《Nuclear Engineering and Design》：Computational modeling of graphite degradation in molten salt reactors: Role of infiltration
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熔盐反应堆石墨结构受盐渗透影响研究。通过有限元和稀有事件模拟分析热应力分布，发现常规工况下应力较低，但几何放大或局部热点会加剧风险。热应力主要由盐渗透引起，且低于石墨抗拉强度。研究提出耦合热力学的建模方法，为石墨组件设计提供评估工具。
Veerappan Prithivirajan | Benjamin Spencer | Joseph Bass | Somayajulu L.N. Dhulipala | Daniel Schwen | Mustafa K. Jaradat
美国爱达荷州爱达荷福尔斯市的爱达荷国家实验室
摘要
熔盐反应堆（MSRs）通常使用石墨作为减速剂和反射剂。在这些反应堆中应用石墨的一个重要挑战是，由于实验数据有限，我们对石墨在熔盐环境中的结构完整性的理解仍然不完整。本研究探讨了携带燃料的熔盐渗透到石墨开放孔隙中产生的热量，这种热量主要由压力差驱动。这是熔盐可能降解石墨的多种物理和化学机制之一。通过以熔盐反应堆实验（MSRE）中的石墨减速剂元件为案例研究，量化了热驱动应力。有限元模拟预测了不同渗透水平下的应力分布，表明应力随着渗透量的增加而增大。使用并行子集模拟框架进行的罕见事件模拟确定了导致应力超过指定阈值的输入参数组合及其相应范围。特别是，高渗透量、高功率密度和低热导率的组合往往会引起最高的应力。在本研究考虑的输入和假设下，热驱动应力的幅度相当低，由于超过石墨的抗拉强度而导致故障的可能性非常小。此外，还对另外两种情况进行了罕见事件模拟：一种是放大后的减速剂几何形状，另一种是原始几何形状中的局部热点。这两种情况都增加了故障的敏感性，但程度并不严重。此外，还评估了辐照和渗透引起的热应力的综合效应。结果表明，渗透引起的热应力与辐照引起的应力相比可以忽略不计。此类研究的发现具有组件特定性，但这里提出的方法可用于评估其他石墨组件中的盐渗透效应。
引言
熔盐反应堆（MSRs）是一类第四代核反应堆，使用液态盐（通常由氟化物或氯化物盐组成）作为冷却剂（国际原子能机构，2023年；Serp等人，2014年；LeBlanc，2010年）。核燃料可以溶解在盐中，也可以包含在固体颗粒（例如卵石）中（Serp等人，2014年；LeBlanc，2010年）。与轻水反应堆（LWRs）相比，MSRs具有多种优势，包括能够在更高的温度下运行（约700℃），这提高了发电效率，并为工艺热应用提供了更多机会（国际原子能机构，2023年）。此外，MSRs在接近大气压的条件下运行，无需大型且昂贵的压力容器和包容结构，从而降低了重大冷却剂泄漏的风险并提高了反应堆的安全性（Holcomb等人，2013年；Elsheikh，2013年）。在液态燃料MSRs中，燃料已经是熔融状态，因此无需进行固体燃料的制造和组装。MSRs的另一个关键优势是它们能够在线加燃料，使得反应堆在引入新燃料时仍可继续运行。而LWRs则需要停机进行加燃料（Feng和Lee，2024年）。这些特点——减少的燃料制造要求和连续运行——提高了MSRs的运行效率和经济可行性，使其成为未来核能应用的一个有前景的选择。
长期以来，石墨一直被用作许多核反应堆中的减速剂和核心材料，因为它结合了高效的中子减速作用（表现为高中子散射和低中子吸收）以及良好的热性能，包括高热导率、低热膨胀和良好的抗热震性，同时还易于制成复杂的堆芯块（国际原子能机构，2006年；Wen Zhou等人，2017年；Marsden等人，2017年）。这些特性使石墨成为几种反应堆设计的首选材料，并使其成为许多先进第四代反应堆概念（包括MSRs）的首选（Marsden等人，2017年；Prithivirajan，2024年；国际原子能机构，2025年）。然而，由于实验数据和运行经验有限，我们对石墨在熔盐环境中的行为仍不完全了解。
