吳宏春，楊紅義，曹良志?，鄭友琦，劉宙宇，劉一哲，杜夏楠，王永平，楊 軍，張熙司

(1. 西安交通大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,西安710049;2. 中國(guó)原子能科學(xué)研究院,北京102413)

金屬冷卻快中子核反應(yīng)堆對(duì)于我國(guó)核能創(chuàng)新發(fā)展具有非常重要的戰(zhàn)略意義。一方面，金屬冷卻快堆容易實(shí)現(xiàn)小型化，在海、陸、空、天以及特種同位素生產(chǎn)等各個(gè)國(guó)防領(lǐng)域都具有強(qiáng)烈的需求，開(kāi)發(fā)一批創(chuàng)新型、多用途的小型核反應(yīng)堆型號(hào)已經(jīng)迫在眉睫；另一方面，我國(guó)已經(jīng)確立了“壓水堆-快堆-聚變堆”三步走的核能發(fā)展戰(zhàn)略，快堆在該戰(zhàn)略路線中發(fā)揮著承上啟下的關(guān)鍵作用，以鈉冷、鉛鉍或鉛冷為代表的金屬冷卻快堆是其中最主流的堆型。因此，金屬冷卻快堆的研發(fā)設(shè)計(jì)在軍民兩方面都是國(guó)家重大需求。

為了提高堆芯性能，與傳統(tǒng)的壓水堆相比，金屬冷卻快堆設(shè)計(jì)具有以下特征：1)燃料形式更加復(fù)雜，如采用MOX燃料、金屬燃料或氮化物燃料等；2)堆芯中子能譜更加復(fù)雜，傳統(tǒng)輕水冷卻堆以熱譜為主，液態(tài)金屬冷卻快堆一般設(shè)計(jì)為快中子譜，為了保證安全性，可能在局部會(huì)出現(xiàn)超熱譜；3)堆芯設(shè)計(jì)趨向于小型化，以提高核反應(yīng)堆的應(yīng)用靈活性。這些新的特征使得適用于傳統(tǒng)壓水堆設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的堆芯設(shè)計(jì)軟件和方法不再適用。盡管國(guó)內(nèi)外在金屬冷卻快堆軟件研發(fā)方面進(jìn)行了大量投入，但仍然有一系列問(wèn)題尚未得到很好的解決，嚴(yán)重制約了快堆技術(shù)的發(fā)展。

本文重點(diǎn)聚焦堆芯物理、熱工水力、系統(tǒng)分析及燃料性能等幾個(gè)核心關(guān)鍵軟件，通過(guò)總結(jié)國(guó)內(nèi)外在金屬冷卻快堆軟件研發(fā)方面的主要發(fā)展歷程與現(xiàn)狀，梳理關(guān)鍵核心技術(shù)，結(jié)合我國(guó)核能發(fā)展戰(zhàn)略，提出金屬冷卻快堆軟件研發(fā)的路線圖、具體方法與發(fā)展思路，為我國(guó)快堆軟件研發(fā)布局提供參考。

1 關(guān)鍵分析軟件的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 堆芯物理軟件

在堆芯物理軟件方面，國(guó)外針對(duì)液態(tài)金屬冷卻快堆開(kāi)發(fā)的軟件主要分為兩大類。一類是以美國(guó)MCNP[1]和法國(guó)TRIPOLI-4[2]為代表的蒙特卡羅程序，另一類是基于兩步法的確定論程序。蒙特卡羅程序從點(diǎn)截面出發(fā)，能夠精確處理快堆中復(fù)雜的共振現(xiàn)象，同時(shí)還可以對(duì)快堆全堆芯進(jìn)行精細(xì)建模。但是蒙特卡羅程序計(jì)算需要大量的計(jì)算資源，且在計(jì)算小反應(yīng)性時(shí)，統(tǒng)計(jì)偏差會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大影響。所以，目前經(jīng)過(guò)工程檢驗(yàn)并被應(yīng)用于快堆工程設(shè)計(jì)的程序均是確定論程序，如美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Argonne National Laboratory，ANL)開(kāi)發(fā)的MC2-3/REBUS-3程序系統(tǒng)[3-4]。其中，MC2-3為該系統(tǒng)的確定論組件計(jì)算程序，采用超細(xì)群共振處理方法處理復(fù)雜的共振問(wèn)題；REBUS-3是快堆燃料循環(huán)分析程序，其堆芯中子學(xué)求解器包括基于擴(kuò)散理論的DIF3D程序和基于輸運(yùn)理論的VARIANT程序。歐洲目前使用最廣泛的是法國(guó)原子能和替代能源委員會(huì)(Alternative Energies and Atomic Energy Commission，CEA)開(kāi)發(fā)的ERANOS(European reactor analysis optimized calculation system)程序系統(tǒng)[5]，其組件程序ECCO基于碰撞概率法和子群共振計(jì)算方法。堆芯中子學(xué)計(jì)算求解器包括一個(gè)擴(kuò)散求解器和BISTRO、VARIANT兩個(gè)輸運(yùn)求解器，可以提供堆芯的各項(xiàng)中子學(xué)計(jì)算結(jié)果，包括堆芯的反應(yīng)性、各項(xiàng)反應(yīng)率、功率圖、反應(yīng)性系數(shù)(多普勒、鈉空泡)、敏感性系數(shù)、反應(yīng)性損失和易裂變?nèi)剂系难b載等。研究人員利用ERANOS已經(jīng)針對(duì)法國(guó)鳳凰堆和超鳳凰堆的設(shè)計(jì)和分析開(kāi)展了大量的工作。俄羅斯快堆物理計(jì)算程序采用CONSYST/ABBN系統(tǒng)[6-7]，組件程序CONSYST基于專用的ABBN數(shù)據(jù)庫(kù)為堆芯產(chǎn)生26群少群截面，堆芯計(jì)算包括基于中子擴(kuò)散的TRIGEX程序和基于中子輸運(yùn)的MMKENO。該程序系統(tǒng)已用于BN-600、BN-800等鈉冷快堆堆芯的設(shè)計(jì)和研究。近年來(lái)，為了拓展快堆分析程序的適用范圍，世界各核能強(qiáng)國(guó)也在積極發(fā)展新一代的快堆物理計(jì)算程序，如美國(guó)開(kāi)發(fā)了新一代的輸運(yùn)計(jì)算程序PROTEUS[8]，全面替代了原有用于堆芯計(jì)算的DIF3D和VARIANT程序。法國(guó)開(kāi)發(fā)了新的APOLLO-3計(jì)算程序系統(tǒng)[9]，對(duì)ERANOS程序進(jìn)行了整體升級(jí)，包括開(kāi)發(fā)全新的精細(xì)幾何堆芯輸運(yùn)求解器和新的反應(yīng)性評(píng)價(jià)方法。

