在碳中和大背景下，能源结构转型已经成为世界能源体系发展的大趋势。核能能够有效填补煤炭减退过程中的电力及热力缺口，同时实现电力和供热领域的低碳化，具有布局灵活、应用广泛、不受气候环境和市场供应影响等优点，是保障国家能源安全的重要手段。热管是一种非能动的高效换热元件，具有运行温度范围广、结构紧凑、工作稳定可靠和安全性高等优点，应用于航空航天、能源和化工等多领域。热管多领域、多尺度、多环节地服务核工业，在先进核能发展进程中发挥了重要的作用。该文对先进核能概念设计和先进核能应用中的热管技术进行了综述，详细阐述了高温金属热管和热管冷却反应堆的设计概念和应用前景，介绍了核安全设施和核能城市服务设施中的热管，并提出先进热管技术展望。

核反应堆蒸汽发生器二次侧的流动不稳定现象不仅会影响控制系统，而且会使设备结构的压力边界疲劳损坏。两相流不稳定性的表现形式多样、影响因素众多、机理复杂、研究方法种类多，一直是蒸汽发生器和两相流领域的经典问题之一。首先，该文介绍了两相流不稳定性的常见分类和3种典型不稳定性的机理，包括流量漂移、密度波型脉动和压力降型脉动。其次，从守恒方程出发，总结了各种研究方法。再次，系统性总结了3种典型不稳定性的研究现状，并重点介绍了清华大学核能与新能源技术研究院堆工团队的工作。然后，该文提出了使用新无量纲数描述复杂过热系统，包括两相数、过热数、无量纲泵数和无量纲旁通数，明确和统一了Froude数、摩擦数、管长和管径等对密度波型脉动的影响规律，并解释了此前研究中矛盾的结论。同时，该文给出了有关模型简化和边界条件对稳定边界影响的理论推导和证明，并明确了实验室小规模单管或简化并联管试验段及工程验证试验回路与实际核电厂蒸汽发生器及二回路系统之间的替代条件。最后，该文介绍了高温气冷堆示范工程（high temperature gas-cooled reactor-pebble bed module，HTR-PM）蒸汽发生器如何通过设计来避免不稳定性问题。

高可靠性与高能量密度的动力推进电源是空间与海洋探索载体的核心关键部件。该文针对高温热管耦合动态热电转换装置开展了高温钠热管集成热声发电机运行特性的试验研究，实现了热电能量的传递与转换，掌握了高温热管与热声发电机耦合启动的关键技术，在稳态运行工况下获得了不同输入功率的热管-热声发电机系统耦合运行特性。随着输入功率的提升，热声发电机的输出电参数变大，热电转化效率从16.60%提升至19.00%。在长期运行测试中，在输入功率为1 900 W条件下，输出功率约360 W，热电转换效率约19.00%，热管与热声发电机耦合系统性能稳定。在极限运行测试中，输入功率为2 300 W时，输出功率为463 W，热电转换效率为20.13%。该研究验证了热管反应堆与热声发电机耦合集成能量转换原理的可行性，可为后续开展基于热管堆的空间和海洋载体核动力原型设计提供试验数据支撑。

在高温气冷堆（high-temperature gas-cooled reactor，HTGR）堆芯球床中，燃料球间的辐射换热是重要的传热模式，与堆芯固有安全特性密切相关。该文利用机器学习方法提出了球床颗粒间辐射角系数智能预测方案，其中基础计算模型基于角系数显式解析表达式，合理描述了球床热辐射特性随球心距变化规律和周围颗粒球平均阻挡作用，用于快速计算球床堆中辐射角系数的核心主导部分。利用高温气冷堆示范项目（HTR-PM）球床堆积结构和光线追踪方法，建立了高温堆球床高精度角系数大数据集，共包含1.66×10⁷条角系数工况，覆盖了球床各种局部结构。利用大数据训练后的梯度提升决策树模型有效提升了角系数预测精度，综合基础计算模型后角系数回归系数超过0.999。该文成果为高温气冷堆球流传热研究、堆芯优化和热工流体分析提供了高效的辐射传热计算方法。

高温气冷堆主氦风机是清华大学自主研发的先进核能核心装备之一，对于反应堆的正常运行至关重要。主氦风机停机会导致反应堆紧急停堆，直接影响核电厂的运行，并可能带来安全风险。因此，需要评估主氦风机的可靠性，并对主氦风机开展预防性维修策略研究，以保障高温气冷堆核电厂高质量运行。首先，该文使用故障模式、影响和危害性分析（failure mode，effects and criticality analysis，FMECA）方法识别主氦风机的关键重要部件；然后，基于各部件的通用数据评估得出主氦风机的故障率及各部件故障率占比，为提高主氦风机的运行可靠性提供参考依据；最后，使用以可靠性为中心的维修分析（reliability centered maintenance analysis，RCMA）对主氦风机的预防性维修策略进行规划，提出预防性维修方案建议。该文研究成果可为新研核能设备提升设计质量提供参考，为其他相关核能设施开展可靠性和维修性研究提供借鉴。

