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主编：马余刚

ISSN:0253-3219

CN:31-1342/TL

主管单位：中国科学院

主办单位：中国科学院上海应用
物理研究所；中国核学会

出版周期：月刊

 

 

 

 

 

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基于断裂力学的GH3535合金蠕变裂纹扩展模拟和寿命评估

在第四代先进反应堆钍基熔盐堆（Thorium Molten Salt Reactor，TMSR）中，高温含缺陷构件的寿命预测是结构完整性评估的重要环节。在该研究中，首先基于随时间变化的蠕变断裂力学，采用有限元分析（Finite Element Analysis，FEA）软件的围线积分方法计算蠕变断裂参量C*，结合Python语言编写的自动化分析程序，预测了GH3535合金紧凑拉伸试样C（T）的蠕变裂纹扩展（Creep Crack Propagation，CCP）。将FEA数值计算结果和蠕变裂纹扩展试验的结果进行对比验证，分析了数值模拟计算中的不确定性来源。然后按照规范，建立了GH3535合金的时间相关失效评定图（Time-dependent Failure Assessment Diagram，TDFAD），并从FEA计算结果提取并计算裂纹扩展过程中的应力强度因子K和参考应力σref，最后对缺陷试样进行了寿命评估。在蠕变裂纹扩展数值模拟中，蠕变断裂参量C*仅能描述裂纹扩展阶段，而裂纹萌生阶段采用试验数据拟合的裂纹萌生时间进行描述。高温含缺陷结构的寿命跟缺陷的尺寸、载荷、裂纹扩展速率等因素相关，通过数值模拟方法可获取这些因素的影响。该研究结果解释了GH3535合金的蠕变裂纹行为，为TMSR高温含缺陷结构的寿命预测提供了工程指导。

> 第二十二届全国反应堆结构力学会议 专题

王雯, 王晓艳, 李志军

基于断裂力学的GH3535合金蠕变裂纹扩展模拟和寿命评估
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Volume 49 期 7，2026 2026年第49卷第7期

  • 中国核学会研究堆与新堆分会第二届学术年会优秀论文 专刊

    吴浩, 桂南, 杨星团, 屠基元, 姜胜耀

    DOI：10.3724/j.0253-3219.2026.hjs.49.250435
    摘要：高温气冷堆是先进的第四代核能系统，其球床中以辐射为主导的传热特性对堆芯热工行为具有关键影响。本文从微观颗粒间辐射交换机制出发，构建了无需均匀性假设的解耦辐射模型，并基于连续介质思想建立微观辐射角系数与宏观连续动力学之间的映射关系，形成适用于工程尺度的球床辐射连续动力学模型。该模型能够合理描述堆内复杂的辐射作用，解决了离散颗粒体系向连续介质模型过渡的跨尺度理论衔接问题。研究结果表明：对于黑体颗粒体系，模型预测的辐射交换因子约为1.03，与经验模型一致；对于灰体颗粒，若采用均匀有效辐射假设则难以反映发射率影响，预测结果明显偏离实验。模型进一步揭示，球床堆内的辐射交换主要集中在约2.5倍球径范围内。与大型球床实验的对比表明，该模型能够准确预测温度分布，具有良好的可靠性和工程适用性。本研究为理解堆芯辐射传热机理及开展热工设计与安全分析提供了新的理论工具。  
    关键词：高温气冷堆;球床;热辐射;传热;连续动力学   
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    更新时间：2026-07-29