我國(guó)快堆物理程序的開(kāi)發(fā)起步較晚，中國(guó)原子能科學(xué)研究院在引進(jìn)國(guó)外相關(guān)計(jì)算模型和程序模塊的基礎(chǔ)上，進(jìn)行消化吸收再創(chuàng)新，開(kāi)發(fā)了自主化快堆堆芯物理分析程序系統(tǒng)NAS。該程序采用基于3維六邊形幾何下NDOM方法的擴(kuò)散求解器，可以完成快堆燃耗計(jì)算、反應(yīng)性計(jì)算、時(shí)空動(dòng)力學(xué)及燃料管理與優(yōu)化計(jì)算。但是，NAS系統(tǒng)配套的組件程序仍基于邦達(dá)連科(Bondarenko)方法[10]，適用范圍較窄，且堆芯擴(kuò)散方法在計(jì)算一些強(qiáng)非均勻的或能譜范圍跨度較大的新型快堆方案時(shí)計(jì)算精度不穩(wěn)定，與國(guó)外先進(jìn)水平相比尚有一定差距。西安交通大學(xué)在追蹤國(guó)外快堆物理分析方法發(fā)展的基礎(chǔ)上，自主開(kāi)發(fā)了快堆物理分析程序系統(tǒng)SARAX[11]，該程序基于快譜均勻化思想，采用先進(jìn)的基于連續(xù)點(diǎn)截面的超細(xì)群方法及3維中子輸運(yùn)節(jié)塊方法進(jìn)行快譜反應(yīng)堆物理計(jì)算，能夠精確處理快譜反應(yīng)堆中復(fù)雜的多核素共振效應(yīng)、能譜干涉效應(yīng)及中子通量分布的強(qiáng)各向異性。研究人員利用JOYO系列、ZPPR系列、BFS系列及鳳凰堆等液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)SARAX程序開(kāi)展了確認(rèn)研究工作[12-14]，并與中國(guó)原子能科學(xué)研究院合作開(kāi)展了中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆啟動(dòng)物理試驗(yàn)國(guó)際基準(zhǔn)題聯(lián)合項(xiàng)目的研究。研究結(jié)果表明，SARAX程序系統(tǒng)計(jì)算精度達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

1.2 熱工分析軟件

在堆芯熱工分析軟件中，子通道分析方法考慮了通道間流體的質(zhì)量交換和動(dòng)量交換，是堆芯熱工水力分析的一種相對(duì)精確的計(jì)算方法。國(guó)際上，針對(duì)液態(tài)金屬冷卻快堆堆芯已開(kāi)發(fā)了一系列的子通道分析程序，如COBRA-LM[15]、SUPERENERGY-2[16]、MATRA-LMR[17]、SABRE4[18]等。這些程序能在堆芯尺度下給出流體3維的溫度、速度、壓力分布，一定程度上滿足了堆芯熱工分析的需求，但仍具有明顯的局限性，主要表現(xiàn)為：1)無(wú)法模擬復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象，液態(tài)金屬冷卻快堆由于功率密度大、壽期長(zhǎng)的特點(diǎn)，容易實(shí)現(xiàn)小型化的設(shè)計(jì)，在更為緊湊的堆芯設(shè)計(jì)中，局部特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)造成的復(fù)雜流動(dòng)過(guò)程對(duì)堆芯整體性能將有重要影響，而子通道分析方法一般只能給出軸向和橫向的流速分布，無(wú)法獲得局部精細(xì)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)；2)計(jì)算模型仍不完善，如對(duì)繞絲、盒間流的模擬相對(duì)粗糙；3)缺乏實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，液態(tài)金屬多為低普朗特?cái)?shù)流體，導(dǎo)熱效應(yīng)十分顯著，無(wú)法根據(jù)相似原理采用常規(guī)的流體進(jìn)行模擬研究，同時(shí)，液態(tài)重金屬具有高溫、腐蝕性較強(qiáng)、不透明的特點(diǎn)，對(duì)開(kāi)展熱工水力實(shí)驗(yàn)造成了困難。盡管俄羅斯、美國(guó)以及歐盟在20世紀(jì)60～80年代對(duì)液態(tài)金屬開(kāi)展了大量流動(dòng)換熱實(shí)驗(yàn)[19-20]，但存在工質(zhì)單一(以NaK，Hg為主)、適應(yīng)范圍不明確、對(duì)象簡(jiǎn)單及可重復(fù)性差的缺陷。

我國(guó)高校及研究機(jī)構(gòu)對(duì)子通道分析軟件已有一定的開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)。西安交通大學(xué)開(kāi)發(fā)了ATHAS-LMR[21]、SACOS-PB[22]等程序。其中，ATHAS-LMR針對(duì)鈉冷快堆，采用阻力分布式模型考慮繞絲的影響；SACOS-PB程序針對(duì)鉛鉍冷卻快堆，能對(duì)六角形和矩形組件進(jìn)行子通道分析。中國(guó)原子能科學(xué)研究院開(kāi)發(fā)了鈉冷快堆堆芯自然循環(huán)冷卻組件子通道分析程序，具備自然循環(huán)冷卻組件的流量分配和盒間換熱計(jì)算的功能[23]。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)開(kāi)發(fā)了液態(tài)金屬子通道分析程序KMC-sub[24]，并開(kāi)展了一定的驗(yàn)證分析。上海交通大學(xué)基于商用子通道分析程序COBRA針對(duì)液態(tài)金屬堆芯進(jìn)行了再開(kāi)發(fā)[25]。然而，由于我國(guó)對(duì)液態(tài)金屬快堆的研究起步較晚，相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)十分匱乏，因此，程序中的輔助模型仍缺乏大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，特別是對(duì)棒束換熱關(guān)系式、棒束摩擦壓降關(guān)系式以及湍流交混關(guān)系式的選取和適用范圍仍需進(jìn)一步明確。同時(shí)，現(xiàn)有程序還面臨計(jì)算對(duì)象單一、無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算繞絲及盒間流等效應(yīng)的挑戰(zhàn)，且對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)日趨復(fù)雜的液態(tài)金屬冷卻快堆的熱工設(shè)計(jì)分析能力有限。