碳达峰和碳中和战略目标对全球经济与社会发展意义非凡。能源动力行业是中国二氧化碳排放大户，也是构建新型能源系统与产业革命的主战场。日趋成熟的碳捕集、利用和封存（carbon capture，utilization and storage，CCUS）技术因高成本、高能耗面临产业界的强大阻力，转变能源结构至关重要，然而中国的资源禀赋和能源现状决定未来一段时间仍将继续依赖传统化石燃料。该文分析了催化裂解技术、碳材料和氢气利用、燃氢发电等多项前沿技术的可行性，提出了一个实现化石燃料高效清洁利用的革命性技术路线，以期高效、低排放、低成本地制备氢气和高附加值的碳材料，实现基于燃氢轮机的零排放发电。该技术路线有望解决相关能源动力企业的碳排放技术与经济难题，助力"双碳"目标实现。

高温气冷堆（high temperature gas-cooled reactor，HTGR）因其具有固有安全性和反应堆出口温度高的特点，在环境和能源领域拥有广阔的应用前景。HTGR不仅可以用于发电，还可以实现大规模制氢，而氢气可作为钢铁冶炼过程中的直接还原剂，有助于钢铁工业减少碳排放。该文提出了基于HTGR制氢的炼钢系统方案，包括反应堆、反应堆中间回路、制氢、发电和炼钢共5个子模块，并开展了多联产能源系统研究。其中，HTGR为制氢模块和发电模块提供热量，制氢模块产生的氢气作为还原剂和燃料进入竖炉（shaft furnace，SF）直接还原炼铁，制氢模块产生的氧气和发电模块产生的电供给电弧炉（electric arc furnace，EAF）炼钢。该文分析了碘硫循环效率、发电模块和制氢模块的功率比、直接还原铁（direct reduced iron，DRI）比例对系统产能的影响，以及系统的碳排放情况。结果表明：在发电模块与制氢模块功率比为1∶1，EAF直接还原铁占比为90%，碘硫循环制氢效率为37.8%的情况下，系统产钢率为45.6 t/h，每t钢可向电网输出1 381.5 kW·h电能，同时CO₂的排放量仅为17.2 Nm³。

随着能源体系变革，氢能在能源系统中发挥着越来越重要的作用，绿色化、低碳化制氢技术日益受到关注。高温气冷堆耦合高温电解制氢技术是一种具有潜力的零碳排大规模绿氢制备技术。该文提出了热功率为250MW，氦气出口温度分别为750和950℃的高温气冷堆与高温电解制氢系统的耦合策略，建立了全流程ASPEN仿真模型，并分析了系统热电比对制氢产能和能耗的影响规律，据此评估并探讨了制氢成本及成本降低策略。结果表明：750和950℃制氢系统的最大氢产能分别为28108和35160m³/h。在最大氢产能下，750℃制氢系统的耗电量和耗热量分别为3.73和0.49kW·h/m³，总能量转化效率为40.1%；950℃制氢系统的耗电量和耗热量分别为3.11和0.56kW·h/m³，总能量转化效率为50.2%。提升电解制氢模块的电流密度可显著降低制氢成本，电解模块阳极耦合制备油品等高附加值化工品一方面可以分摊制氢成本，另一方面可以拓展核能高温电解应用场景。

并联矩形通道间的流动不稳定性现象广泛存在于能源动力、石油和化工等工业系统。对于耦合传热并联矩形通道，其流动传热特性与分离并联矩形通道存在一定差异。为进一步获得耦合传热并联矩形通道的流动不稳定性特性，该文采用系统分析程序RELAP5对已有实验本体进行建模，并基于已有矩形通道流动不稳定性数据开展了计算方法验证，在此基础上探索了并联耦合通道流动不稳定性规律，并对比研究了分离通道与耦合通道的不稳定性边界。结果表明：耦合通道与分离通道的不稳定性边界相近，通道间传热减弱了耦合通道流量振荡幅值，对系统稳定性具有一定的增强作用。

针对核电厂静密封泄漏率的计算，该文使用弹塑性接触理论构建了密封界面的泄漏通道模型，使用渗流理论计算泄漏通道的泄漏率。研究了载荷、密封表面形貌参数对泄漏通道的孔隙、渗流特征的影响。计算结果表明：随着静密封所受载荷不断增加，静密封界面间泄漏通道的孔隙率、渗透率不断减小，使泄漏率持续减小。在不同载荷水平下，泄漏率减小的趋势也不同。密封面的表面形貌影响密封面抵抗变形的能力，在材料属性不变的前提下，塑性指数较高的密封面会对密封产生不利影响。泄漏通道呈现自相似特征，因此可以通过泄漏通道的孔隙率推测其渗透率。

