UMo-Al弥散型燃料辐照肿胀行为和力学行为的模拟研究

目前核能作为可替代化石类能源的清洁能源已受到世界各国的重视，我国也将其列入重点发展的新型能源。本项目以颇具发展前景的高密度低浓度的UMo-Al弥散型新型核燃料作为研究对象，针对该燃料在辐照过程中肿胀行为的复杂性,即使对同一种现象却存在着不同的认识,因此我们将重点研究UMo-Al弥散型燃料在辐照时的肿胀行为和燃料元件的力学行为。采用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，并探索在该燃料中添加相关微量元素后对燃料肿胀的影响；模拟辐照环境下燃料芯体的温度分布，采用有限元方法模拟芯体的肿胀对燃料包壳的力学行为。这些研究将有助于理解UMo-Al弥散型燃料的辐照肿胀机制和力学行为,对该燃料的制造工艺和今后的堆内考验实验提供重要的理论指导和参考价值。

高密度低浓度的核燃料是核燃料今后发展的一个趋势，燃料密度的提高有助于提高核电的经济效益，但肿胀也会随之增加，抗肿胀性能成为了UMo/Al弥散燃料能否实际应用的一个关键因素。本课题针对高密度新型核燃料UMo/Al弥散型燃料的肿胀行为和力学行为展开了研究。. 采用Anselin方法结合ORIGEN2程序得到了UMo/Al弥散燃料裂变产物的产额。通过分析裂变气体的产生、成核、气泡的形成和演化过程，建立了模拟裂变气体肿胀的方法，同时分析了界面反应对芯体结构、燃料相体积分数、基体相体积分数的影响，构建了界面反应变化对芯体结构影响的关系式。根据弥散燃料的结构特征，构建了燃料颗粒之间、燃料颗粒与包壳之间的周期单元结构模型，采用有限元方法对燃料颗粒之间以及燃料颗粒与包壳之间的受力情况进行了力学分析，发现燃料颗粒之间的大部分力可以抵消；从一个燃料颗粒到另一个燃料颗粒，肿胀所造成的应力先减小后增大；在燃料板中间靠近包壳的地方，是最容易出现破裂的地方；在增加燃料相的体积分数时，包壳所受的应力也在增大，包壳发生破裂的风险也相应增大。根据所建立的固体裂变产物和气体裂变产物计算方法以及肿胀模型，对该燃料在不同加工工艺参数（燃料相体积分数、孔隙率）和辐照条件（燃耗、温度、裂变率）下的肿胀行为进行了模拟分析，并与文献数据进行了对比，二者符合的较好，这说明本项目所建立的分析方法和模拟可以对该燃料的辐照肿胀行为作出一定的预测，可为今后该燃料的设计和实际应用提供帮助。. 通过对UMo/Al弥散型燃料的肿胀行为深入分析和模拟，得出了以下结论：(1) UMo/Al弥散燃料的肿胀主要是裂变产物的累积引起的，裂变气体是导致燃料肿胀的主要原因。(2) UMo/Al弥散型燃料的辐照肿胀随燃耗、温度和燃料相体积分数的增加而增加。(3)UMo/Al弥散型燃料的辐照肿胀随燃料燃耗的变化存在明显的拐点，燃耗高于拐点时，肿胀快速增加。燃料相所占的体积比越大，辐照温度越高，燃料发生肿胀拐点的时间越早。(4)UMo/Al弥散型燃料的燃料相对燃料的辐照肿胀影响明显，燃料相体积比越大，燃料辐照肿胀越厉害。当燃料相体积分数超过52%时，在燃料亚晶化以后，燃料会出现急剧的肿胀。(5)随着燃料燃耗的增加，在燃耗拐点以前，不同裂变率的燃料颗粒的肿胀率基本相同，在燃耗拐点以后，裂变率小的燃料颗粒肿胀要剧烈些。