以下。此外，采用混合并行技术后，120个线程的并行计算效率达到80%以上。尽管在计算时间上略有不足，该方法在处理复杂几何和物理条件下展现了较大的潜力，是一种有前景的射线效应减弱方法。

基于钒SPND瞬发电流的最佳指示功率估计方法

邵睿智, 曹良志, 李云召, 陈磊

2025, 46(1): 41-46. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0041

摘要(14) HTML (7) PDF(2)

摘要:
三代压水堆堆芯运行中根据自给能中子探测器（SPND）响应电流快速获得总功率，称之为最佳指示功率估计。现有技术基于钒SPND的总电流与总功率间的线性关系假设（称之为总电流估计法），因无法区分不同电流组分的时间响应，而无法适用于瞬态运行过程。为了提升对运行过程的监测能力，基于压水堆堆芯分析软件NECP-Bamboo中的SPND响应电流计算功能，提出了基于钒SPND瞬发电流的最佳指示功率估计方法（称之为瞬发电流估计法），同时用于瞬态和稳态运行过程，并与已有方法进行了定量对比分析。数值结果表明：①在稳态运行过程中，总电流估计法和瞬发电流估计法给出的最佳指示功率偏差均小于1%额定功率；②在堆芯快速降功率（RPR）棒组落棒的瞬态过程中，总电流估计法的偏差大于50%，而瞬发电流估计法的偏差小于1%。

新型工质堆多相流动形态中子成像表征技术进展及应用

梅中恺, 贺林峰, 文青龙, 邱志方, 陈东风

2025, 46(1): 47-62. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0047

摘要(12) HTML (6)

摘要:
中子成像技术在新型工质堆多相流形态可视化与测量等领域表现出重要的应用潜力。本文阐述了中子成像测量方法的基本原理，全面综述了中子成像技术在传统轻水反应堆及铅铋冷却快堆、热管堆、超临界水堆和钠冷快堆等新型工质堆的研究进展，概述了中子成像技术应用于新型工质堆的未来发展方向，并提供了高保真中子图像获取与流动形态测量的基础方法论。

铅铋介质中螺旋盘管管束三维流场数值模拟方法研究

殷一博, 温济铭, 田瑞峰, 高璞珍, 夏榜样, 陈冲, 张雪, 谭思超

2025, 46(1): 63-72. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0063

摘要(16) HTML (10)

摘要:
在换热器设计中，通过了解铅铋介质在管束中的旋流和涡流等三维流场特性，可以更好地预测和评估换热管设计，确保换热器的安全稳定运行。本研究基于数值模拟对温度为200℃、入口流速为0.5 m/s的铅铋介质在螺旋盘管中的漩涡脱落问题开展研究，以验证后的大涡模拟（LES）方法计算结果为标准，与不同模型进行对比，得到关于此问题的较高计算效率求解模型。结果表明，分离涡模拟（DES）剪切应力传输模型（SST） k-ω与LES模型相比具有较高的计算效率；在研究范围内螺旋盘管至少受漩涡脱落和湍流激振的影响，不同管子之间的脱落漩涡相互影响，导致升阻力频谱出现多峰特征；与直管束不同，螺旋管束下游的流动结构和速度分布都是不对称的，由于螺旋盘管升角的存在，增强了管间间隙的法向速度，且螺旋盘管的盘绕形状使横向速度分布更加不均匀。

钠-水直流蒸汽发生器径向热工水力特性研究

冯振宇, 刘雅鹏, 王博, 张大林, 李新宇, 田文喜, 秋穗正, 苏光辉

2025, 46(1): 73-82. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0073

摘要(8) HTML (7)

摘要:
钠-水直流蒸汽发生器是钠冷快堆的重要设备，传统的蒸汽发生器一维热工水力系统分析程序无法考虑径向热工水力参数分布，不适用于疲劳和热应力分析。为了计算蒸汽发生器的径向热工水力参数分布，采用管网、管道和蒸汽发生器部件相结合的方法开发了TCOSS-2D程序。首先，利用TCOSS-2D对中国示范快堆（CFR600）蒸汽发生器原型样机进行了径向多层建模和热工水力计算，结果表明程序计算的瞬态响应变化趋势与实验符合良好，验证了程序的径向热工水力计算能力；其次，考虑了钠-水直流蒸汽发生器钠侧径向不均匀流量分配，结果表明钠侧径向不均匀流量分配对蒸发器径向温度差异影响大于过热器，瞬态变化过程中钠侧的非均匀流量分配对水侧的不均匀性影响相对较小。因此，本研究开发的钠-水直流蒸汽发生器数值模型能够用于其径向热工水力特性的分析。

