培养学生反应堆物理、热工水力学的基本分析方法，运用先修课程流体力学、传热学、工程热力学和反应堆物理中学到的基本概念、基本公式和基本结论，以微型热管堆为主要分析对象，达到既了解反应堆稳态工况下的工作情况、控制原理，以及在瞬态工况下的变化特点和事故应对策略，又能训练和培养独立分析问题的技能和能力。通过介绍与堆物理有关的核物理知识，中子在介质中的慢化和扩散、临界理论、非均匀堆的计算、燃耗、反应性控制、反应堆动力学和堆芯燃料管理，掌握中子产生、演化发展的整个过程让学生掌握反应堆物理的基础理论、物理过程和分析计算方法。
热管冷却反应堆的设计理念最早于20世纪60年代提出，迅速受到核科学家的关注。围绕热管冷却反应堆的技术研发，以美国为例，开展了碱金属高温热管、耐高温核材料、耐高温燃料、热电转换等关键技术研究，获得了诸多技术突破与研究成果。与传统商用压水堆相比，小型热管反应堆具有结构简单、无需强冷却、独立安全、易于模块化与易扩展、运行特性简单等显著优点。
在国内，西安交通大学开展了对热管反应堆的数值计算研究，涉及热管启动过程的动态特性、整体方案论证等工作。中国科学技术大学开展了锂热管反应堆的堆芯物理研究。上海交通大学则对一款5 MWth的热管反应堆设计方案开展了堆芯物理计算。清华大学利用RMC软件结合商用软件ANASYS对热管反应堆的核-热-力耦合进行了研究。
国外热管反应堆研究重心主要放在千瓦级的空间应用领域，而国内的大部分研究仍处于起步阶段，开展热管反应堆的数值模拟研究。
热管堆建造成本较高，且存在强放射性、高运行温度、热管破裂后高温液态碱金属起火等技术限制，从而直接限制了学生在校内实验室直接进行实验操作的可能。但热管堆作为固体微型堆设计方案中重要的组成部分，其控制系统较为特别，传热输热方式也与传统液体介质反应堆存在较大区别，因此作为一种特殊的微型堆设计，通过使用虚拟仿真技术使学生感受该种反应堆操作的独特性，同时通过虚拟仿真程序的反馈，进一步加深学生对于《核反应堆物理》及《核反应堆热工水力学》中关于中子输运、反应堆临界、控制棒价值、反应性反馈机制、固体导热、热应力、有限元分析等关键知识点的理解与掌握。
本项虚拟仿真实验建设完成后，将成为国内唯一面向微型固体热管堆的虚拟仿真实验系统，兼具了针对反应堆物理、传热学、热工水力学、有限元分析、材料力学等多学科教学功能，可用于小型热管堆装配（含燃料棒、热管、中子反射层、中子吸收层、热屏蔽层等关键核心部件的组装）、小型热管堆临界、启动、升功率、功率调节等。同时又具备了针对该类型先进反应堆的二次开发及科研功能，能够实现对核电厂虚拟仿真实验系统更加充分的使用。
此外，通过将观察不同材料堆芯铸块对反应性影响，可定量计算铸块温度反应性反馈系数。同时通过对反馈机理研究，帮助学生了解合金材料对裂变中子慢化、吸收能谱的影响，加深对于中子输运过程中中子经济性、中子寿命等关键概念的理解。
本项目所仿真小型热管堆通过控制反射层开度以控制泄漏率，从而控制堆芯反应性，以代替传统控制棒结构，从而是整个堆芯系统在轴向上更加紧凑。因此反射层厚度及选材对于控制范围，控制速度均有明显影响。因此，本虚拟仿真实验将考察不同反射层材料及反射层厚度对反应性定量影响，该影响可用来解释中子散射截面、反射层节省、中子平均自由程等关键概念。
该系统的先进性还表现在：该实验系统支持PC、VR、云渲染、移动端等多终端，实验过程中各终端数据互通，可以实现多人同时在线参与同一个实验，保障不同地点的用户能够稳定、低延迟地接入平台，促进协作与交流，分享不同的见解和经验，极大地拓展了实验的覆盖范围和参与度和学习的互动性。利用先进的三维建模和渲染技术，高度逼真地还原核反应堆物理实验场景和设备，提供极其真实的视觉和触觉体验，使实验者能更直观准确地理解和操作。支持实时的人机交互和多人互动，实验者可以及时对虚拟环境中的各种元素进行操控和反馈，与其他参与者进行高效交流，共同探索和解决问题。系统可以处理大量的实验数据和复杂的计算任务，快速响应实验者的操作需求，保证平台的流畅运行和高效计算能力。
