近日，能源与动力工程学院核工系周夏峰团队围绕自主研发的多物理场耦合计算平台COME，以国际标准基准题OECD/NEA PWR MOX/UO2堆芯瞬态系列模型为对象，完成了三维全堆芯燃料元件级稳态与瞬态多物理场耦合分析及系统评估。相关成果以“Development and verification of COME coupling platform for full-core pin-by-pin steady-state and transient analysis of the OECD/NEA PWR MOX/UO2core transient benchmark（COME耦合平台的开发与验证：面向OECD/NEA PWR MOX/UO2堆芯瞬态基准题的全堆芯棒级稳态与瞬态分析）”为题在线发表于核反应堆领域权威期刊《ProgressinNuclearenergy》。华中科技大学为第一完成单位，博士生张杨奕为论文第一作者，周夏峰为通讯作者。
随着先进核动力系统向高功率密度、小型化和数智化方向发展，对核反应堆多物理场模拟的空间分辨能力、计算精度和瞬态分析能力提出了更高要求。传统以组件为基本计算单元的多物理场分析方法具有较高的计算效率和良好的工程实用性，但难以直接刻画组件内部不同燃料元件之间的功率差异、局部热反馈以及控制棒附近的强空间非均匀效应。另一方面，连续能量Monte Carlo方法虽然能够提供更高精细度的中子输运描述，但在全堆芯多物理场反复迭代以及瞬态众多时间步计算中仍面临较大的计算代价。因此，如何兼顾物理分辨能力、非线性耦合求解稳定性与计算效率，实现全堆芯燃料元件级多物理场耦合分析，是高分辨率反应堆数值模拟中的重要研究问题。
基于此，周夏峰研究团队进一步发展自主研发的COME（COupling Multiphysics Environment）多物理场耦合平台，构建了面向全堆芯燃料元件级分析的三维全堆芯耦合计算框架。该框架将团队开发的三维多群中子输运程序 comeSn、棒/板级热工水力及燃料热传导程序comeSC等物理场程序进行模块化集成，实现了从燃料元件级的功率分布、燃料温度、冷却剂状态、硼浓度和中子截面之间的闭环反馈，为三维全堆芯稳态和瞬态多物理场计算提供了计算基础。
与传统多物理程序依次调用和简单数据交换的计算方式不同，COME采用统一的求解器接口、物理量管理、网格映射和数据传递机制，将不同单物理场程序封装为相对独立、可复用的计算模块。在此基础上，团队进一步构建了基于物理模型响应的残差系统，使已有单物理程序无需显式构造大规模耦合Jacobian矩阵，即可接入Newton–Krylov等全局非线性求解框架。针对不同耦合问题的数值特征，研究分别采用了全局Picard–JFNK方法和嵌套Picard/JFNK方法：前者用于中子学及临界硼浓度耦合计算，后者用于控制棒弹出瞬态过程中中子物理与热工水力之间的快速耦合迭代，从而体现了COME平台根据不同多物理场问题灵活组织非线性求解策略的能力。
为减少不同核数据处理和截面生成方式对程序比较带来的额外影响，研究直接采用OECD/NEA基准题提供的八群棒元均匀化截面库，对COME平台开展统一数据条件下的系统验证和基准评估。其中，在二维固定热工条件下，团队建立了采用完全相同截面库和几何模型的多群OpenMC计算作为同库验证参考。结果表明，在全棒提出和全棒插入状态下，COME与OpenMC的有效增殖因子差异分别仅为18 pcm和39 pcm（1pcm=10-5）；燃料元件级功率差异分别控制在−2.06%～+1.41%和−2.54%～+3.35%范围内，验证了comeSn在统一截面条件下对棒级中子输运问题的精细求解能力。
在此基础上，研究进一步完成了包含193个燃料组件（55777个燃料元件）的三维全堆芯热态满功率、热态零功率临界硼浓度耦合计算以及控制棒弹出瞬态耦合模拟。COME计算得到的热态满功率和热态零功率临界硼浓度分别为1678 ppm和1336 ppm，热态零功率状态下的有效缓发中子份额为577 pcm。在控制棒弹出瞬态中，计算得到峰值时刻为0.229 s，峰值功率达到额定功率的 441%，峰值反应性为 1.24$，功率积分为 40.3 %·s。上述三维耦合稳态与瞬态结果均处于已有国际基准题公开结果的分布范围内，进一步表明COME平台能够支持复杂全堆芯棒级稳态与瞬态多物理场耦合分析，也为其他耦合程序研发提供了code-to-code的背靠背程序计算参考。
研究团队长期致力于跨尺度粒子输运、多物理场全局紧耦合及高效求解、物理和数据融合智能算法、先进核能系统数值模拟与自主软件开发等研究，在复杂耦合模型、高效算法设计、自主软件开发、实际工程应用“等方面取得了系列研究成果。团队自主开发了三维大规模粒子输运程序及COME多物理耦合分析平台，并逐步应用于能源转化、先进核动力、复杂非平衡输运等研究领域。COME 平台通过统一不同物理场程序的模块化拆分与接口封装、异构网格自适应映射、基于物理响应的残差构造以及面向不同问题的 Picard/JFNK 全局非线性求解机制，为复杂堆型和更高分辨率多物理场耦合计算提供了可扩展的软件与算法基础。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.pnucene.2026.106624