在依靠自然循环驱动的小型模块化反应堆主回路以及反应堆非能动安全系统中，冷凝换热是热交换过程的重要一环，因此对冷凝换热过程的深入研究和分析对提升换热效率、保障堆芯安全至关重要。该文基于格子Boltzmann方法，采用伪势模型，模拟研究了二维通道内静止饱和蒸汽在凝结过程中的流动和换热特性。结果表明：蒸汽冷凝会自发驱动蒸汽流动，蒸汽质量流速与通道宽度和凝结过程中的热流流量有关，保持壁面温度和通道宽度恒定状态下，液膜发展阶段壁面热流较大时，蒸汽质量流速增长较快；通道较窄时，入口处蒸汽平均质量流速初期增速较快但迅速达到稳态，通道宽度为150时的稳态入口平均质量流速约是通道宽度为500时的80.0%。对接触角的分析表明：亲水壁面上的液膜厚度受壁面亲水程度影响较小，壁面接触角为51°时出口处液膜厚度与接触角为72°时的相等。普通疏水壁面上珠状凝结难以维持，被液膜覆盖后相较于亲水壁面传热速率较慢，液膜滑移出计算域之前，壁面接触角为127°时壁面平均热流密度最大值约是接触角为51°时的75.8%，并随液膜滑移逐渐降低，但液膜受重力去除后再形成的过程能在一定范围内强化传热速率。

长寿命、高能量密度和高效率的动力系统是实现未来太空探索目标的必要条件，空间反应堆耦合Brayton系统是兆瓦级空间动力系统的最佳选择之一。功率控制特性是满足系统安全高效运行的关键。该文建立了空间堆Brayton系统动态模型，研究了旁路阀控制下系统的升、降功率特性。结果发现：当载荷变化时，旁路阀控制可快速改变系统局部流量；叶轮机械工况、涡轮和压气机功率及系统电功率能快速响应空间设备的用电需求和负载变化作出相应改变；同时，系统载荷变化导致转动部件对轴的扭矩失衡，容易出现超速事故，旁路控制降低涡轮的输出功率，可有效避免转轴超速的风险。在此基础上，研究了旁路阀开度的敏感性影响，结果发现：系统低压侧和辐射散热回路对旁路阀控制引起的参数扰动最为敏感。旁路阀开度增加后，压气机出口高压气体与涡轮出口低压气体混合，使低压侧管道和部件压力升高；辐射器散热功率增加导致散热回路温度升高，因而辐射器需要更大的散热能力。本研究为空间堆Brayton系统的安全稳定运行提供了参考。

以还原氧化石墨烯（reduced graphene oxide，RGO）纳米流体为实验工质，进行常压下的饱和池沸腾换热特性实验研究，并使用高速摄像机记录沸腾过程中的气泡形态，分析数据和图像结果。实验结果表明：RGO纳米流体对池沸腾的临界热流密度（critical heat flux，CHF）有明显提升作用，使其达到了1684.22kW/m²，相较于蒸馏水工质提高了49.2%，但对沸腾换热系数（heat transfer coefficient，HTC）的影响幅度不大，HTC只达到73.87kW/（m²·K），相较于蒸馏水工质提高了2.3%，在相同热流密度下，RGO纳米流体对壁面过热度的影响并不明显。通过对加热表面接触角的测量及汽泡可视化图像的分析发现：RGO纳米流体沸腾过程中在加热表面形成的沉积层是促使CHF提高的核心因素，其改变了加热表面的润湿性和汽化核心数，降低了加热表面气泡的脱离直径，提高了脱离频率，从而实现CHF的延迟出现。

碳化硅（SiC）制备在核燃料研究中具有重要意义，例如新型事故容错核燃料采用SiC作为关键基体材料。研究SiC纳米包覆颗粒的烧结行为对优化新型核燃料基体材料制备工艺具有指导意义。该文根据纳米颗粒熔点变化规律，验证了Tersoff势函数进行SiC分子动力学模拟的可行性和模型参数的准确性；考察了纯相SiC、富硅（SiC@Si）和富碳（SiC@C）这3种典型SiC纳米颗粒的烧结演化过程；并对烧结过程进行了定量描述，通过烧结颈生长、能量演变和原子扩散等参量分析了烧结机制，重点关注包覆层结构对SiC烧结行为的影响，从而获得包覆颗粒烧结机理。研究结果表明：包覆层的原子扩散性会促进颗粒原子整体迁移，从而加速整体烧结行为。SiC@Si颗粒比SiC@C颗粒更易发生包覆层原子扩散，因而SiC@Si颗粒更易发生烧结；较低的加热速率在一定程度上有利于烧结进行，但并不影响包覆颗粒的原子扩散模式。研究结果对SiC纳米颗粒烧结机制给出了定量解释，有助于理解SiC烧结制备过程的规律。