1.3 系統(tǒng)分析軟件

在系統(tǒng)分析軟件方面，早期國(guó)際上開(kāi)發(fā)不同的鈉冷快堆系統(tǒng)分析程序，也有基于成熟的水堆程序，通過(guò)添加鈉物性及換熱等功能模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)鈉冷快堆的分析模擬。隨著其他金屬冷卻快堆如鉛冷快堆、鉛鉍快堆等堆型的發(fā)展，通過(guò)對(duì)鈉冷快堆或水堆程序的改進(jìn)及功能擴(kuò)展，也可滿足不同金屬冷卻快堆設(shè)計(jì)分析的需求。

美國(guó)ANL開(kāi)發(fā)了鈉冷快堆系統(tǒng)分析程序SAS4A/SASSYS-1[26]；同時(shí)為進(jìn)一步準(zhǔn)確模擬大型反應(yīng)堆系統(tǒng)的多維流動(dòng)、熱分層等現(xiàn)象，ANL正在開(kāi)發(fā)金屬冷卻快堆系統(tǒng)分析程序SAM[27]。美國(guó)愛(ài)達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Idaho National Laboratory，INL)開(kāi)發(fā)的輕水堆設(shè)計(jì)分析程序RELAP，通過(guò)擴(kuò)展程序功能，近年來(lái)已多應(yīng)用于金屬冷卻快堆的模擬分析[28-31]。法國(guó)CEA開(kāi)發(fā)了鈉冷快堆系統(tǒng)分析程序OASIS，已用于鳳凰堆和超鳳凰堆的安全分析[32]。法國(guó)CEA、法國(guó)電力集團(tuán)(Electricite De France，EDF)和法瑪通公司基于聯(lián)合開(kāi)發(fā)的水堆程序CATHARE，通過(guò)增加金屬冷卻劑物性及換熱等模塊，目前已成為法國(guó)金屬冷卻快堆的主流分析程序[33]。此外，法國(guó)還開(kāi)發(fā)了用于鈉冷快堆的子通道程序TrioMC及3維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)程序TrioCFD，并實(shí)現(xiàn)了CATHARE與TrioMC和TrioCFD的耦合計(jì)算[34]。俄羅斯開(kāi)發(fā)的鈉冷快堆系統(tǒng)分析程序BURAN，已采用BOR-60、BN600和BN800的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了大量的校驗(yàn)與驗(yàn)證工作[35]。俄羅斯還開(kāi)發(fā)了可進(jìn)行單相流體3維計(jì)算的鈉冷快堆瞬態(tài)熱工流體力學(xué)計(jì)算程序GRIF[36]。德國(guó)GRS(Gesellschaft für Anlagen-und Reaktorsicherheit)開(kāi)發(fā)了水堆系統(tǒng)程序ATHLET，目前的版本已適用于包括鈉、鉛鉍和鉛等的金屬冷卻快堆系統(tǒng)分析，且可與德國(guó)亥姆霍茲德累斯頓羅森多夫研究中心(Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf，HZDR)開(kāi)發(fā)的3維中子動(dòng)力學(xué)程序DYN3D進(jìn)行耦合計(jì)算[37-38]。韓國(guó)原子能研究院(Korea Atomic Energy Research Institute，KAERI)開(kāi)發(fā)了最佳估算程序MARS。該程序通過(guò)改進(jìn)可用于鈉冷快堆系統(tǒng)分析，稱為MARS-LMR[39-42]。

我國(guó)金屬冷卻快堆系統(tǒng)分析程序的開(kāi)發(fā)情況與國(guó)外類似，鈉冷快堆系統(tǒng)程序的開(kāi)發(fā)工作與鉛冷快堆或鉛鉍快堆相比更廣泛。西安交通大學(xué)開(kāi)發(fā)的鈉冷快堆系統(tǒng)分析程序THACS，基于模塊化建模思想，建立了鈉冷快堆關(guān)鍵部件的熱工水力模型，可用于鈉冷快堆穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)分析[43]。華北電力大學(xué)開(kāi)發(fā)了池式鈉冷快堆系統(tǒng)分析軟件SAC-CFR，鈉池采用3維模型，采用EBR-II快堆余熱排放試驗(yàn)基準(zhǔn)題進(jìn)行了程序的初步驗(yàn)證[44]。中國(guó)原子能科學(xué)研究院自主開(kāi)發(fā)了鈉冷快堆系統(tǒng)瞬態(tài)分析程序FR-Sdaso和FASYS[45-47]，已進(jìn)行了階段性的程序檢驗(yàn)與驗(yàn)證工作，并且通過(guò)增加鉛鉍等物性和換熱模塊，對(duì)程序功能進(jìn)行擴(kuò)展，可初步用于鉛鉍等其他金屬冷卻快堆的設(shè)計(jì)分析[47]。

1.4 燃料性能分析軟件

在燃料性能分析方面，國(guó)外主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)或數(shù)值模擬手段，分析燃料在堆芯內(nèi)的行為及性能。過(guò)去幾十年，國(guó)內(nèi)外針對(duì)燃料性能分析開(kāi)展了大量的研究，并針對(duì)不同堆型開(kāi)發(fā)了多個(gè)燃料元件性能分析程序，如COMETHE[48]、LIFE[49]和IAMBUS[50]等。這些程序雖然模型比較簡(jiǎn)化，但奠定了燃料性能分析的基礎(chǔ)和主體框架。隨著壓水堆技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，各國(guó)針對(duì)壓水堆燃料展開(kāi)了大量研究，開(kāi)發(fā)了一系列新程序，如德國(guó)達(dá)姆施塔特科技大學(xué)(Hochschule Darmstadt University)的URANUS[51]、阿根廷原子能委員會(huì)的BACO[52]、日本原子能研究所的FEMAXI[53-54]、美國(guó)西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的FRAPCON[55]/FRAPTRAN[56]和美國(guó)電力研究協(xié)會(huì)的FALCON[57-59]。與壓水堆相比，快堆技術(shù)的發(fā)展相對(duì)滯后，對(duì)堆芯內(nèi)燃料行為的認(rèn)識(shí)依然不充分，特別是燃料和包殼在快堆更高的中子通量環(huán)境中的特性有待進(jìn)一步研究，所以快堆燃料性能分析程序的發(fā)展相對(duì)滯后。近年來(lái)隨著快堆技術(shù)的發(fā)展和核能可持續(xù)發(fā)展需求的提出，各國(guó)在壓水堆燃料性能分析軟件的基礎(chǔ)上逐步推進(jìn)快堆燃料性能分析方法的研究和程序的開(kāi)發(fā)，已開(kāi)發(fā)的程序有美國(guó)的TRANSURANUS[60]、日本的FEMAXI-FBR[61]及法國(guó)的GERMINAL[62-63]等。但這些程序均是基于1.5維或2維等簡(jiǎn)化模型，相關(guān)分析存在較大的保守性和局限性，無(wú)法針對(duì)新型的燃料形式進(jìn)行高精度的性能分析和失效機(jī)理分析。因此，美國(guó)INL針對(duì)新型燃料的設(shè)計(jì)分析開(kāi)發(fā)了基于有限元方法的多物理緊耦合燃料性能分析程序BISON[64]。

