《Radiation Physics and Chemistry》：Multilayer Radiation Shielding Assessment of the Korean SMART Small Modular Reactor
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小型模块化反应堆辐射屏蔽与热力学性能分析。采用SERPENT、FLUKA和GEANT4多代码模拟评估韩国SMART SMR的辐射屏蔽效能与能量效率。通过SS316L、水、铅和钨组成的多层屏蔽系统，有效衰减了不同能级中子束流，次级伽马射线和中子接近零水平，热力学效率达30.41%和60%，验证了该屏蔽设计的可行性与安全性。
儿子：哈桑（O?UL Hasan）
女儿：巴什图格·艾尔芬·阿赫森（BA?TU? Elif Ahsen）
孙子：图纳汉·雷普（TORUN Tunahan Recep）
侄子：梅赫梅特·奥努尔·卡拉阿贾奇（Mehmet Onur KARAA?A?）
土耳其锡诺普大学核工程系，锡诺普
摘要
小型模块化反应堆（SMRs）因其增强的安全特性、可扩展性和适应性而被认为是一种可持续且多用途的核能解决方案。在本研究中，评估了韩国SMART SMR的辐射屏蔽性能和热力学效率。研究提出了一种由SS316L钢、水、铅和钨组成的多层屏蔽系统，并使用SERPENT、FLUKA和GEANT4软件进行了模拟分析。6.81×10^10（4.5 MeV）、5.90×10^11（500 keV）和2.88×10^11（0.025 eV）的主中子被有效衰减，而次级伽马射线和中子在外层几乎被完全屏蔽。能量效率和熵效率分别为30.41%和60%，表明屏蔽对反应堆性能的影响很小。这些结果证明了该屏蔽设计的稳健性，确保了小型模块化反应堆在包括发电和模块化能源系统在内的各种环境中的安全运行。此外，本研究还展示了先进计算工具在全面评估SMR性能和辐射安全方面的应用，为下一代核能应用中屏蔽材料的优化奠定了基础。
引言
全球对可持续能源需求的增长加速了先进核反应堆技术的发展。其中，小型模块化反应堆（SMRs）因其增强的安全特性、模块化结构以及对不同地理和经济环境的适应性而成为一种有前景的选择。SMRs被定义为功率输出低于300 MWe的核反应堆（IAEA，2020；IAEA，2021）。与传统的大型反应堆相比，SMRs具有灵活的设计和可扩展的部署方式，使其成为以经济高效且可持续的方式满足能源需求的理想解决方案。
多项研究强调了SMRs在核能转型中的潜力（Zar?bski和Katarzyński，2023；Kuznetsov，2008；Lloyd等人，2021）。Zar?bski和Katarzyński（2023）指出，SMRs能够有效应对波动的能源需求，尤其是在偏远地区或能源基础设施有限的地区。Butt等人（2016）关注了SMRs的被动安全系统，这些系统在事故情况下提高了反应堆的可靠性。Hoang等人（2024）和Jo与Shin（2022）的研究则探讨了优化堆芯设计以提高燃料利用率的方法。Bagheri等人（2024）报告了SMRs的最佳辐射屏蔽设计，而Kissick和Wang（2021）分析了其能量和熵性能。总体而言，文献表明SMRs的多个技术方面已经得到了广泛研究。
先进的计算工具，如SERPENT蒙特卡洛（MC）代码，在SMR研究中发挥着关键作用，它们能够实现精确的反应堆物理建模和模拟。例如，Lima等人（2024）利用阿根廷原型SMR CAREM 25展示了SERPENT在反应堆设计和验证中的多功能性。Antók等人（2024）使用SERPENT进行了SCW-SMR的初步堆芯中子计算，而Nguyen等人（2020）则利用该代码优化了无硼可溶燃料SMR的燃料组件谱。Zorla等人（2017）和Ipbüker等人（2015）的应用也证明了SERPENT在评估不同材料辐射衰减方面的有效性。这些工作共同强调了SERPENT在推进SMR研究中的重要作用，提供了准确、灵活和高效的建模工具，用于反应堆设计、优化和安全评估。
