基于MPS方法的UO2-Zr弥散型板状燃料元件化学消熔、高温熔化及熔融物迁徙行为机理研究

UO2-Zr Dispersion Plate-Type Fuel Element has a prospective applicability in research reactors and marine nuclear power reactors. The characteristics of its chemical dissolution, high temperature melting and melt relocation behavior are important and hot issues that need research emphasis in the realm of nuclear severe accident analysis. According to atomic diffusion theory, this study aims at developing a chemical dissolution model with unsteady atomic diffusion model based on the fundamental ideas of MPS method, in order to study the mechanism of the dissolution effects of Zr base melt on UO2 fuel particles and the ZrO2 layer on the cladding and the characteristics of the early failure of fuel elements during severe accidents. The free rigid body motion model, phase transition model, oxidation model, surface tension model and viscosity change model and implicit algorithm on viscous term in momentum conservative equation are introduced to improve MPS code. The melt mechanism of UO2-Zr Dispersion Plate-Type Fuel Element at high temperature and the dynamic characteristics and patterns of melt flow, spreading and solidification in coolant channels between fuel plates will be investigated by numerical study. This study is a basic research for developing UO2-Zr Dispersion Plate-Type Fuel Element, which not only has significant practical value and great scientific significance, but also lays the foundation of further application of MPS method in severe accident analysis.

UO2-Zr弥散型板状燃料元件在研究试验堆和船用核动力堆上具有广阔的应用前景，其化学消熔、高温熔化及熔融物迁徙行为机理是严重事故研究领域亟待解决的热点难点问题。本研究拟基于移动粒子半隐式(MPS)方法，依据原子扩散理论，借助原子非稳态扩散模型，开发化学消熔模型及MPS分析程序，旨在揭示严重事故过程中UO2-Zr弥散型板状燃料元件内Zr基体熔融物对UO2燃料微球及包壳上氧化锆层化学消熔机理及燃料元件早期失效特征；建立自由刚体运动模型、相变模型、氧化模型、表面张力模型、粘性变化模型及粘性项隐式算法，对MPS分析程序进行改进，通过模拟研究揭示UO2-Zr弥散型板状燃料元件高温熔化机理及熔融物在燃料板间冷却剂通道内流动、扩展和凝固行为的动态特性及规律。本研究是开发UO2-Zr弥散型板状燃料元件的基础性研究工作，具有重要的实用价值和科学意义，也将为MPS方法进一步应用于反应堆严重事故分析奠定基础。

UO2-Zr弥散型板状燃料元件作为一种具有广阔应用前景的新型燃料元件，对其在可能发生的堆芯熔化严重事故过程中的化学消熔、高温熔化及熔融物迁徙行为机理进行深入研究具有重要的实用价值和科学意义。本研究基于移动粒子半隐式（MPS）方法，对其压力梯度模型、拉普拉斯模型和压力泊松方程等基本模型进行了适应性改进，对计算过程中的自由表面和固壁面边界条件进行了修正，并在此基础上开发了基于原子非稳态扩散的共晶反应及化学消熔模型，设计完成了Pb-Sn共晶反应实验，采用Pb-Sn共晶反应实验数据对模型进行了验证，并应用开发的程序成功模拟分析了ZrO2-Zr及UO2-Zr反应堆真实材料消熔实验；基于锆水反应规律建立了氧化模型，分析了锆包壳外表面粒子与冷却剂通道内蒸汽的氧化释热反应；建立了刚体自由运动模型，设计了二维漏斗及钢球坍塌等实验对其进行了验证；建立了粒子相变模型，采用伍德合金熔化实验结果对模型进行了验证；基于表面自由能模型建立了固液、液液粒子相界面上的表面张力模型，采用方形液滴变形算例进行了模型验证；建立熔融物粘性变化模型分析粘性变化对熔融物迁徙行为的影响以及开发粘性项隐式算法提高MPS方法的计算速度。基于以上模型自主开发了UO2-Zr 弥散型板状燃料元件化学消熔、高温熔化与熔融物迁徙行为MPS分析程序，采用 CRIEPI开展的铅铋平板消熔实验对程序进行了验证。随后采用开发的MPS分析程序对UO2-Zr弥散型板状燃料元件的高温熔化行为进行模拟研究，揭示了弥散型板状燃料元件高温熔化过程的特征现象，并探究得到燃料包壳厚度、弥散体颗粒大小和边界条件对燃料高温熔化行为的影响规律。最后对熔融物在板状燃料元件冷却剂通道内的迁徙行为进行数值模拟研究，揭示了熔融物在通道内的流动、扩展和凝固堵塞行为的动态特性及规律。