中國(guó)原子能科學(xué)研究院開(kāi)發(fā)了LIFEANLS程序[65]，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)開(kāi)發(fā)了KMC-fuel[66]程序。這些程序均針對(duì)工程應(yīng)用開(kāi)發(fā)，使用的理論模型和計(jì)算方法相對(duì)比較傳統(tǒng)。復(fù)旦大學(xué)、西安交通大學(xué)、上海交通大學(xué)及哈爾濱工程大學(xué)等高校針對(duì)燃料性能的機(jī)理模型開(kāi)展了大量的研究工作，并基于MOOSE[67]和COMSOL[68]多物理耦合平臺(tái)開(kāi)發(fā)了更先進(jìn)的燃料性能程序，但目前與國(guó)際先進(jìn)水平相比依然存在一定差距，在新型燃料性能分析的工程實(shí)用化方面依然需要開(kāi)展大量工作。

1.5 嚴(yán)重事故分析軟件

國(guó)外開(kāi)發(fā)鈉冷快堆嚴(yán)重事故分析軟件的國(guó)家，主要有美國(guó)、日本、法國(guó)、俄羅斯等。法國(guó)、美國(guó)、日本等已經(jīng)建立了液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆嚴(yán)重事故分析程序，相關(guān)信息如表1所列。

表1中SAS4A/SASSYS-1程序是美國(guó)ANL開(kāi)發(fā)的用于液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆功率和流動(dòng)瞬態(tài)的熱工、水力、中子學(xué)分析程序[70-72]。SAS4A程序包含瞬態(tài)熱工、水力、中子和機(jī)械現(xiàn)象的詳細(xì)模型，可以模擬反應(yīng)堆堆芯、冷卻劑、燃料元件和結(jié)構(gòu)材料對(duì)事故工況的響應(yīng)。SAS4A/SASSYS-1程序的堆芯通道模型用于模擬分析堆芯解體事故的初始階段，包括冷卻劑的加熱沸騰、燃料元件的失效以及燃料的熔化和遷移。SAS4A/SASSYS-1程序最初用于分析氧化物燃料，目前已經(jīng)擴(kuò)展到金屬燃料，并用于全面模擬反應(yīng)堆系統(tǒng)的瞬態(tài)行為及失流事故、超功率事故等嚴(yán)重事故的初始階段分析。SAS4A/SASYS-1程序的模型已利用TREAT、EBR-II、FFTF和CRBRP等反應(yīng)堆的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，并廣泛應(yīng)用于美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、日本和俄羅斯等國(guó)的快堆安全分析中。

表1 國(guó)外主要的嚴(yán)重事故分析程序[69]

SIMMER-III程序是一個(gè)耦合了時(shí)空中子動(dòng)力學(xué)模型的2維或3維速度場(chǎng)、包含多相多組件、采用歐拉方法的流體動(dòng)力學(xué)程序[73-75]。該程序最早由美國(guó)ANL開(kāi)發(fā)，后期在日本核能循環(huán)發(fā)展機(jī)構(gòu)(JNC)、法國(guó)CEA、德國(guó)卡爾斯魯厄研究中心(FZK)、英國(guó)原子能機(jī)構(gòu)(UKAA)及美國(guó)ANL共同參與下完成了SIMMER-III程序的開(kāi)發(fā)，應(yīng)用于完整的反應(yīng)堆計(jì)算和其他復(fù)雜的多相流動(dòng)問(wèn)題計(jì)算。盡管SIMMER-III程序是針對(duì)液態(tài)金屬冷卻快堆設(shè)計(jì)的，但它的適用性相當(dāng)強(qiáng)，可以靈活用于模擬具有不同冷卻劑和中子能譜的堆型，并已經(jīng)應(yīng)用于許多先進(jìn)反應(yīng)堆特別是鉛基反應(yīng)堆的安全評(píng)估問(wèn)題。日本JAEA已經(jīng)完成了SIMMER-IV程序的開(kāi)發(fā)[76-77]，與SIMMER-III程序相比，SIMMER-IV程序采用了3維的幾何建模和3維的時(shí)空中子動(dòng)力學(xué)模型。目前，日本JAEA和法國(guó)CEA正在SIMMER-IV程序的基礎(chǔ)上共同開(kāi)發(fā)SIMMER-V程序[78-79]，法國(guó)CEA通過(guò)改進(jìn)內(nèi)存管理和并行化設(shè)計(jì)，極大提高了程序的數(shù)值性能和穩(wěn)定性，熱工流體性能和堆芯解體的計(jì)算速度比原來(lái)提高了300倍。由于JAEA開(kāi)發(fā)了新的燃料元件解體模型，SIMMER-V程序可以計(jì)算嚴(yán)重事故的初始階段，并模擬法國(guó)ASTRID的革新化設(shè)計(jì)。

CONTAIN是美國(guó)NRC開(kāi)發(fā)的最佳估算程序，用于預(yù)測(cè)發(fā)生嚴(yán)重事故時(shí)反應(yīng)堆安全殼內(nèi)可能發(fā)生的物理工況和放射性工況。CONTAIN-LMR程序是CONTAIN程序的升級(jí)版本[80-81]，可用于液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆LMR的建模分析。CONTAIN-LMR程序集成了鈉-混凝土相互作用、碎片床現(xiàn)象和其他LMR的特定模型，如鈉火模型、鈉水模型、熔融碎片-混凝土相互作用、碎片床模型等。

MELCOR程序是一個(gè)完全集成的工程級(jí)計(jì)算機(jī)程序[82-83]，用于輕水反應(yīng)堆核電站的嚴(yán)重事故模擬分析。為了應(yīng)對(duì)出現(xiàn)的新堆型，2013年開(kāi)始開(kāi)發(fā)鈉冷快堆建模分析的能力。通過(guò)集成已開(kāi)發(fā)的模型到MELCOR程序中，實(shí)現(xiàn)鈉冷快堆的模擬分析[84-85]。如使用來(lái)自SAS4A程序的鈉物性和狀態(tài)方程替換水物性和狀態(tài)方程；使用來(lái)自CONTAIN-LMR的特定鈉模型，解決設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故；將鈉霧火和池火模型集成到MELCOR中。MELCOR程序中還添加了一個(gè)鈉化學(xué)(NAC)程序包，可處理所有鈉冷快堆安全分析中與鈉相關(guān)的化學(xué)模型。