基于DPM-to-VOF方法的液滴射流撞壁过程研究

陈青山, 王明军, 田文喜, 秋穗正, 苏光辉

2025, 46(1): 83-91. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0083

摘要(12) HTML (6)

摘要:
喷淋雾化被广泛应用于核动力设备中，以保证其安全稳定运行。喷淋时，部分液滴会撞击设备壁面，以液膜的形式进行扩展和演变。基于Fluent软件的离散相-连续相转换（DPM-to-VOF，DTV）方法进行了液滴射流撞壁研究，使用两液滴滴落过程试验图像验证了模拟方法的准确性，研究了液滴射流注入速度、入射角度对壁面液膜形态的影响规律，得到了液滴溅射率随入射条件的变化情况，并分析了液滴撞击壁面时重力、表面张力、速度分量等对液膜形态扩展过程、液滴溅射率的影响。研究发现，增大注入速度能加大对液膜的扰动，液膜与壁面的接触面积显著增大，液膜区宽度和高度增加；增大入射角度对液膜形态的改变影响较大，体现在液膜区宽度增加和液膜区高度减小，液膜表面稳定性减低。溅射率随着注入速度和入射角度的增大而增大，其中，入射角度对溅射率的影响更大。

基于DOEL-2电厂SGTR事故的LOCUST分析与验证

袁波, 雷兴, 文青龙, 陈康, 徐财红, 厉井钢

2025, 46(1): 92-99. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0092

摘要(14) HTML (6) PDF(3)

摘要:
蒸汽发生器传热管破裂（SGTR）事故会导致一、二回路热工水力参数大幅波动，严重危害反应堆的安全性，使用国内研发的热工水力系统分析软件LOCUST可以计算SGTR事故中的热工水力参数并预测事故进程。本研究以DOEL-2电厂SGTR事故为研究对象，以热工水力系统分析软件LOCUST为计算工具，对DOEL-2电厂进行建模计算，并将计算结果与RELAP5计算结果及实际数据进行对比，评估LOCUST软件对SGTR事故预测的准确性。研究表明，LOCUST软件能够很好地预测SGTR事故过程，计算得到的一回路及二回路相关参数与RELAP5计算结果和实际数据吻合较好，本研究可为LOCUST软件验证提供数据支撑。

面向LBE流动换热的SST k-ω-k_θ-ε_θ四参数模型构建与验证

吴杰, 苏兴康, 蔡杰进, 巩子琦, 顾龙

2025, 46(1): 100-106. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0100

摘要(5) HTML (2) PDF(2)

摘要:
为解决极低普朗特数流体的数值传热计算问题，提高液态铅铋合金（LBE）流动换热数值计算精度，在OpenFOAM框架下，构建了雷诺应力和湍流热通量的SST k-ω-k_θ-ε_θ四参数模型。使用四参数模型在垂直管内和带绕丝格架19棒束LBE流动换热基准实验的基础上，结合相应的努塞尔数与摩擦因子经验关联式，进行了与湍流普朗特数（Pr_t）模型的对比验证和传热分析。结果表明，SST k-ω-k_θ-ε_θ四参数模型所预测的温度与实验数据吻合较好，对传热的预测性能优于Pr_t模型，适用于LBE流动换热数值计算。

环形螺旋十字燃料元件流动与换热特性的数值模拟分析

何兴, 程杰, 吴迪, 赵文斌, 王建军

2025, 46(1): 107-115. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0107

摘要(8) HTML (3) PDF(3)