（1）实验原理(限1000字以内)
我们初步选择双端热管堆型，如下图所示，该设计借鉴了美国Los Alamos国家实验室研发的兆瓦级热管堆研究结果。
双端热管具有改善性能极限的能力，因为它在反应堆系统中引入了两个相互对应的冷凝器配置（在单个加热区域的两侧均有冷却区域）。双对冲冷凝器配置允许给定长度的热管在粘性、声速、毛细管和夹带限制方面比简单的蒸发器-冷凝器布置更高效地运行。
热管堆型的主要部件包括：
· 堆芯（Monolith Core）：固定热管和核燃料并实现热交换
· 反射层（Reflector）：中子反射层
· 堆芯本体铸块（Monolith Core）
· 绝热层（Heat Insulator）
· 衰变热交换器（Decay Heat Exchanger）：安全机制，预防热管失效
· 主热交换器（Primary Heat Exchanger）：为二回路提供热源
· 钾热管（Potassium Heat Pipe）：一回路热源
固态堆芯上钻有圆孔，用于安装核燃料和热管，并实现辐射热从核燃料到热管的传输。有以下两种核燃料安装方案可供参考：
方案一：将圆柱状的核燃料丸直接堆砌在堆芯的圆孔中（如左图所示）。然后加注氦气并封装起来，以防止裂变气体泄露。
方案二：购买现成的轻水堆燃料棒（即锆金属包壳管，内含圆柱状核燃料丸），直接插入到固态堆芯的圆孔中。
按方案一操作，只适合一次性使用。为了延长一次性堆芯的使用周期，只能使用高浓度核燃料，而不是现成的轻水堆燃料棒产品。
方案二则显然适合于换料操作，操作方式与现在的轻水堆换料类似，所以可以使用现成的轻水堆燃料棒产品以降低燃料成本，并延长堆芯的使用周期以提高经济效益。
完成热管堆主要部件标识，及其主要功能描述，包括热管，燃料棒，高温合金铸块，缓冲层，控制鼓，反射层，屏蔽层，保温层等主要部件。
完成二回路功能性模块标识及主要功能描述，高温燃气透平发电，超临界二氧化碳透平，海水淡化，高温裂解天然气制氢，化工工艺热等功能性模块。
小型热管堆组装建设流程，包括热管安装、反射层安装、控制鼓安装、燃料棒安装、中子屏蔽层安装、热屏蔽层安装等关键步骤。
典型事故仿真及处理，如单控制鼓卡轴，多控制鼓卡轴，对称，非对称卡轴；燃料棒破解，气态放射性裂变产物探测警报，旁流通道至吸附滤芯或储存罐；热管破裂，碱性气体探测警报，旁流通道至吸附滤芯或储存罐。
知识点：共 10 个
1. 小型热管堆装配流程
2．燃料装配、升功率过程
3. 热管装配，输热过程
4. 反射层厚度、尺寸、材料对堆芯反应性影响
5．吸收层厚度、选材对反应性影响
6. 热屏蔽层材料选择标准
7. 热管热功率与温差相关性
8. 热管运行情况对堆芯反应性影响
9. 堆芯铸块温度反应性反馈评估
10. 控制鼓反应性价值标定
（2）核心要素仿真设计（对系统或对象的仿真模型体现的客观结构、功能及其运动规律的实验场景进行如实描述，限500字以内）
小型紧凑型热管反应堆主要由燃料棒，热管，高温合金铸块，可移动式反射层，高效中子吸收层，绝热层，控制鼓，控制面板，二回路模块化单元等主要部件构成。其中热管及燃料棒由于具有一定的内部结构，因此讲选取一根进行剖面展示。燃料棒剖面将展示燃料芯块，气腔，压紧弹簧，上下端塞等主要部件。热管将动态演示碱金属气液相变过程 。高温合金铸块将以色块形式实时展示由有限元分析程序计算获得的温度及热应力分布。
热管堆堆芯纵向剖面模型
