UO2-Zr板严重事故早期氧化扩散机理与熔化行为研究

The plate-type fuel has already been applied in national denfence and scientific research with its excellent heat conductivity and safety properties.The differences in geometry and structure between fuel rod and plate-type fuel make each fuel has the different properties under severe accident,especially in aspects of oxidation and fuel failure at the early phase of the severe accident.The current parabolic equation can not describe the oxidation of complecated structrue and at high temperature precisely.Hence,the more mechanical approach,oxygen diffusion mechanism,is needed in this research. This project will research the oxygen diffusion of the complected plate-type fuel by theoritical analysis,focusing on the influence of dioxide ceramic fuel particles and Zircaloy meat.The oxygen distibution will be accounted by numerical analysis to estimate the influence made by structure.The oxygen diffusion model will be migrated to SCDAP/RELAP MOD3.1 to analysis the fuel melt program under severe accident.The analysis of the oxygen diffusion and fuel melt program will be developed for the further research of plate-type fuel under severe accident.

板型燃料元件因其良好的导热性能和安全特性而广泛应用于国防和科学研究中。和棒状燃料元件之间的结构差异，使得板型燃料元件在严重事故下具有许多不同的特性。其中严重事故早期的氧化过程和燃料失效行为是严重事故研究的重点。常规的抛物线型公式不能准确描述复杂结构和高温下的氧化过程，需要利用氧化扩散这种更为机理的氧化研究方法。本项目将综合考虑UO2陶瓷燃料微球，锆合金芯体对氧原子扩散的影响，利用氧化扩散方法研究含UO2燃料微球的板型燃料元件这种复杂结构下的氧化过程，计算板型燃料元件内氧原子分布随时间的变化，评价结构差异带给氧化过程的影响。最后将氧化扩散模型加入严重事故分析程序SCDAP/RELAP MOD3.1中，研究严重事故早期板型燃料元件的熔化行为，为板型燃料元件的严重事故分析奠定基础。

UO2-Zr弥散燃料板严重事故特性分析是UO2-Zr板堆芯安全设计的一个关键问题。国内外相关研究表明，板元件与常规棒元件结构和材料上的差异会带来特殊的严重事故行为与现象，具体表现在：严重事故早期弥散燃料小球高温下氧原子扩散和芯体内材料固相反应行为；较低熔点的熔融芯体夹带尺寸较小的陶瓷燃料球向堆芯下部迁移。特殊的现象和行为影响严重事故序列与事故威胁，因而研究UO2-Zr弥散燃料板严重事故下特殊行为与现象的机理对于UO2-Zr板堆芯的严重事故安全分析与事故缓解策略的制定具有较大的意义。.本课题首次考虑UO2-Zr弥散燃料板的氧化过程与陶瓷燃料小球的高温氧化扩散以及芯体与包壳间氧原子相互扩散过程相关。根据UO2-Zr弥散燃料板的芯体材料氧化特性求解了高温下陶瓷燃料小球的氧原子扩散强度近似解析式，并建立了UO2-Zr弥散燃料板的高温氧化扩散机理模型。本课题还研究了芯体中UO2-Zr固相反应模型，探讨了材料固相反应行为引起的芯体材料构成、固相反应层厚度、陶瓷燃料小球的尺寸等物理与机械性能的变化特性。在高温氧化与固相反应研究基础上开展了低熔点芯体的熔化与迁移机理研究，关注UO2-Zr弥散燃料板特有的失效模式与熔融芯体迁移形态，分析严重事故过程中可能出现的重返临界威胁。.以SCDAP/RELAP5 MOD3.1程序为平台，结合UO2-Zr弥散燃料板严重事故下的行为特征，本课题开发了分析弥散燃料板严重事故行为的堆芯部件“PLATE”。扩展的“PLATE”部件包含弥散燃料板特殊的几何定义，也包含了氧化扩散、芯体固相反应以及热源夹带的芯体熔化与迁移分析子程。在扩展的SCDAP/RELAP5 MOD3.1程序基础上对UO2-Zr板堆芯进行了严重事故安全分析，通过计算发现：严重事故过程中并未形成熔池，堆芯坍塌损坏的过程与UAl板堆芯截然不同；堆芯下方部分轴向节块的堵流引起上部堆积的熔融物升温，从而导致高熔点的控制棒材料的熔化，影响堆芯重返临界威胁大小。.本课题对UO2-Zr弥散型板状燃料元件的严重事故早期行为与熔融芯体迁移机理的研究有助于开展含UO2-Zr板堆芯的严重事故安全分析，研究立足于特殊过程的机理分析，搭建了一套初步研究UO2-Zr燃料板严重事故特性的理论与程序研究方法，为板元件反应堆研究与设计奠定了基础。