摘要:
螺旋十字燃料作为一种较为新型的燃料元件，由于其独特的强搅混作用和自支撑等优点而受到广泛关注，但是仍存在中心温度偏高等问题。为解决相关问题，本文提出一种环形螺旋十字燃料，并采用数值模拟的方法研究其内部的流动与换热特性。结果表明，功率计算采用余弦分布的方法会存在轴向功率梯度太大等问题，也会导致计算得到的燃料元件最高温度比实际情况下偏高。此外，相比于螺旋十字燃料，环形螺旋十字燃料具有更强的搅混作用和更低的燃料元件最高温度；并且，入口速度的增加可以进一步加强冷却剂之间的搅混作用从而增强换热能力，但入口温度以及功率密度对搅混作用的影响较小。在燃料元件温度分布方面，环形螺旋十字燃料元件在不同高度处的最高温度位置会受到冷却剂横向速度大小的影响，在冷却剂横向速度大的位置，对燃料元件的换热更强，因此此处的燃料元件温度更低。

冷却条件下液态铅横流管束流动传热特性研究

李良星, 许向阳, 向祖涛, 石尚, 雷振欣

2025, 46(1): 116-127. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0116

摘要(16) HTML (6) PDF(2)

摘要:
液态金属冷却剂在主换热器内的流动传热特性对铅冷快堆的高效安全经济运行具有重要影响。本研究针对螺旋盘管式换热器中管束布置特征，建立了液态铅横流管束二维分析模型，对比分析了适用于液态铅横流管束流动的湍流普朗特数模型，采用数值模拟方法研究了液态铅横流冲刷换热管束的流动传热特性。结果表明，随着入口雷诺数的增大，液态铅在管间的时均速度分布曲线下凹程度增加，回流区内无量纲壁温的差异增大，并且涡旋对管壁180°附近区域的扰动增强。液态铅在横掠管束时的综合流动换热性能与螺旋盘管横向节径比呈正相关关系，与进口雷诺数呈负相关关系。基于数值模拟研究结果提出了液态铅横流错排管束的传热关联式，其预测误差在10%以内。

铅铋合金低流量对流传热及格架效应数值研究

袁搏, 孙杰, 肖瑶, 丁冠群, 顾汉洋

2025, 46(1): 128-135. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0128

摘要(18) HTML (9) PDF(3)

摘要:
铅冷快堆的冷却剂铅铋合金（LBE）的传热特性相较于水等常规介质不同，为此本文对LBE在低流量下的流动传热特性及其格架效应进行了数值研究。通过和已有实验数据对比并结合先前研究确定了合适的湍流普朗特数模型和湍流模型，基于此采用计算流体动力学（CFD）方法进行了LBE低流量对流传热计算，结果表明随着浮升力效应的增强，上升流传热先弱化后强化，下降流则一直表现为强化，此规律同水类似；但由于LBE普朗特数极低的特性，其整体的传热强、弱化程度相较于水大幅降低。在带有格架的管内CFD计算中发现在格架下游出现传热局部强化，该强化程度随浮升力效应增加而降低并逐渐消失，且格架下游死区强度和长度均随浮升力效应增加而呈现先增加后减少的趋势，转折点大致位于传热弱化区上升段和传热强化区的分界点。此外，在传热强化区并未出现传热振荡现象，此规律与水不同。

阀门密封面裂纹泄漏率计算方法研究

曹玉明, 赵刚, 方正, 李玉环, 周犊, 刘文师, 王正

2025, 46(1): 136-142. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0136

摘要(12) HTML (7) PDF(3)

摘要:
在核动力系统的运行过程中，由于热载荷和疲劳载荷的作用，阀门密封面可能产生裂纹，并导致泄漏发生，甚至出现更严重的后果。因此研究阀门密封面裂纹的泄漏率将提高反应堆的安全性。本文以Henry-Fauske临界流动模型为基础，同时考虑泄漏过程中的阻力，形成一套用于计算不同工况（高温水及饱和蒸汽）下阀门密封面裂纹泄漏率的计算方法。最后根据实际工况搭建裂纹泄漏率测量实验平台，并将实验测量的泄漏率与理论模型计算的泄漏率进行比较来验证本文提出的泄漏率计算方法的准确性。经过实验与理论的比较，本文提出的裂纹泄漏率计算方法能够较为准确地预测阀门密封面裂纹泄漏率，有较好的实际应用价值。

棒束通道中边棒和角棒环状流扰动波特性研究

金光远, 白镜湖, 王睿, 李伟链, 杜利鹏, 张文超

2025, 46(1): 143-151. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0143

摘要(22) HTML (9) PDF(3)