堆芯外反射层由四块独立90°半圆环组成，半圆环反射层可沿轨道进行平滑移动，从而实现对堆芯反射层反照率的连续调节。
中子吸收层材料将使用非富集碳化硼、吸收层厚度用户可调，以判断堆芯边缘处中子吸收材料吸收特性及吸收效果。
绝热层材料考虑使用硅基气溶胶、高分子聚合材料或三氧化二铝等低热导率材料，材料可由用户自由选型，阻热性能可实现针对不同材料的稳态瞬态实时仿真。
超临界二氧化碳发电单元
海水净化单元模型图
二回路换热单元包括气体介质透平发电装置、海水净化单元、高温裂解天然气制氢单元、化工工艺热热源等。
提前一周开始就要求学生认真做好实验预习。实验预习报告的内容必须包括实验原理、实验内容、实验项目相关参数计算、参数测试表格。
实验过程教学是核电厂虚拟仿真实验教学的重要组成部分。指导教师将在软件运行，参数输入，参数设定，系统调试，数据读取，数据记录存档等步骤上对学生进行考察与适当辅导，学生的实验过程表现对其课程成绩评定有较大作用。
实验报告是学生对每次实验的小结。要求学生认真做好实验报告，提出对预习报告的修改部分、提供正确的实验结果、进行实验结果分析、讨论理论概念的理解与体会。
为保证教学质量，实验教学项目团队全体成员定期举行每周一次每次1小时的研讨。讨论选择不与实验内容重复的教学演示范例、实验查错辅导方法、实验验收方法等问题。
虚拟仿真实验课程共分两周时间完成，分别完成：（1）软件操作使用及主要功能介绍，并完成基准堆芯结构临界及升功率至额定功率操作；（2）完成临界热态工况下，堆芯铸块材料、堆芯铸块温度、中子反射层材料、中子反射层厚度（包括开合角度）、中子吸收层材料、中子吸收层厚度等因素反应性反馈系数计算以及10%、30%、50%热管破损失效事故后温度及热应力分布情况评估。学生操作步骤如下：
（1）课前预习，撰写实验预习报告；
（2）打开电脑，双击虚拟仿真软件图符，进入仿真软件界面；
（3）选择需要仿真的热管堆尺寸规格；
（4）设定热管堆主要工况数据，包括功率，运行温度，反射层开合状态，二回路模块种类等；
（5）运行稳态工况，查阅输入参数匹配情况；
（6）确认稳态后，开始设定不同建模参数，如堆芯铸块材料、反射层材料、反射层厚度、吸收层材料；
（7）堆芯临界后，考察堆芯内主要构件在不同扰动下的反应性反馈，并获得不同扰动所带来的反应性反馈系数，保存输出数据文件并将计算所得到的反应性反馈系数及其计算过程写入实验报告（第一周内容）；
（8）对输出文件中的仿真数据进行整理，获取实验报告所需的参数及数据，并通过教师验收；
（10）学生撰写实验报告，教师批阅实验报告，给出实验成绩。
学生的实验报告应该给出实验结果与结论。通过核电厂系统的仿真分析，比照自己操作仿真实验软件获得的结果基准实验测试结果。如测量结果与仿真计算结果误差较大，则分析讨论原因。
为保证对学生实验成绩评价的公正性以及可操作性，虚拟仿真实验教学项目团队制定统一的实验评分标准。成绩评定主要依据为预习、功能实现、操作规范、实验报告、实验完成情况等五个方面。
（1）得分：预习20%，功能实现40%，操作规范10%，实验报告30%。
（2）完成情况：准时完成100%×得分，一周后完成75%×得分。
（1）学生交互性操作步骤，共 步
步骤序号 | 步骤目标要求 | 步骤合理用时（分钟） | 目标达成度赋分模型 | 步骤满分 | 成绩类型 |
1 | 合金铸块材料及尺寸选择及设定 | 10 | 材料选择（2分） 尺寸设定（3分） | 5 | 操作成绩 实验报告 |
2 | 热管装配 | 10 | 装配5根，每根1分可以改为装配5根，每正常装配1根得1分。学生可以多次装配，发现多次操作得分逐渐上升可以取最高分，发现多次操作得分逐渐下降可以取最低分 | 5 | |