俄羅斯發(fā)展的液態(tài)金屬反應(yīng)堆分析軟件自成體系，常見(jiàn)的嚴(yán)重事故分析軟件有GRIF-SM程序、COREMELT-3D程序和BRUT程序，這些程序可以完成從事故初因分析、到熔融物移動(dòng)到堆芯熔化收集的全過(guò)程分析。

GRIF-SM程序是俄羅斯國(guó)家科學(xué)中心物理動(dòng)力研究院研制的一個(gè)鈉池兩相流2維計(jì)算的程序，可用于分析導(dǎo)致冷卻劑沸騰的嚴(yán)重事故過(guò)程。由于該程序?qū)τ?jì)算對(duì)象的熱工流體特性的描述較詳細(xì)，故可以比較正確地模擬堆內(nèi)冷卻劑鈉密度的瞬態(tài)分布。此外，該程序還包含有中子動(dòng)力學(xué)模塊、反應(yīng)性反饋計(jì)算模塊、中間熱交換器計(jì)算模塊及專門(mén)針對(duì)組件間鈉的計(jì)算模塊。GRIF-SM可模擬的對(duì)象不限于堆芯，可擴(kuò)大至整個(gè)一回路。因此，可以用該程序分析計(jì)算多種反應(yīng)堆的一回路事故。

COREMELT-3D程序是俄羅斯開(kāi)發(fā)的鈉冷快堆嚴(yán)重事故分析程序，它基于COREMELT程序[86]和GRIF-SM程序開(kāi)發(fā)得到的，由2個(gè)主要模塊組成，可用于鈉冷快堆穩(wěn)定運(yùn)行、瞬態(tài)工況和嚴(yán)重事故工況的模擬分析，對(duì)鈉冷快堆的熱工水力和中子物理過(guò)程也可進(jìn)行計(jì)算。

BRUT程序是俄羅斯開(kāi)發(fā)的鈉冷快堆嚴(yán)重事故分析程序[87]，用于模擬嚴(yán)重事故下堆芯解體后熔融物熔穿下腔室掉落到堆芯熔化收集器上的過(guò)程。燃料組件熔化導(dǎo)致下部增殖區(qū)釋熱層的形成，在堆芯與底層結(jié)構(gòu)熔化時(shí)，形成的釋熱層會(huì)與下部增殖區(qū)發(fā)生作用。BRUT程序模擬了多連通域，在2維圓柱坐標(biāo)系中使用質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程，將子區(qū)域作為多孔體進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬，解決了下部增殖區(qū)形成釋熱層的問(wèn)題。同時(shí)該程序可對(duì)釋熱層區(qū)域進(jìn)行模擬，解決了液體中質(zhì)量變化的汽泡移動(dòng)問(wèn)題。

整體上講，與輕水堆相比，液態(tài)金屬反應(yīng)堆的嚴(yán)重事故分析體系還不健全，目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)的主要是機(jī)理性程序和專用程序，缺少適用于全事故進(jìn)程分析的一體化程序。

在嚴(yán)重事故領(lǐng)域，中國(guó)原子能科學(xué)研究院開(kāi)發(fā)了鈉冷快堆嚴(yán)重事故分析程序CODA[88]。該程序主要用于計(jì)算分析發(fā)生冷卻劑沸騰及堆芯熔化行為的堆芯嚴(yán)重事故，可用于堵流和無(wú)保護(hù)事故的分析。目前，CODA程序具備了鉛鉍物性包和金屬燃料物性包，可適用于不同燃料類型和不同液態(tài)金屬類型的反應(yīng)堆。此外，中國(guó)原子能科學(xué)研究院還以B-T(Bethe-Tait)理論為基礎(chǔ)對(duì)CODA程序進(jìn)行改進(jìn)，開(kāi)發(fā)了快堆假想堆芯解體事故分析程序HCDA[89],用于極端情況下的能量釋放評(píng)估，為主容器和安全殼評(píng)價(jià)提供輸入。

2 關(guān)鍵分析軟件的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

2.1 堆芯物理分析軟件

一方面，隨著對(duì)液態(tài)金屬冷卻快堆物理特性的理解不斷深入，研究人員不斷提出一些新概念設(shè)計(jì)。如裝載慢化材料的液態(tài)金屬冷卻快堆，能夠提高堆芯負(fù)反饋效應(yīng)，并有利于反應(yīng)堆的小型化、輕量化及低濃化。對(duì)于各種小型化的堆芯，在堆內(nèi)、外不再局限于常規(guī)的六角形柵格設(shè)計(jì)，而是轉(zhuǎn)向更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以達(dá)到控制反應(yīng)性的目的。

另一方面，隨著對(duì)設(shè)計(jì)計(jì)算模型不確定度的要求越來(lái)越高，液態(tài)金屬冷卻快堆的堆芯物理計(jì)算已經(jīng)全面改用基于中子輸運(yùn)理論的數(shù)值方法。近年來(lái)，隨著數(shù)值反應(yīng)堆概念被廣泛接受，高分辨率的細(xì)網(wǎng)堆芯計(jì)算需求日益顯著，對(duì)液態(tài)金屬冷卻快堆的物理計(jì)算方法提出了新的挑戰(zhàn)，如復(fù)雜堆芯的非結(jié)構(gòu)幾何建模能力、寬能譜和局部非均勻效應(yīng)下的堆用截面制作精度及與計(jì)算機(jī)性能提升相匹配的大規(guī)模并行輸運(yùn)計(jì)算能力等，都需要開(kāi)展進(jìn)一步的研究和提高。

2.2 熱工分析軟件

目前，反應(yīng)堆堆芯尺度詳細(xì)的熱工分析基本上由子通道程序完成。與并聯(lián)多通道相比，子通道程序考慮了通道間的流體攪混，能較準(zhǔn)確地計(jì)算流體的溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)及軸向、橫向的速度場(chǎng)，是相對(duì)準(zhǔn)確的熱工分析手段。然而，對(duì)于特種用途的小型化設(shè)計(jì)堆芯，局部流體特性等，如堆芯特殊結(jié)構(gòu)的定位裝置、堆芯入口處的流量分配、出口處的流體混合及組件堵流事故等，子通道程序顯然無(wú)法準(zhǔn)確模擬這些局部效應(yīng)。