摘要:
研究棒束通道中边棒和角棒环状流扰动波特性，可为核电厂稳态运行和应急处置提供理论支撑。本研究建立棒束通道中环状流可视化实验系统，对边棒和角棒表面扰动波特性进行分析。结果表明，扰动波形态可以分成小尺度波、包状扰动波、带状扰动波和带状破碎波4种；液相折算速度保持不变时，平均液膜厚度随气相折算速度增加而变小，当液相折算速度逐渐变大时，平均液膜厚度数值也逐渐变大；扰动波波高随气相折算速度增加而变小，边棒表面扰动波高度低于角棒的值。当液相折算速度低于0.41 m/s时，扰动波波速随着气、液相折算速度增加而变大；当液相折算速度高于0.41 m/s时，扰动波波速高于气相折算速度。扰动波波频随气相折算速度增加而变大，随液相折算速度变化规律不明显，这取决于波动形态的变化。边棒和角棒表面液膜厚度数据的熵均值随着扰动波形态从小尺度波、包状扰动波、带状扰动波到带状破碎波逐步增加，因此可以使用多尺度排列熵分析方法判定棒束通道中扰动波形态。

固态堆芯非对称热应力耦合试验研究

王严培, 唐昌兵, 李权, 李涛, 李晨曦, 秋博文, 范航, 李垣明

2025, 46(1): 152-159. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0152

摘要(16) HTML (8) PDF(3)

摘要:
非对称分布热应力耦合导致的燃料与基体相互作用是固态堆芯反应堆分析的关键问题，本研究采用数值模拟与试验相结合的方法，开发了分布式冷源和热源加载方式，对典型结构固态堆芯燃料元件开展了高温下热应力耦合模拟与试验研究。研究结果表明，试验测得的高温应变场与数值模拟结果较为接近，堆芯燃料基体在350℃温差下无失效风险，本研究建立的非对称分布式冷源和热源热应力耦合数值预测方法和试验技术能够用于固态堆芯反应堆非对称热应力分布研究，低温差下燃料元件基体无失效风险。

16MND5钢单轴棘轮疲劳行为试验研究

莫旭阳, 朱明亮, 张尚林, 杨立才, 陈尧, 轩福贞

2025, 46(1): 160-168. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0160

摘要(16) HTML (8) PDF(2)

摘要:
本文旨在分析材料在不同循环载荷作用下的棘轮演化规律，以指导核电站关键部件的寿命预测及结构完整性评价。针对国产反应堆压力容器用16MND5锻造贝氏体钢，在350℃下开展一系列对称和非对称应力控制试验，研究了应力幅和平均应力对棘轮行为的影响。结果表明：该合金在对称与非对称应力循环载荷下均表现出棘轮效应。应力幅值和平均应力的增加降低了疲劳寿命。循环演化表现出初始循环硬化，然后循环软化，最后加速软化。相同应力幅下，平均应力的引入促进了软化。棘轮应变不随拉伸平均应力的增加而单调增加，存在一个最不利的平均应力导致棘轮-疲劳交互最为明显。断口形貌分析表明，根据应力水平的大小，试样可分为疲劳失效和发生较大塑性应变的棘轮失效。

基于四步反应模型的石墨氧化腐蚀研究

申腾, 王城喻, 郭少强, 贺楷

2025, 46(1): 169-174. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0169

摘要(15) HTML (8) PDF(3)

摘要:
为了建立气冷微堆堆芯石墨与氧气的腐蚀反应分析方法，本文基于Arrhenius反应式建立石墨氧化腐蚀的四步反应模型。模型的四步反应分别代表石墨与氧气在反应过程中可能发生的4种化学反应，并增加了反应活性面积以模拟失重率对腐蚀速率的影响。通过开展基于气体浓度法的石墨氧化腐蚀实验，得到500~1100℃下不同流量和不同氧气浓度的石墨氧化腐蚀速率，实验数据分别用于腐蚀参数拟合和模型验证。建模及验证分析结果表明，所拟合的四步反应模型能够适用于石墨氧化腐蚀速率的计算分析并能够区分反应产物，且模型反应活性面积的增加更有利于准确预测高失重下的氧化腐蚀速率。

烧结工艺对UN-30%U₃Si₂芯块的致密化影响研究

粟丹科, 潘小强, 陆永洪, 杨静, 王挺, 段苗苗

2025, 46(1): 175-182. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0175

摘要(12) HTML (6) PDF(2)