3 | 燃料棒装配 | 10 | 装配5根，每根1分，每正常装配1根得1分。学生可以多次装配，发现多次操作得分逐渐上升可以取最高分，发现多次操作得分逐渐下降可以取最低分 | 5 | |
4 | 反射层、吸收层、隔热层装配 | 5 | 每个部件装配1分；反射层分为两个半圆环单元进行装配，每完成一个单元装配计一分，共2分；中子吸收层为一体式圆环形部件，完成装配后可得1分；由于本项目所研究小型紧凑式热管堆为热管双出结构，因此堆芯上下两侧均有隔热层设置，由于隔热层需设置于反射层之外，因此安装隔热层时需注意安装方向，正确安装一侧隔热层得1分，共2分 | 5 | |
5 | 二回路单元选择及装配 | 10 | 二回路单元共包括透平发电、海水淡化、工艺热等三种不同单元，完成其中两种单元安装，并依据所显示运行参数计算单元的热利用效率，每种单元5分，共2种10分 | 10 | |
6 | 控制反射层开合面积，实现堆芯临界 | 20 | 使用线性外推法，将反射层开合角度与堆芯反应性相关性数据进行记录，从而通过该数据线性外推，判断堆芯能达到临界时的反射层开合情况，并与实际临界运行情况进行比对，分析出现偏差的原因；完成临界操作赋分10分，对偏差进行分析步骤赋分10分。 | 20 | |
7 | 热管堆升功率 | 10 | 热管堆升功率至其额定功率，升功率步骤为、10%、30%、50%、70%、100%额定功率，每步升功率步骤赋分2分，共5步10分。 | 10 | |
8 | 考察发射层对反应性影响 | 10 | 分别考察对称/非对称开合对反应性影响；考察将反射层对称开合30°、60°、90°时，堆芯反应性，并绘制关系曲线，该步骤赋分10分，全部完成得10分，单一步骤错误或数据不准确扣5分；考察将反射层对称开合30°、60°、90°时，堆芯反应性，并绘制关系曲线，该步骤赋分10分，全部完成得10分，单一步骤错误或数据不准确扣5分。 | 20 | |
9 | 不同铸块材料对反应性影响 | 20 | 考察不锈钢、钨钼合金等铸块材料对同样规模反应堆影响，对比不同材料对反应性影响并通过成分比对进行定量分析，单一材料影响分析赋分5分，两种材料共10分 | 10 | |
10 | 不同反射层材料对反应性影响 | 20 | 考察三氧化二铝、氢化锆、钨等反射层材料，对比不同材料对反应性影响并通过成分比对进行定量分析，单一材料影响分析赋分5分，两种材料共10分 | 10 |
（2）交互性步骤详细说明
1) 合金铸块材料及尺寸选择及设定 – 使用特定尺寸热管及燃料棒进行小型热管堆铸块基本结构建模，选定合适铸块尺寸已保证完成燃料及热管装填后堆芯可以达到临界，临界后堆芯功率为0，Keff达到1.0；
2) 热管装配 – 学生应能够按照铸块上开孔尺寸判断是否为热管安装孔，安装热管前应首先向其中加入石墨粉作为缓冲层材料，正确安装热管并装填入缓冲层石墨粉后，热管露出铸块长度不超过50cm，且转动铸块热管不会出现松动情况；
3) 燃料棒装配 - 按照铸块上开孔尺寸判断是否为燃料棒安装孔，安装燃料棒前应首先向其中加入石墨粉作为缓冲层材料，燃料棒长度为1.0m，应确保完全插入合金铸块；
4) 反射层、吸收层、隔热层装配 – 应首先于堆芯最外侧安装吸收层，保证堆芯始终处于次临界状态，保证启动过程绝对安全。然后在堆芯上部安装绝热层，以保护二回路中主要设备，同时提高热管换热效率。最后装配反射层，且应以最大开度方式进行装配，以保证堆芯始终处于次临界状态。
5) 二回路单元选择及装配 – 二回路功能单元主要包括高温气体透平、高温裂解制氢、海水淡化、工艺热等几个模块，通过堆芯及热管所交换出的能量，实时计算透平发电功率、高温裂解制氢量、海水淡化量、工艺热输出量等工艺参数，以评估各项功能生产能力；
