高密度UMo/Zr基弥散燃料辐照肿胀行为研究

Nuclear fuel is the source of nuclear power reactors and it is a key component of nuclear energy converting into electrical energy. Nuclear fuel proliferation and nuclear transmutation are the key issues of sustainable development of nuclear energy. This problem may be solved by increasing the density of nuclear fuel. UMo/Zr dispersion nuclear fuel is a new and promising high-density fuel. The irradiation swelling of UMo/Zr dispersion fuel will be studied in detail in this project. The irradiation swelling behavior of UMo/Zr dispersion fuel will be clear by analysis of microstructure and detecting of macroscopic mechanical properties. The evolution of fission gas will be obtained by molecular dynamics combining with rate equation theory. Interaction between the cladding and fuel core can be simulated by finite element method. Sample test in pile may discover the secret of irradiation swelling. These studies will help to improve manufacturing techniques of UMo/Zr dispersion fuel, to make the irradiation test favorable and to prepare well for large-scale application in the future

核燃料是核动力堆能量的源泉，是实现核能转变为电能的关键部件，而核燃料的增殖和嬗变能力一直是困扰核电能否快速发展的关键问题之一，提高核燃料的密度将会使这一问题得到改善。本项目以颇具发展前景的UMo/Zr基弥散型新型核燃料作为研究对象，将重点研究UMo/Zr基弥散型燃料的辐照肿胀特性。通过实验测量该燃料的微观结构和宏观力学性能，并结合分子动力学与解速率方程组相结合的方法，研究裂变气体造成燃料肿胀的微观机制及其对燃料肿胀的贡献，采用有限元方法模拟芯体的肿胀对燃料包壳的力学行为，并结合小样品的辐照考验实验，探索该燃料辐照后宏观性能变化的机理。这些研究对UMo/Zr弥散燃的料制造工艺、堆内大规模考验实验提供重要的理论指导和参考价值，为今后可能的大规模应用作好前期的铺垫工作。

核燃料是核动力堆能量的源泉，是实现核能转变为电能的关键部件，而核燃料的增殖和嬗变能力一直是困扰核电能否快速发展的关键问题之一，提高核燃料的密度将会使这一问题得到改善。本项目以UMo/Zr基弥散型新型核燃料作为研究对象，开展了燃料的制备工艺研究、燃料性能的模拟研究和包壳材料的辐照考核研究。. 通过燃料合金熔炼、氢化脱氢制粉、球磨、热压等步骤的工艺方案，初步探索出了UMo/Zr弥散燃料的制备工艺。在UMo/Zr弥散燃料的制备过程中发现，UMo燃料中的γ相受温度影响而不稳定的现象，其主要原因是UMo燃料中的Mo易向Zr中扩散，使UMo燃料中Mo含量降低，燃料中Mo含量的降低易导致γ相分解。经过反复摸索实践，制备出了UMo/Zr弥散性燃料；对制备的燃料开展了微观结构观测、密度、热物等性能测量，获得了该燃料的基本性能。. 利用分子动力学方法模拟了燃料的基本性能，辐照过程中的缺陷变化、气泡演化、气压变化和辐照肿胀过程，获得了燃料肿胀的基本机制；利用相场方法模拟了燃料中的孔隙率和气泡运动，得到了不同燃耗、不同温度下燃料中孔隙率和气泡半径的变化情况；通过编制的程序，对燃料的肿胀性能进行了模拟，获得了一定工艺条件和辐照条件下该燃料的辐照肿胀规律。利用分子动力学方法模拟了Zr辐照的级联损伤过程，获得了缺陷随剂量的变化规律；建立了Zr高剂量辐照损伤方法，模拟了Zr在高剂量下的损伤行为，发现缺陷在一定剂量下即发生饱和，缺陷饱和后易形成位错环；通过对Zr辐照损伤过程的模拟，揭示了辐照导致Zr发生各向异性生长的原因。. 开展了Zr包壳材料的中子辐照实验，对辐照前后的样品进行了微观结构和力学性能分析，获得了一定辐照剂量下Zr的力学性能变化规律，发现了高剂量位错环的产生，进一步证实了理论模拟中高剂量位错环的生成机理。这些研究对UMo/Zr弥散燃的后续工艺完善、性能优化、未来发展提供重要的实践参考价值。.