摘要:
本文基于粉末冶金技术制备了UN-30%U₃Si₂复合燃料芯块（U₃Si₂质量百分数为30%），研究了烧结气氛、烧结温度、烧结时间等烧结工艺对芯块烧结密度的影响规律，主要通过芯块的化学成分、物相组成以及微观组织变化等方面进行致密化过程分析。结果表明，UN-30%U₃Si₂复合燃料芯块真空烧结相比氩气气氛烧结更有利于致密化；随着烧结温度（1600~1675℃）升高，致密度逐渐增加，最高可达97%T.D.（T.D.为理论密度）；当烧结温度高于U₃Si₂熔点之后，随着温度上升，U₃Si₂相在高真空条件下会烧损挥发，并且N元素有向U₃Si₂相扩散的趋势，形成未知USi_xN_y相；烧结温度的升高或者烧结时间的延长，均有利于U₃Si₂相对UN相形成包覆。

超临界水冷堆候选包壳材料研究进展与思考

张乐福, 黄涛, 苏豪展, 高阳, 郭相龙, 沈朝, 陈凯

2025, 46(1): 183-190. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0183

摘要(17) HTML (7) PDF(1)

摘要:
超临界水冷堆（SCWR）具有热效率高、结构简单等技术优势，是第四代核能系统国际论坛推荐的6个堆型之一。本文首先回顾了SCWR的包壳设计要求和主要性能挑战，然后对经过较多测试的商用候选包壳材料的均匀腐蚀、应力腐蚀及辐照性能进行了回顾。铁素体/马氏体（F/M）钢、奥氏体不锈钢及镍基合金均存在某方面的性能不足。最后，介绍了近年来新兴的SCWR候选包壳材料，包括新型含铝奥氏体不锈钢、氧化物弥散强化钢、梯度材料及其他组织改进技术的研究进展。

燃料组件变刚度板弹簧压紧力分析模型研究

金渊, 彭遥, 李伟才, 蔡晓枘, 张玉相, 胡海翔

2025, 46(1): 191-198. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0191

摘要(11) HTML (8) PDF(1)

摘要:
为开展压水堆燃料组件变刚度板弹簧的压紧力分析，本文在分析了传统板弹簧加卸载过程的基础上，综合考虑温度变化、辐照生长和辐照松弛等影响因素，进一步分析了变刚度板弹簧在不同加卸载过程中的压紧力变化，给出了变刚度板弹簧的全过程载荷-变形曲线。分析结果表明：燃料组件辐照生长增加了变刚度板弹簧的变形，但不改变加卸载刚度曲线；变刚度板弹簧的辐照松弛过程可分解为2组板弹簧的并联，并分开考虑其辐照松弛量，刚度曲线特性保持不变；当燃料组件辐照生长量大于板弹簧辐照松弛量时，板弹簧的塑性变形将增加。

安全壳钢衬里在模拟混凝土孔溶液中的耐腐蚀性研究

郭俊营, 陈圣刚, 李忠诚, 刘金龙, 周传波

2025, 46(1): 199-208. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0199

摘要(12) HTML (5) PDF(3)

摘要:
针对核电厂安全壳钢衬里专用P265GH低合金钢（CSL），采用电化学和X射线光电子能谱（XPS）分析方法探究其在饱和Ca(OH)₂溶液中的钝化和破钝效应，并与Q235B低碳钢（Q235B）和304不锈钢（304SS）耐腐蚀性能进行对比分析。结果表明：与Q235B和304SS相比，CSL在模拟混凝土孔溶液中钝化效率更高，但钝化膜中Fe²⁺/Fe³⁺比值较低导致其耐蚀性较差，CSL的临界氯离子浓度（0.16~0.2 mol/L）远小于Q235B（0.3 mol/L）；氯离子的破钝效应主要影响试件表面的双电层结构，导致其有效电容增大，电荷转移电阻急剧下降；304SS的钝化膜为Fe和Cr的氧化物和羟基氧化物，具有更高的耐腐蚀性。

