基于材料信息学方法的事故容错复合燃料服役性能研究与设计参数优化

Nuclear power, as one kind of clean and energy-efficient system, is playing a critical role in enhancing the ratio of non-fossil fuel utilization; while the safety is the key issue for the reactors running. Nowadays, the world's nuclear power industry has raised the concept of accident tolerant fuel systems (ATFs), which demands the developing nuclear fuel has higher oxidation resistance, thermal conductivity and irradiation stability under high temperature. This project is based on the ideas and methodologies suggested by Materials Genome Initiative (MGI); and links up the computational tools with informatics tactics, to analysis and identify the effects and their synergies of compositions, primary structures and processing parameters on the service performance of composite nuclear fuels. The main focus is on the development of data mining methods and intelligent optimization algorithms for the composite nuclear fuels design. By taking the advantages of informatics on data analysis and knowledge discovery, the complex parameters and their interactions within the materials design process can be screened and captured. Based on that, the critical factors that affecting the service performance of composite nuclear fuel are raised. By evaluating the performance of composite nuclear fuel under different service conditions, the composition, primary structure, as well as processing parameters can be optimized. According to this, the design strategies for the composite nuclear fuel that has accident tolerance capability could be presented.

核能作为清洁高效的能源，是增加非化石能源发电占比的关键力量；而反应堆的安全性则是现代核电发展所关注的核心要素。如今，世界核电行业提出了事故容错核燃料系统（ATFs）的概念，要求新型核燃料系统能够具备更高的抗氧化性、导热特性与高温辐照稳定性。本项目基于材料基因组工程所提出的思路与方法，通过综合运用其框架内的计算材料学和材料信息学手段，着重致力于发展应用于复合核燃料设计的数据挖掘与智能优化算法，分析与辨识其组分、初始结构及制备工艺在不同时空尺度上影响复合核燃料服役性能的机理及协同影响机制。通过充分利用信息学方法在数据分析与知识发现上的巨大优势，实现材料设计中对于复杂参数及其交互作用的筛选与捕捉，并提出影响复合核燃料服役性能的关键因素。在此基础上，根据该类材料在不同服役条件下的性能表现，对其组分、初始结构及制备工艺进行优化，并提出若干在理论上具有优良事故容错能力的新型燃料芯块设计策略。

发展事故容错核燃料是推动现代核能发展的关键要素。本自然科学基金面上项目的有力支持下，取得了以下四个方面的研究成果：1）构建了应用于事故容错核燃料设计分析的多尺度耦合计算模型。搭建了包括纳观尺度、微观尺度、介观尺度和宏观尺度的事故容错核燃料计算模型，并在此基础上搭建了针对事故容错核燃料设计分析的多尺度耦合计算平台；借助各尺度上所生成的数据文件，能够基本实现事故容错核燃料的热-力学性质多尺度耦合计算。2）完成了包含多类型缺陷位的U3Si2-Al三元体系的结构稳定性与电子性能分析。选择将Al元素作为U3Si2的合金元素，选择U3Si2内在的三种缺陷位置作为合金化位点后形成的U-Si-Al三元体系的稳定性和电子性能。3）完成了U3Si2-Al弹性性能和热导率各项异性的第一性原理研究。选择辐照后U3Si2产生的缺陷位置，包括一种Si位置和两种对称完全不同的两种U位置，以及三种对称不同的三种间隙位置原子坐标分别为（0，0，0.5）、（0.319，0.181，0）和（0.611，0.111，0.5）作为Al原子合金化位点。通过第一性原理计算进行力学各项异性以及热力学性质的研究，为新一代事故容错燃料的设计提供借鉴作用。4）U3Si2-X合金体系的结构及力学性能研究。使用第一性原理计算及相图方法计算分析Al、Ti、V、Zr、Nb、Mo在U3Si2的间隙和空缺位置的掺杂，通过分析其弹性常数和电子性质的变化，并使用第一性原理拉伸剪切的测试方法，探讨了掺杂后核燃料的热力学性能、延脆性和理论强度的对比，为评估燃料的安全性和寿命提供了具有重要参考。项目完成期间，发表项目资助SCI论文12篇（影响因子大于3.0的10篇）；申请发明专利2项；取得软件著作权4项；培养研究生7名，其中博士生2名，硕士生5名；共参加国际学术交流1次，国内学术交流3次。