6) 控制反射层开合面积，实现堆芯临界 – 通过控制四片反射层板开合面积，确定开合面积，开合反射层板板数目对于反应堆反应性影响，并获得开合角度及堆芯反应性关系，定量获得开合角度反应性反馈系数，该系数有软件开发者预先使用科研软件计算获得并于虚拟仿真软件使用者在实验过程中所获得结果进行比对，应保持一致，如保持一致则实验操作准确，如不一致，应做相应理论分析；
7) 热管堆升功率 – 通过将反射层板开合面积进行调整，使反应堆缓慢升功率至25、50、75、100%额定功率，额定功率水平为3MWth。堆芯在每一功率平台水平需至少稳定3分钟以上，才可以进行下一功率平台升功率操作。升功率完成后应保证堆芯功率水平达到额定功率（偏差不大于5%），且堆芯径向功率峰因子不高于理论计算值（1.45），堆芯最高温度不超过燃料棒包壳、堆芯高温合金铸块的工作极限（1200K）；
8) 考察发射层对反应性影响 – 分别将1-4块反射层板打开5、10、15、20°以确定不同位置，不同数量反射层板打开特定角度后堆芯反应性变化。应完成单片反射层不同开合角度、两片反射层对称开合、两片反射层非对称开合三种不同情况下，打开不同角度时堆芯反应性反馈，并将其定量整理成开合角度反应性反馈系数。并与基准系数进行比对，如偏差不超过5%，则认为操作正确，如超过5%，需对结果进行解释。基准系数值由虚拟仿真系统开发者使用蒙卡中子输运计算软件Serpent定量计算获得；
9) 不同铸块材料对反应性影响 – 在保持堆芯结合结构及燃料成分不变的情况下，考察评估使用钨钼合金、316L不锈钢等铸块材料时堆芯反应性，从而确定不同材料对堆芯中子经济性影响，作为铸块选型重要依据，并结合铸块材料主要元素成分的核数据尤其是吸收、散射截面数据，对结果进行定性解释。此外作为定量分析的重要组成部分，将针对每一种铸块材料，仿真其平均温度600、900、1200K时其反应性变化，从而完成铸块温度反应性反馈系数的计算；
不同反射层材料对反应性影响 -分别使用钨合金、三氧化二铝等反射层材料时堆芯反应性，从而确定不同材料对堆芯中子经济性影响，作为反射层选型重要依据，并结合反射层材料主要元素成分的核数据尤其是吸收、散射截面数据，对结果进行定性解释。此外作为定量分析的重要组成部分，将针对每一种反射层材料，仿真其平均温度600、900、1200K时其反应性变化，从而完成铸块温度反应性反馈系数的计算。
学生的实验报告应该给出实验结果与结论。通过将操作仿真实验软件获得的结果与基准实验测试结果进行比对，如测量结果与仿真计算结果误差较大，则分析讨论原因。
吸收层、铸块、燃料棒及热管装配完毕后，由于中子泄露，堆芯应处于次临界状态。当反射层板逐渐关闭时，堆芯反应性逐渐升高，至接近完全闭合时应达到临界。应留有约5%超临界余量，用于后续升功率操作，堆芯升功率速率应控制在10%/分钟以下。升功率至25%、50%、75%时应在该功率平台稳定运行不少于两分钟，以保证堆芯内温度及功率分布稳定及充分展平。
当反射层板开度逐渐增大时，由于中子泄漏量逐渐增大，从而导致堆芯反应性下降，因此可以使用该方法将反射层反应性价值以开度反应性反馈形式Δρ/Δ开度（°）表现出来。此外，反射层板对称打开及非对称打开情况均需考虑，非对称打开时可导致堆芯内部功率及温度非对称变化，该情况将进行对比比较，以确定误操作情况下堆芯不均匀情况。
不同铸块材料及反射层材料的中子吸收及反照率均存在明显差别，因此在同等几何结构及厚度情况下，堆芯反应性存在明显差别，从而为热管堆选材提供理论依据。同时考虑到该现象主要由材料宏观吸收截面的差别导致，从而可以加深学生对于慢化自由程、吸收自由程、宏观吸收截面、共振吸收等概念的理解及掌握。
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