基于Archard模型的反应堆控制棒驱动机构隔热套磨损分析研究

张英楠, 彭航, 杜华, 于天达, 余志伟, 陈西南, 吴昊, 张进强

2025, 46(1): 209-215. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0209

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摘要:
隔热套组件（简称隔热套）是核电厂反应堆控制棒驱动机构的主要部件之一，由于下端部受到喷射流体冲击，法兰与耐压壳发生接触磨损，导致承载能力和抗冲击能力下降，影响控制棒落棒功能。本文基于Archard模型，提出结构磨损特征时间和隔热套磨损微分方程，将结构磨损与运行工况参数及材料物性参数解耦，建立了适用于隔热套的静力学磨损分析模型，得到了沉降高度随结构磨损特征时间变化规律。计算结果表明，对于华龙一号机组驱动机构，其隔热套结构安全运行寿命最长时的倾角为22.6°。通过给出剩余运行寿命与沉降高度对照曲线，为核电厂运行单位提供了隔热套更换评价方法与磨损缺陷处理方案。

冲击载荷作用下高能管道塑性大变形的最大挠度预测方法

顾睿杰, 董成武, 何建, 孙晓丹, 姚迪

2025, 46(1): 216-224. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0216

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摘要:
高能管道在冲击载荷的作用下，结构会发生大挠度变形。为了预测高能管道的最大变形挠度，本文基于膜力因子法（MFM）推导了适用于该结构的膜力因子，建立了相较于传统方法更便捷的跨中挠度计算方法，并与数值模拟结果和试验结果进行了对比，验证了其准确性。研究结果表明：MFM对管道结构挠度预测有较高的准确度；跨中挠度的大小由变量因子控制，跨中挠度随着冲击荷载与管道长度的增加而增加，随着塑性极限弯矩的增加而减小。由于MFM未考虑截面塌陷所耗散的能量，所以对于椭圆化程度较高的管道，挠度预测结果与实际情况相比偏大，但是由于管道内部高能流体的支承，管道的塌陷效应不明显，因此该方法可用于对高能管道大挠度变形进行预测。针对塌陷程度较高的管道，结合塌陷模型对MFM预测结果进行了修正，大大提高了预测方法的准确性。

考虑流阻-过滤-承载性能的下管座结构优化研究

张博, 袁攀, 肖忠, 光宏昊, 柴振鸿, 段鑫, 辛勇, 朱发文, 孙坤, 李宝童

2025, 46(1): 225-231. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0225

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摘要:
为实现燃料组件下管座的冷却剂压降、异物过滤和结构承载等多种性能的综合提升，本研究提出了一种多目标优化方法。该方法以冷却剂压降和异物过滤效率为目标，优化下管座的关键尺寸参数，并以六边形下管座为例开展了尺寸优化研究。结果表明，采用该方法下管座的冷却剂压降和异物过滤的优化幅度分别达到12.5%和6.3%，并且优化后的最大应力同步降低14.0%，性能提升效果显著。本研究建立的多目标优化方法具有通用性，能够适用于其他类型下管座的结构优化以提升其综合性能。

主泵电机振动故障分析与验证

王万金, 阴自阳, 覃甫军, 苏晓东, 马文波

2025, 46(1): 232-237. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0232

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摘要:
主泵电机振动超标问题严重影响了主泵的运行安全。为确保主泵运行安全，采用根本原因分析方法，通过故障树梳理出主泵电机振动的可能原因，并依次进行分析和查找，从而确定了主泵电机振动的故障机理，并采用电磁振动耦合有限元分析进行仿真计算，最终通过调整定子铁芯位置、关键环节控制等方式，彻底解决了主泵电机振动超标问题。维修后主泵电机经过2年连续运行，始终满足运行技术要求，为今后处理同类型设备的振动问题提供了参考。