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的不斷發(fā)展，利用計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)方法求解反應(yīng)堆內(nèi)復(fù)雜的流動(dòng)傳熱問(wèn)題變?yōu)榭赡?。由于CFD方法基于有限元網(wǎng)格，可對(duì)幾何模型進(jìn)行精確建模并求解相對(duì)精確的流體方程，可以獲得更為可信的結(jié)果。然而，受CFD程序計(jì)算量大、計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)的限制，CFD很難進(jìn)行全堆芯大規(guī)模分析，特別是在全堆芯核熱耦合瞬態(tài)事故分析中尚不具備工程實(shí)用性。

液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆由于功率密度高、壽期長(zhǎng)的特點(diǎn)，是海、陸、空、天各種應(yīng)用場(chǎng)景下的備用堆型，小型化、輕量化及可運(yùn)輸?shù)雀拍钍瞧渲饕O(shè)計(jì)方向之一，此時(shí)堆型內(nèi)的熱工水力現(xiàn)象更為復(fù)雜，并呈現(xiàn)多尺度的特點(diǎn)。因此，基于全局尺度(堆芯)的子通道程序與局部尺度(組件或某復(fù)雜結(jié)構(gòu))的CFD程序耦合分析的方法將發(fā)揮重要作用，它既可以幫助設(shè)計(jì)者掌握全局的流場(chǎng)規(guī)律，也可以精細(xì)計(jì)算所關(guān)心的區(qū)域，能在整體熱工參數(shù)計(jì)算和局部流體復(fù)雜攪混方面發(fā)揮至關(guān)重要的作用，有利于對(duì)堆芯各種工況下的安全特性做出更全面的評(píng)價(jià)分析。國(guó)外已開(kāi)發(fā)了一些液態(tài)金屬多尺度耦合的計(jì)算程序，如系統(tǒng)程序子通道/CFD耦合程序RELAP5_Star-CCM+、ATHLET_ANSYS-CFX[90]等。研究人員正積極探索堆芯的多尺度熱工分析方法，這是未來(lái)發(fā)展的一個(gè)方向。

2.3 系統(tǒng)分析軟件

系統(tǒng)分析程序需要兼顧計(jì)算的準(zhǔn)確性及計(jì)算速度。目前國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)的金屬冷卻快堆系統(tǒng)程序中，堆芯中子學(xué)計(jì)算多為點(diǎn)堆，堆芯熱工多為單通道或并聯(lián)多通道模型，熱工水力模擬多采用集總參數(shù)或1維模型，針對(duì)某些特殊現(xiàn)象，如堆芯出口溫度振蕩及堆芯出口上腔室熱分層，大多進(jìn)行保守考慮或采用依賴于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀５S著高性能計(jì)算機(jī)的發(fā)展、計(jì)算精細(xì)化的需求日益加大及不同型號(hào)的金屬冷卻快堆對(duì)建模靈活性的要求日益提高，金屬冷卻快堆系統(tǒng)分析程序的發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在精細(xì)化熱工水力模型的應(yīng)用、多尺度多物理程序的耦合應(yīng)用及模塊化的靈活建模方式上。

2.3.1精細(xì)化熱工水力模型的應(yīng)用

目前的系統(tǒng)分析程序中通常采用集總參數(shù)或1維熱工水力模型，盡管有效保證了計(jì)算速度，但對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模擬仍稍顯粗糙。因此，在系統(tǒng)分析程序中采用更精細(xì)化的熱工水力模型成為目前的研究方向之一，在模擬具備典型3維特征的結(jié)構(gòu)時(shí)，采用2維或3維模型可進(jìn)一步提高模擬的準(zhǔn)確性。

2.3.2多尺度多物理程序耦合應(yīng)用

隨著大型計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，CFD及3維中子動(dòng)力學(xué)方法已廣泛應(yīng)用于反應(yīng)堆設(shè)計(jì)分析中，但仍無(wú)法滿足全系統(tǒng)建模的需求。將系統(tǒng)分析程序與CFD及3維中子動(dòng)力學(xué)方法多尺度、多物理耦合，可在滿足計(jì)算速度的同時(shí)，針對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)或復(fù)雜現(xiàn)象進(jìn)行精細(xì)模擬，獲得更為準(zhǔn)確的模擬結(jié)果。

2.3.3模塊化的靈活建模方式

金屬冷卻快堆包含鈉冷快堆、鉛鉍快堆和鉛冷快堆等，不同堆型各有特點(diǎn)，且模塊化反應(yīng)堆也是近年來(lái)反應(yīng)堆發(fā)展的熱點(diǎn)及趨勢(shì)之一，相關(guān)的各種概念層出不窮。系統(tǒng)分析程序應(yīng)具備靈活的建模能力，以適應(yīng)不同反應(yīng)堆的建模分析需求。面向?qū)ο蟮哪K化建模方式，可根據(jù)反應(yīng)堆主熱傳輸系統(tǒng)特點(diǎn)，靈活搭建系統(tǒng)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)全系統(tǒng)的模擬分析，同時(shí)也利于管理接口，實(shí)現(xiàn)與更高維度或其他物理模型的耦合計(jì)算。

2.4 燃料性能分析軟件

壓水堆與快堆的燃料存在顯著的差別，為了提高鈾燃料的原子核密度，快堆可能采用金屬鈾或氮化鈾等燃料。福島核事故后，事故容錯(cuò)燃料受到了極大的重視，快堆燃料棒的外圍可能采用繞絲等結(jié)構(gòu)加強(qiáng)換熱，燃料在快堆中面臨的環(huán)境更加復(fù)雜，冷卻劑是液態(tài)金屬，堆芯的中子通量更高，燃料的腐蝕效應(yīng)和輻照效應(yīng)更加明顯，且新型反應(yīng)堆設(shè)計(jì)可能采用更加復(fù)雜的燃料形式，這些都為快堆的燃料性能分析提出了挑戰(zhàn)。針對(duì)這些挑戰(zhàn)，燃料性能分析程序的發(fā)展呈現(xiàn)以下趨勢(shì)：

1)隨著新型燃料的快速發(fā)展，新的燃料性能分析程序應(yīng)能適用于MOX燃料和事故容錯(cuò)燃料等各種新型燃料。

2)傳統(tǒng)燃料性能分析程序主要是宏觀尺度的分析，分子和原子尺度的材料變化均被簡(jiǎn)化為宏觀物性參數(shù)的變化，隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，基于多尺度的模擬成為重要的發(fā)展方向之一。