最近的一份综述报告调查了核石墨在MSRs中的潜在降解机制，并对其对结构完整性的影响进行了初步评估（Prithivirajan，2024年）。该报告将这些机制分为物理因素和化学因素。在物理机制中，盐渗透到石墨孔隙中被认为是一个需要进一步研究的潜在重要问题。携带燃料的熔盐进入可能导致局部体积加热，从而可能引起内部应力并损害结构完整性。循环固体颗粒（例如灰尘或燃料卵石）与石墨表面之间的相互作用引起的侵蚀和磨损也被认为可能是重要的。这些相互作用可能导致材料损失和形成应力集中器，增加结构故障的风险。该综述还总结了多种化学降解机制，包括氟化、插层、腐蚀和氧化。据报道，氟化不会造成结构损伤，而插层可能导致剥落。在杂质存在的情况下，腐蚀和氧化与质量损失和机械降解有关。综述指出，关于氟化物盐介导的氧化的数据不足，强调了进行有针对性实验研究的必要性。对熔盐反应堆实验（MSRE）中的CGB级石墨进行辐照后分析表明，其与熔融氟化物盐具有良好的化学相容性。报告进一步指出，化学侵蚀的程度在很大程度上取决于盐渗透到石墨微观结构中的能力。鉴于迄今为止关于石墨在熔盐环境中发生显著化学降解的证据有限，本研究重点评估盐渗透的影响。虽然磨损相关效应被认为是一个重要的考虑因素（Prithivirajan，2025a），但它们超出了本文的范围。
在反应堆相关条件下进行广泛的实验是评估盐渗透程度和后果的一种方法。然而，由于这种测试所需的时间、成本和复杂性，数值建模和模拟提供了一个更实用和可扩展的替代方案。在MSRs的背景下，石墨的性能与堆芯安全和长期结构完整性密切相关，因此越来越需要能够提供渗透行为及其影响洞察的预测工具。开发可靠的模拟能力对于支持未来MSR设计中石墨组件的安全高效设计至关重要。这是本工作的核心重点。
本研究基于建模，评估了由于携带燃料的熔盐渗透引起的内部热生成在石墨组件中产生的应力分布。模拟使用了基于MOOSE（多物理场面向对象模拟环境）框架的代码（Harbour等人，2025年），采用耦合的热力学-机械模型来捕捉不同渗透条件下的石墨中的应力、应变和温度分布。一些模拟使用了Grizzly代码（Spencer等人，2021年），该代码基于MOOSE框架，提供了包括石墨在内的各种核反应堆结构材料的行为模型，并考虑了辐照和其他环境影响（Bajpai等人，2024年）。进行了参数研究，以评估关键输入参数对应力响应的影响。结果提供了关于MSRs中石墨结构性能的见解，并有助于开发能够支持未来反应堆设计评估的预测工具。本文的结构如下：第2节描述了建模框架和模拟设置，包括材料属性和边界条件。第3节展示了模拟结果，强调了渗透程度、材料属性和几何缩放对应力分布的影响。它还包括罕见事件和热点分析。第4节讨论了这些发现的意义，第5节总结了本研究的主要结论。
模型框架
本研究主要使用多物理场方法研究了由于熔盐渗透引起的内部热源所产生的应力。采用耦合的热力学-机械模型在有限元框架内计算位移、温度场、应变和应力。使用结合了传导和对流的稳态热传递模型来确定温度场。然后将这些温度分布应用于求解
模拟结果
在本节中，我们展示了石墨减速剂元件的不同模拟案例以及相应的结果和分析。
讨论
这项建模工作的目的是量化熔盐渗透对MSR设计中石墨结构完整性的影响。不同级别的石墨在渗透敏感性方面有所不同，超细和微细石墨级别的石墨最不易受影响（Prithivirajan，2024年）。辐照会导致孔隙收缩，从而影响渗透量。由于缺乏关于渗透程度的数据，我们采用了逆向方法进行评估
结论
由于其有利的结构和中子特性，核石墨正在被考虑用于许多熔盐反应堆（MSR）的设计中。然而，其在熔盐环境中的长期性能尚不清楚，特别是由于潜在的降解机制。其中一个机制是由于熔盐渗透到石墨组件中引起的内部热生成，这可能会损害其结构完整性。在这项研究中，通过有限元建模
CRediT作者贡献声明
Veerappan Prithivirajan：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、方法论、调查、正式分析、概念化。Benjamin Spencer：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、监督、软件、方法论、概念化。Joseph Bass：撰写——审阅与编辑、监督、资源、方法论。Somayajulu L.N. Dhulipala：撰写——审阅与编辑、软件、方法论。Daniel Schwen：撰写——审阅与编辑、软件
写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明
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利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
该项目由美国核管理委员会（U.S. Nuclear Regulatory Commission）根据任务订单编号31310022F0034资助。作者衷心感谢以下人士在讨论、提出有价值的问题和提供宝贵反馈方面所做出的积极贡献：来自美国核管理委员会（NRC）的Raj Iyengar博士和Matthew Gordon博士，以及来自爱达荷国家实验室（INL）的William Windes博士。本手稿由