基于MOPSO算法的自感式棒位探测器端部补偿多目标优化设计

张艺璇, 唐健凯, 罗凌雁, 吴昊, 唐源, 王益明, 徐奇伟

2025, 46(1): 238-246. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0238

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摘要:
自感式棒位探测器利用探测线圈电感随驱动杆位移的变化特性实现连续棒位测量，但实际探测线圈端部磁场的非均匀分布致使探测器端部的输出信号表现为非线性，降低了端部位置的测量精度。为此，本文提出一种在探测线圈两端绕制阶梯型补偿线圈的多目标优化设计方法：①建立端部补偿线圈电感数学模型；②采用多目标粒子群优化（MOPSO）算法对补偿线圈结构进行多目标优化；③利用熵权法和模糊综合评价法对多个优化目标客观赋权并进行综合评价，选取一组折中最优设计方案，从而快速有效地确定补偿线圈的最优结构参数。通过有限元仿真对比补偿前后结果，发现经过端部补偿后，不仅电感灵敏度提高了28.6%，最大线性拟合误差也降低了45.8%；最后，进行样机实验，结果显示端部补偿后的探测线圈电感灵敏度为0.18 mH/10 mm，最大线性拟合误差小于0.18 mH，可实现10 mm的测量精度，验证了端部补偿线圈多目标优化设计方案的有效性。本文为其在模块化小型反应堆中的应用提供了优化设计理论基础。

水下运输系统RBF神经网络终端滑模控制

袁占航, 马渝翔, 李运华

2025, 46(1): 247-253. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0247

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摘要:
水下运输系统在运输载荷时会受到水的不确定非线性和其他外部扰动影响。针对水下运输系统的运行控制问题，以核电厂燃料组件的水下运输系统为对象，设计了基于径向基函数（RBF）神经网络的非奇异终端滑模控制方法。首先，根据牛顿第二定律和Morison方程建立了系统的运动微分方程并推导其状态空间方程；其次，设计非奇异终端滑模控制器，并用RBF神经网络对未知非线性作用进行估计并在控制器中补偿，由Lyapunov稳定性理论推导了网络权值的自适应更新律；通过Lyapunov稳定性理论证明了所提控制策略可以实现对未知非线性估计的渐进收敛和对给定指令跟踪的有限时间收敛；分别对带载上行和空载下行两种工况进行仿真验证，仿真结果表明了所设计的控制器性能良好。

核电厂周边气云爆炸影响范围研究

李辉, 熊敏, 王建华, 丁子昂

2025, 46(1): 254-258. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0254

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摘要:
在核电厂周边各类事故危害因素中，爆炸冲击波超压后果比较严重。核安全导则中采用Trinitrotoluene（TNT）当量法评估爆炸冲击波超压，缺少气云爆炸相关计算模型。本文通过对TNT当量法、The Netherlands Organization for Applied Scientific Research（TNO）模型、Baker-Strehlow-Tang（BST）模型进行分析，评估了3类模型的适用性。结果表明，TNT当量法计算结果偏保守，而BST模型可以较为准确地评估核电厂周边天然气管线爆炸冲击波超压影响范围，根据BST模型计算结果，3条典型管线发生意外爆炸产生的冲击波超压对核电厂影响很小。

核电厂PSA中共因失效的影响向量评估方法研究

陈妍, 郑洁, 李朝君, 韩治

2025, 46(1): 259-264. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0259

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摘要:
共因失效分析是核电厂概率安全分析（PSA）的重要组成部分，共因失效事件的影响向量评估是共因失效分析的基础。由于目前尚未清晰建立适用于任意系统规模的共因失效事件影响向量的定量计算数学方法，因此，本文对影响向量的定义及分类开展研究，系统地给出不完全共因失效事件影响向量评估的数学表达式，以及不同规模间共因失效影响向量映射计算方法，进一步提出任意规模系统总的共因失效影响向量评估流程，以具有4个冗余部件的系统为实例，计算该系统共因失效总的影响向量。考虑了目标系统内影响向量和外部系统映射到目标系统的影响向量，实例中目标系统共因失效下总的影响向量为（3.03，23.26，11.40，3.72，3.07）。该方法能够实现任意系统规模下共因失效的影响向量的计算，可为共因参数估计模型提供输入数据。

基于CEEMDAN-PCA-AC-CNN模型的离心泵故障识别技术

李曈希, 刘志龙, 罗骞, 曾真, 王钦超, 聂常华

2025, 46(1): 265-272. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0265

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摘要:
为确保离心泵的长期健康稳定运行，对其进行在线监测与故障识别显得尤为重要。本文提出了一种基于自适应噪声的集合经验模态分解（CEEMDAN）-主成分分析（PCA）-自相关（AC）-卷积神经网络（CNN）的设备故障识别模型。首先将采集到的振动信号进行CEEMDAN，对得到的内涵模态函数（IMF）分量进行判别，剔除噪声分量，重构第一轮去噪信号。再通过PCA对一轮去噪的信号进行二次降噪处理。然后将经历2次降噪处理后的信号进行AC处理，送入CNN作为输入数据，对模型进行训练。通过对某离心泵故障进行实验验证，结果表明：本文提出的方法相较于传统双层降噪结合CNN的算法、CEEMD-小波降噪-AC-CNN等算法具有更好的抗干扰性能与更快的模型收敛速度，具有更高的识别准确率与更好的鲁棒性，在同等量级下，识别准确率高达97.9%。