3)傳統(tǒng)的燃料性能分析主要針對(duì)工業(yè)應(yīng)用，多采用1維或者1.5維的幾何模型，存在較大的近似性。為了精確地模擬燃料缺陷及非對(duì)稱條件下燃料的性能變化，基于2維或3維的多維度燃料性能分析將成為主要的發(fā)展方向。

4)在實(shí)際的堆芯中，燃料處于極端復(fù)雜的多物理場(chǎng)環(huán)境中，這種極端環(huán)境對(duì)燃料性能改變影響極大，要精確地模擬燃料的真實(shí)性能變化，應(yīng)該開(kāi)展針對(duì)反應(yīng)堆全堆芯尺度的多物理耦合模擬，精確地考慮真實(shí)的多物理場(chǎng)對(duì)燃料性能的影響。

2.5 嚴(yán)重事故分析軟件

目前液態(tài)金屬反應(yīng)堆的嚴(yán)重事故分析程序開(kāi)發(fā)呈現(xiàn)以下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)：

1)精細(xì)化。在以SIMMER為代表的嚴(yán)重事故分析軟件的發(fā)展歷程中，從SIMMER-III的2維建模到SIMMER-IV的3維分析，再到更新后的SIMMER-V程序，建模越來(lái)越精細(xì)化，物理模型越來(lái)越細(xì)致，這一方面取決于數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，另一方面取決于對(duì)嚴(yán)重事故現(xiàn)象認(rèn)識(shí)的加深。

2)通用化。一方面是通過(guò)添加液態(tài)金屬反應(yīng)堆分析所必要的物性和特殊現(xiàn)象模型，將水堆的分析軟件應(yīng)用于液態(tài)金屬快堆的分析；另一方面是提升鈉冷快堆、鉛冷快堆和鉛鉍反應(yīng)堆分析軟件之間的通用化水平。

3)一體化。目前，液態(tài)金屬反應(yīng)堆在嚴(yán)重事故分析領(lǐng)域缺少一體化分析程序，主容器內(nèi)的嚴(yán)重事故進(jìn)程無(wú)法采用單一軟件進(jìn)行模擬，熱工水力分析過(guò)程也與源項(xiàng)分析過(guò)程解耦。發(fā)展趨勢(shì)是一方面通過(guò)對(duì)輕水堆的一體化分析程序進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，使得類似于MELCOR的輕水堆嚴(yán)重事故分析程序可以應(yīng)用于液態(tài)金屬反應(yīng)堆；另一方面盡可能多地?cái)U(kuò)展已有分析軟件的能力，使之可以適用于更多的進(jìn)程分析。

3 軟件研發(fā)建議

目前，我國(guó)已經(jīng)確立了“壓水堆-快堆-聚變堆”三步走的核能發(fā)展戰(zhàn)略。針對(duì)壓水堆設(shè)計(jì)分析軟件，國(guó)家和各核電集團(tuán)均投入了較大的人力物力，開(kāi)展了廣泛深入的自主化研發(fā)工作，取得了重要進(jìn)展，各集團(tuán)均不同程度地實(shí)現(xiàn)了核電設(shè)計(jì)軟件的自主化，部分軟件已經(jīng)進(jìn)入了國(guó)家核安全局的認(rèn)證階段，為我國(guó)自主品牌的核電技術(shù)，如“華龍一號(hào)”，走向海外發(fā)揮了重要的支撐作用。但是，在快堆方面，雖然各集團(tuán)都開(kāi)展了大量的概念設(shè)計(jì)研究，但針對(duì)快堆設(shè)計(jì)和安全分析的軟件研發(fā)，目前基本上還停留在基礎(chǔ)研究階段，尚未進(jìn)行完整的布局和頂層設(shè)計(jì)。各研究設(shè)計(jì)院在堆型研發(fā)的概念設(shè)計(jì)階段，基本上都采用了較為簡(jiǎn)化的模型和程序進(jìn)行計(jì)算，或借助國(guó)外軟件進(jìn)行初步分析，這對(duì)我國(guó)快堆技術(shù)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展非常不利。本文建議，結(jié)合我國(guó)快堆發(fā)展規(guī)劃，在“十四五”期間布局與快堆型號(hào)研發(fā)相匹配的軟件研發(fā)專項(xiàng)，整合國(guó)內(nèi)高校、研究院、核電集團(tuán)在快堆設(shè)計(jì)、數(shù)值計(jì)算方法、軟件開(kāi)發(fā)等方面的研究團(tuán)隊(duì)，形成快堆軟件研發(fā)國(guó)家隊(duì)，按照“統(tǒng)一布局、分工協(xié)作、研用結(jié)合、持續(xù)改進(jìn)”的思路，穩(wěn)步推進(jìn)我國(guó)快堆軟件研發(fā)工作，力爭(zhēng)通過(guò)10年左右的集智攻關(guān)，將我國(guó)快堆軟件推向國(guó)際領(lǐng)先水平。

3.1 堆芯物理軟件

針對(duì)液態(tài)金屬冷卻快堆物理計(jì)算中面臨的的挑戰(zhàn)，堆芯物理計(jì)算軟件的研發(fā)需要重點(diǎn)關(guān)注以下4個(gè)方面：

1)針對(duì)反應(yīng)堆在軸向與徑向上存在的復(fù)雜幾何區(qū)域，可以開(kāi)展局部非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與全局結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相耦合的堆芯輸運(yùn)方程求解算法研究，通過(guò)對(duì)復(fù)雜幾何區(qū)域進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格顯式建模，對(duì)堆芯其他區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化的節(jié)塊網(wǎng)格進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)全堆各個(gè)精細(xì)區(qū)域通量分布的一次性求解。由于只在局部采用顯式建模，這種算法在一定程度上可以保證計(jì)算效率不降低。

2)由于快堆中的光子釋熱占比可達(dá)10%以上，在進(jìn)行堆芯功率分布計(jì)算時(shí)，需要同時(shí)考慮中子與光子對(duì)熱量產(chǎn)生的貢獻(xiàn)，因此，有必要開(kāi)展快堆中子-光子耦合輸運(yùn)計(jì)算方法的研究，并在耦合網(wǎng)格的基礎(chǔ)上，獲得各個(gè)網(wǎng)格內(nèi)中子及光子的通量分布，實(shí)現(xiàn)中子及光子釋熱的準(zhǔn)確計(jì)算，以此獲得準(zhǔn)確的堆芯3維功率分布。