    郭凯伦, 孙奇士, 唐松胜, 张嘉睿, 张智鹏, 张泽秦, 黑梓豪, 田智星, 王成龙, 田文喜

    DOI：10.3724/j.0253-3219.2026.hjs.49.260064
    摘要：高温热管作为高效、非能动的相变传热装置，在核反应堆堆芯冷却、航天器热管理与先进能源系统中具有不可替代的作用。其传热性能的核心制约因素之一在于吸液芯的毛细驱动与液相输运能力。传统吸液芯结构在毛细力与渗透率之间存在固有的竞争关系，限制了高温热管在极端热流密度与复杂工况下的性能。近年来，纳米结构改性技术为突破这一瓶颈提供了新途径。本文系统梳理了纳米结构吸液芯高温热管的研究进展，涵盖从微观结构制备与表征、碱金属蒸发传热机理、宏观热管传热性能实验、到跨尺度数值模拟的全链条研究。研究表明，通过氧化还原、溶胶凝胶等方法在吸液芯表面构建的纳米级结构，可同步显著提升毛细压力与渗透率，有效降低蒸发弯液面热阻，从而将热管的启动速度、等温性和传热极限提升10%~40%。分子动力学与格子玻尔兹曼模拟揭示了表面润湿性对液钠蒸发动力学和流动铺展行为的关键影响，并获得了接触角随温度与压力的实验关联式。基于计算流体动力学的多尺度数值模型被开发用于预测热管瞬态响应与极限行为，验证了纳米结构的强化传热机制。基于对纳米结构吸液芯高温热管在弯曲、运动及热失配等复杂工况下的适应性实验研究总结，展望了未来在液态金属流动传热机理、不凝气体影响、强瞬变冲击响应、高精度程序开发及数据驱动预测等方向的研究挑战与发展趋势。本文从纳米结构吸液芯的制备与表征出发，系统梳理了高温液钠界面润湿与蒸发机理，并结合作者团队近年来在高温可视化实验和多尺度数值模拟方面的一系列研究成果，建立起由微观机理到整管性能的完整认识框架，为高温钠热管在核能与空间电源等领域的工程应用提供参考。  
    关键词：高温热管;纳米结构吸液芯;碱金属蒸发;传热极限;数值模拟   
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    更新时间：2026-07-29

    邢孟军, 李健, 解衡, 石磊

    DOI：10.3724/j.0253-3219.2026.hjs.49.250464
    摘要：高通量堆因其高中子通量及多样化的实验功能，在设计、建造与运行等方面提出了更为严苛的要求。针对现行法规标准体系在系统性与适用性方面的局限，本研究通过文献分析、国内外法规标准对比及典型案例剖析等方法，系统梳理了现行法规标准体系，并识别了其在高通量堆领域的适用性差距。在此基础上，提出一个层级清晰、核心要素完备的框架结构。该框架覆盖了高通量堆的全生命周期，并着重纳入了高功率密度堆芯安全管理、高可靠性放射性核素包容、多功能辐照试验安全审查等关键环节。本框架旨在为后续高通量堆具体技术标准的制定或修订提供参考，进而提升监管效能与设施安全水平，为高通量堆的安全、可持续发展及核技术创新提供坚实的法规保障。  
    关键词：高通量堆;法规标准体系;多级联动框架;分级分类监管   
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    更新时间：2026-07-29

    邓榆峰, 张璜, 刘瑞洋, 吕蒙, 银华强, 李健, 解衡, 石磊

    DOI：10.3724/j.0253-3219.2026.hjs.49.250468
    摘要：高通量研究堆作为一种中子通量不低于1×1014 cm-2∙s-1的非动力堆，在科学研究、材料性能测试以及医疗、工业等领域放射性同位素生产方面具有重要应用。高通量堆多采用板状燃料元件，其堆芯功率密度高、冷却剂流动工况更加复杂，使得临界热流密度（Critical Heat Flux，CHF）的准确预测成为堆芯安全设计及运行的关键环节之一。传统CHF预测方法在应对复杂几何结构、非均匀热负荷等实际场景时，存在预测偏差较大、适用范围有限等问题。因此，为了提升板状燃料元件矩形窄缝流道CHF预测精度，本文提出一种将卡尔曼滤波与反向传播（Back Propagation，BP）神经网络相结合的机器学习模型。该模型以CHF查询表（Look-Up Table，LUT）数据库为基础，通过扩展卡尔曼滤波（Extended Kalman Filter，EKF）对CHF-LUT数据进行动态修正与融合，采用BP神经网络进行训练，以实现对矩形窄缝流道CHF值的高精度预测。为验证模型有效性，本文将预测结果与直接使用CHF-LUT预测以及Sudo公式预测结果进行对比分析。结果表明，EKF-ML模型显著提升了基于CHF-LUT的矩形窄缝流道CHF预测精度，相对误差均值达到0.78%，预测相对均方根误差（relative Root Mean Square Error，rRMSE）在给定工况下降至12.48%。该研究为窄缝流道的CHF值预测提供一种新的思路和方法。  
    关键词：矩形窄缝流道;临界热流密度;机器学习;扩展卡尔曼滤波;CHF查询表   
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    更新时间：2026-07-29
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