控制棒驱动机构运行特性测试装置研制

何晋宇, 赵洋, 邓锐, 汪凡雨, 张乃心

2025, 46(1): 273-278. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0273

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摘要:
为解决反应堆中控制棒驱动机构（CRDM）原有测试方法自动化程度低、测试设备功能单一等问题，以提高测试效率，本研究基于传统测试方法，以现场可编程门阵列（FPGA）为核心，结合上位机软件，设计并研究了一套针对CRDM运行特性的自动化测试装置。与传统测试设备相比，该装置不仅能通过测试用例有效控制各项测试参数并实时采集数据，还能经过软件处理后生成详细的测试报告，为后续分析提供可靠的数据支持。测试和仿真实验证明，该测试装置能够满足CRDM运行特性的测试需求，可为CRDM测试的自动化提供一种新的解决方案，对于提升测试效率有实际意义。

基于OpenFOAM的激光去污产生气溶胶及其喷淋去除特性研究

王岩松, 梁辉, 侯宇轩, 陈宇奇, 孙中宁

2025, 46(1): 279-288. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0279

摘要(12) HTML (6) PDF(2)

摘要:
在核设施维修及退役过程中，可利用激光去污技术对安全壳内高放射性污染的构件表面进行清洗，但过程中会产生大量亚微米级放射性气溶胶颗粒。为防止放射性物质扩散至环境中，可采用安全壳喷淋系统对其进行去除。为研究激光去污产生气溶胶的物化特性以及气溶胶的喷淋去除效果，本研究进行激光去污实验以获取气溶胶生成速率、数量浓度和颗粒直径分布等数据；基于欧拉-拉格朗日方法，在OpenFOAM中开发了能够同时模拟气溶胶生成和气溶胶喷淋去除的数值模拟模型，对封闭空间内气溶胶的生成、迁移扩散以及喷淋去除特性进行了模拟和分析。模拟结果表明：喷淋区域内的气溶胶可以直接与喷淋液滴相互作用而被去除；非喷淋区域的气溶胶会随气流运动被夹带进入喷淋区域再被去除；气溶胶颗粒直径越大，喷淋去除效率也越高。本研究建立的数值模拟预测方法能够为未来优化封闭空间内激光去污及气溶胶喷淋去除技术提供模型基础和技术参考。

核热驱动有机朗肯循环透平自润滑静压止推轴承静态特性研究

杜秋晚, 刘铭, 闫晓, 张曌, 张诚, 刘文兴, 袁德文

2025, 46(1): 289-296. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0289

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摘要:
微型反应堆搭配有机朗肯循环的技术路线是实现特殊场景多能供给的有效方案。在有机朗肯循环透平发电机组中使用有机工质自润滑气浮轴承可取消庞杂的油站系统，是提高系统紧凑性的有效措施。为探究有机工质自润滑气浮轴承的静态特性，本研究针对静压止推轴承，讨论了供气压力、供气温度和转速对轴承承载力和耗气量的影响规律，并进一步探究了节流形式、轴向间隙和润滑介质的影响。结果表明，不同工况下，气膜压力分布规律基本保持一致，沿径向从节流区域向出口处逐渐降低。在高供气压力、高进口温度和低转速下，轴承承载力均可保持在较高水平。在保证进气面积相同时，相比于小孔节流轴承，狭缝节流轴承的承载力较高而耗气量较小。随轴向间隙增大，气膜压力显著降低，承载力减小而耗气量增大。润滑介质对轴承的静态特性有一定影响，大部分工况下，R134a润滑介质轴承静态特性最优，环戊烷润滑介质轴承次之，R245fa润滑介质轴承最差。本研究结果可为有机工质自润滑气浮轴承的设计优化提供参考。

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2025年第46卷第1期

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