深空探索和建立地外行星基地是扩展人类存在范围和揭示宇宙奥秘的关键努力。多个国家正在推进他们的月球探索计划，并计划进行国际合作。月球基地面临的一个关键挑战是确保稳定、可靠和持续的能源供应。月球表面环境极端，具有高真空、低重力、强烈辐射以及长达约14个地球日的漫长夜晚，这使得传统的太阳能系统不足（Benaroya和Bernold，2008）。在这种背景下，空间核反应堆电源系统被广泛认为是长期月球基地运行的最有前景的能源解决方案之一，因为它们具有高功率密度、适应恶劣条件的能力以及提供持续能源的能力。
在各种空间核反应堆技术中，热管冷却反应堆因其被动热传递能力、固有的安全性和模块化架构以及与微重力环境的强兼容性而受到重视（Poston，2001）。近年来，提出了几种创新的热管反应堆概念并取得了显著进展。例如，NASA的Kilopower项目在地面测试中成功展示了KRUSTY（使用斯特林技术的Kilopower反应堆）系统，验证了千瓦级反应堆在启动、变功率运行和关闭过程中的安全性和稳定性，这是紧凑型空间反应堆的一个里程碑式成就（McClure等人，2020）。其他设计，如HOMER（热管操作的火星探索反应堆）（Poston，2001）和SAFE（安全经济型裂变引擎）（Van Dyke，2001），进一步展示了热管反应堆在包括火星探索和航天器推进在内的任务中的多功能性。
尽管对热管反应堆的兴趣日益增长，但大多数现有研究主要集中在中子堆芯设计和热-水力安全性的初步验证上（Wahlquist等人，2023；Wu等人，2017）。然而，空间反应堆堆芯中的结构支撑材料将不断暴露在极端条件下，包括高温、高中子通量和严重的热循环，且在此期间没有维护或更换的可能性（Wang等人，2020；El-Genk，2008；El-Genk和Schriener，2011）。在事故情况下，如热管故障，这些材料甚至可能直接接触碱性金属冷却剂。因此，堆芯结构的机械完整性和长期可靠性是决定反应堆性能和安全裕度的关键因素。迄今为止，很少有系统性的研究从核-热-机械耦合的角度评估结构支撑材料在运行条件下的性能和故障风险。这已成为高性能空间热管反应堆工程部署中的一个关键挑战。
在各种空间反应堆概念中，爱达荷国家实验室提出了一种有前景的设计，即基于模块化、热管冷却、集群反应堆系统的月球进化生长优化（LEGO）反应堆，以支持月球基地的电力生成（Darrell Bess，2008；Darrell，2009）。LEGO设计利用当地可获得的月球表土作为传统中子反射器和屏蔽组件的替代品，显著降低了发射质量和体积，提高了其与运载工具的兼容性，并支持了月球基地的可持续发展模式。值得注意的是，在基线LEGO设计中，堆芯矩阵由316L不锈钢制成（Darrell Bess，2008）。尽管316L在商业反应堆中表现良好，但其机械性能（如蠕变强度和抗疲劳性）在冷却剂温度超过1073 K的热管冷却反应堆运行条件下会显著恶化（Tan和Chen，2021；Yan等人，2015）。在由于热管故障导致局部堆芯过热的严重事故情况下，使用316L作为堆芯结构材料可能会导致材料软化引起的结构故障风险，从而引发对LEGO反应堆长期可靠性的担忧。
材料科学的进步引入了几种在高温条件下具有更好机械性能的有前景的结构材料，用于热管冷却反应堆，包括铌合金（Nb-1Zr）、钼合金（Mo、TZM、Mo-Re）（Lin等人，2025；Schneibel等人，2008）、钨合金（W-Fe）（Kompan等人，2018）和碳化硅复合材料（SiC/SiCx）（Katoh等人，2014）。这些材料具有优异的高温强度、抗辐照膨胀性、良好的热物理性能和良好的化学兼容性。例如，钼-铼（Mo–Re）合金不仅具有高熔点（约2896 K），还具有出色的室温延展性和高温蠕变抗性，使其成为热管包壳和堆芯结构组件的有希望的候选材料（Gao等人，2025；Guo等人，2023）。碳化硅复合材料也因其低中子吸收截面、在辐照下的高尺寸稳定性和高强度而受到关注（Deck等人，2012；Yueh和Terrani，2014）。在LEGO堆芯配置中对这些先进材料进行系统筛选和评估对于克服当前设计中的结构材料挑战至关重要。
本研究通过多物理建模和仿真解决了LEGO-30反应堆集群基线设计的材料限制。首先，使用OpenMC和ANSYS Workbench开发了LECO堆芯的单向耦合中子-热-机械模型，以评估基线设计的结构风险。此外，建立了一个全面的评估框架，涵盖中子特性、临界安全、热物理性能和机械性能，以系统地比较和筛选多种候选结构材料。最后，基于对候选材料的系统筛选，建议使用钼-铼（Mo-Re）合金代替316L不锈钢。进行了详细仿真，以验证其在堆芯温度均匀性、事故耐受性和结构完整性方面的优势。本研究将LEGO反应堆的评估从中子可行性扩展到不同条件下的综合核-热-机械性能，为LEGO反应堆概念的工程实施提供了关键的材料解决方案和理论基础。