3)針對(duì)新型反應(yīng)堆設(shè)計(jì)中存在的寬能譜特點(diǎn)及局部強(qiáng)非均勻效應(yīng)，需要開(kāi)展新的共振計(jì)算方法研究，一方面消除傳統(tǒng)快堆少群截面計(jì)算時(shí)窄共振近似引入的誤差，另一方面實(shí)現(xiàn)組件的精確建模與計(jì)算，以處理對(duì)結(jié)構(gòu)敏感的局部非均勻效應(yīng)。

4)針對(duì)輸運(yùn)方程中空間、角度、能量等變量的離散求解特點(diǎn)，研究非結(jié)構(gòu)幾何下高效的并行算法及策略，解決目前并行算法存在的掃描策略難以確定(流水線并行算法)或迭代格式退化(Block-Jacobi并行算法)等問(wèn)題；同時(shí)，充分調(diào)度計(jì)算機(jī)硬件資源，實(shí)現(xiàn)分布式內(nèi)存并行策略與共享式內(nèi)存并行策略的融合及CPU+GPU的異構(gòu)并行，最終提升輸運(yùn)計(jì)算的計(jì)算效率。

3.2 熱工分析軟件

對(duì)堆芯熱工分析軟件開(kāi)發(fā)的建議為：

1)液態(tài)金屬冷卻快堆堆芯燃料棒軸向、徑向及周向均可能具有較大的溫度梯度，應(yīng)采用3維燃料棒導(dǎo)熱模型。

2)在典型液態(tài)金屬快堆中，通常使用六邊形閉式燃料組件，在組件盒之間存在盒間流。盒間流流道狹長(zhǎng)、流徑復(fù)雜，其流動(dòng)與換熱特性需要單獨(dú)考慮，特別是在瞬態(tài)事故分析中，不可將其作為絕熱邊界，應(yīng)考慮其對(duì)組件間換熱的影響。

3)液態(tài)金屬快堆程序開(kāi)發(fā)需考慮特定的應(yīng)用背景，如在海洋、天空等場(chǎng)景下，應(yīng)對(duì)動(dòng)量守恒方程和邊界條件等進(jìn)行修正，從而開(kāi)發(fā)適用于堆芯運(yùn)動(dòng)條件下的分析程序。

4)液態(tài)金屬為低普朗特?cái)?shù)流體，導(dǎo)熱占重要作用，常規(guī)流體的換熱模型不再適用；同時(shí)，不同液態(tài)金屬間的換熱模型并不完全相同，如堿金屬和鉛鉍合金具有一定差異，需根據(jù)具體設(shè)計(jì)特性選擇正確的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。

5)積極開(kāi)展程序驗(yàn)證工作，在目前國(guó)際上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)仍十分匱乏的情況下(鉛鉍冷卻劑下格架或繞絲固定棒束實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較少)，可采用CFD數(shù)值模擬方法對(duì)換熱關(guān)系式及湍流模型進(jìn)行一定程度的驗(yàn)證。

6)安全分析中堵流事故多局限于單盒組件入口堵流，應(yīng)更多開(kāi)展對(duì)中間堵流及多組件堵流的分析。

7)對(duì)存在局部復(fù)雜流動(dòng)的堆芯設(shè)計(jì)，為兼顧計(jì)算能力和效率，可考慮采用多尺度耦合分析方法，如子通道和CFD耦合方法，增強(qiáng)軟件系統(tǒng)的實(shí)用性。

3.3 系統(tǒng)分析軟件

在系統(tǒng)分析軟件方面，應(yīng)在完善系統(tǒng)分析程序本身功能的同時(shí)，考慮構(gòu)建多尺度多物理程序耦合系統(tǒng)，通過(guò)整合軟件工程、計(jì)算科學(xué)和多物理耦合分析模型，建立完備的系統(tǒng)分析程序體系，以適應(yīng)新一代核能系統(tǒng)研發(fā)的需求。

3.4 燃料性能分析軟件

針對(duì)快堆燃料元件的材料和結(jié)構(gòu)特征，建立一套包括導(dǎo)熱、機(jī)械力學(xué)、材料物性、裂變氣體釋放及燃耗效應(yīng)的完整物理模型。由于燃料元件的幾何可能是棒狀或其他形狀，可能存在類似繞絲的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，所以物理模型應(yīng)具備幾何維度無(wú)關(guān)性；針對(duì)建立的物理模型建立基于有限元方法的數(shù)值求解模型，實(shí)現(xiàn)燃料元件內(nèi)各個(gè)物理場(chǎng)的求解，且各個(gè)物理場(chǎng)的求解均具有處理復(fù)雜幾何燃料的能力；建立多物理場(chǎng)的反饋模型和耦合算法，實(shí)現(xiàn)多物理場(chǎng)高效、穩(wěn)定的耦合求解，獲得燃料性能分析關(guān)注的與安全相關(guān)的物理場(chǎng)數(shù)值結(jié)果；在燃料性能分析程序研制的同時(shí)，廣泛調(diào)研各個(gè)局部物理場(chǎng)的機(jī)理模型和燃料元件的堆內(nèi)輻照實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立程序驗(yàn)證和確認(rèn)的矩陣，針對(duì)燃料性能程序開(kāi)展從局部物理模型到程序整體集成功能的完整驗(yàn)證。

3.5 嚴(yán)重事故分析軟件

在嚴(yán)重事故分析軟件方面，建議開(kāi)發(fā)更加細(xì)化的機(jī)理分析程序，確保對(duì)嚴(yán)重事故進(jìn)程全覆蓋，特別是對(duì)熔融物從堆芯遷移到熔化收集器的瞬態(tài)過(guò)程及長(zhǎng)期冷卻換熱行為的模擬；同時(shí)，要實(shí)現(xiàn)不同物理現(xiàn)象的進(jìn)一步耦合，特別是放射性物質(zhì)遷移、熱工水力、結(jié)構(gòu)力學(xué)和中子物理間的耦合，最終實(shí)現(xiàn)嚴(yán)重事故的一體化分析。

4 結(jié)論

本文在廣泛調(diào)研和分析國(guó)內(nèi)外金屬冷卻快堆關(guān)鍵分析軟件研發(fā)歷史與現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)快堆發(fā)展規(guī)劃和相關(guān)研究基礎(chǔ)，重點(diǎn)針對(duì)堆芯物理、熱工、系統(tǒng)、燃料和嚴(yán)重事故等幾類關(guān)鍵分析軟件，從技術(shù)層面上梳理了目前軟件研發(fā)中存在的問(wèn)題、急需解決的關(guān)鍵技術(shù)及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，并對(duì)未來(lái)相關(guān)軟件研發(fā)的具體思路和方法提出了思考，供我國(guó)相關(guān)部門(mén)決策參考。