此外，许多研究还探讨了各种屏蔽材料在核反应堆中的有效性，突显了本研究的意义。例如，Singh等人（2016）评估了金属氢化物和硼氢化物在聚变反应堆中的屏蔽性能，强调了此类研究对反应堆材料选择和设计的重要性。另一项研究中，Singh等人（2014）报告了氧化物分散强化（ODS）合金在聚变反应堆中的伽马射线屏蔽性能。Sadawy和El Shazly（2019）研究了Duplex 2507 SS、304 SS和AISI 1018钢合金的辐射屏蔽性能，发现Duplex 2507 SS的半值层厚度优于304 SS和AISI 1018。Sayyed等人（2024）评估了Mg–Ni基合金的辐射防护性能，而Mourad等人（2021）制造并研究了用于核屏蔽应用的改良奥氏体不锈钢合金。Abdelgawad等人（2023）分析了含电气石混凝土的辐射屏蔽特性，发现添加电气石可以提高其屏蔽能力。Yu等人（2023）研究了硼石墨与Hastelloy桶结合在小型熔盐反应堆屏蔽结构中的效果，指出硼掺杂会降低石墨的DPA性能。更多相关研究可见于文献（Vinayak等人，2014；Hiremath等人，2024；Singh等人，2015）。
在本研究中，选择了经过认证的韩国SMART反应堆作为参考模型，并采用多代码方法对其性能进行了全面分析。与以往主要关注中子学或热水力学的独立研究不同，本研究结合了SERPENT 1.1.7进行堆芯建模，使用FLUKA和GEANT4进行辐射屏蔽评估及能量-熵分析，从而提供了对SMR效率和安全的全面评价。模拟结果通过文献数据（Akbari-Jeyhouni等人，2018）进行了验证，确保了研究结果的可靠性。本研究的一个创新之处在于开发并评估了SMART反应堆的多层辐射屏蔽设计。通过使用SERPENT的中子通量数据，并结合FLUKA和GEANT4进行次级辐射分析，本研究扩展了传统的屏蔽评估方法，以在保持反应堆性能的同时优化安全措施。据我们所知，此前尚无研究报道过对SMR中次级辐射产生及其对屏蔽性能影响的逐层分析。这些方法的整合为SMR屏蔽策略提供了新的见解，有助于推动下一代核能系统的发展。
材料与方法
本研究选择韩国SMART反应堆作为参考反应堆，该反应堆采用铀作为燃料。其设计如图1所示（Lee，2010；IAEA，2011；Akbari-Jeyhouni等人，2018），是建模和模拟分析的基础。
结果与讨论
SERPENT、FLUKA和GEANT4的模拟结果提供了关于所提出的SMR反应堆设计的中子行为和辐射屏蔽效果的关键见解。SERPENT模型的验证结果与参考数据一致，计算出的有效增殖因子（k_eff）和发电曲线与文献值高度吻合。中子屏蔽、能量和熵分析进一步揭示了...
结论
本研究对韩国SMART反应堆的能量效率、熵效率及辐射屏蔽能力进行了全面分析。通过使用SERPENT、FLUKA和GEANT4等先进的蒙特卡洛模拟工具，对反应堆进行了建模、验证和分析，获得了关于其运行和安全性能的重要见解。所提出的多层屏蔽设计结合了SS316L钢、铅、钨等材料...
作者贡献声明
图纳汉·雷普（Tunahan Recep TORUN）：撰写初稿、可视化、验证、调查、概念化。梅赫梅特·奥努尔·卡拉阿贾奇（Mehmet Onur KARAA?A?）：撰写初稿、可视化、软件开发、调查、形式分析。艾尔芬·阿赫森·巴什图格（Elif Ahsen BA?TU?）：撰写初稿、验证、软件开发、调查、形式分析。哈桑·奥古尔（Hasan Ogul）：审稿与编辑、撰写初稿、可视化、验证、软件应用、方法研究、调查、形式分析、概念化
利益冲突声明
? 作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
