基于多尺度、多物理场全耦合方法的混合氧化物燃料性能研究

The use of mixed oxide fuel (MOX) made from uranium-plutonium cycles will not only save the use of U235 and relief the uranium resources shortage, but also avoid the nuclear proliferation caused by the accumulation of plutonium, which provides a new type of nuclear fuel usage prospect. Understanding the nuclear fuel is a key step for MOX fuel optimization, this research project will customize the partial differential equation of multiphysics modeling and simulation based on finite element method to study the MOX fuel performance during normal operation and reactor transient conditions, and perform quantitative analysis of sensitivity and uncertainty to reveal the inherent factors that affect the MOX fuel performance. The proposed study is also aimed to determine the MOX fuel properties (such as thermal conductivity, thermal expansion coefficient and so on) and the physical process parameters (such as diffusion coefficient of oxygen and fission products and so on) at the atomic or molecular scale by molecular dynamics simulation, and to investigate whether it is possible to improve material properties and the physical model of a phenomena by design analysis, and further study the improved MOX fuel performance in a reactor in order to extend the fuel life, increase the efficiency of nuclear reactor and reduce the nuclear waste. Meanwhile, the developed nuclear fuel performance analysis code could be used as a tool of nuclear fuel design and research to provide theoretical reference and experimental guidance.

通过采用铀-钚循环制成的混合氧化物(MOX)燃料不仅能够节约U235的使用，缓解铀资源短缺的压力，还能避免钚的累积带来的核扩散问题，开阔了新的燃料利用前景。掌握核燃料性能是MOX燃料优化的关键一步，本项目将基于有限元方法的多物理场建模和仿真来研究MOX燃料在反应堆正常运行和事故工况下的性能，以及进行敏感性和不确定性的量化分析以揭示影响MOX燃料性能的内在因素。同时还将致力于在原子或分子尺度下通过分子动力学模拟计算，分析不同类型的MOX燃料的热导率、热膨胀系数等材料热力学性质以及氧原子、裂变产物的扩散系数等物理过程的参数，探究是否可以通过相关燃料设计来改进材料性质和相关现象的物理模型，然后进一步分析改进后的MOX燃料在反应堆中的性能，以增加燃料的寿命，提高反应堆的效率，并减少核废料的产生量。同时开发的燃料性能分析程序可作为核燃料设计研发的工具为实验研究工作提供理论参考和实验指导。

本项目采用了基于有限元平台的多物理场全耦合模拟研究方法，对UO2-BeO燃料、钍基混合氧化物燃料与具有双层结构的SiC包壳、带有Cr涂层的SiC包壳组成的不同燃料结构耐事故燃料系统进行失水事故工况以及反应性引发事故工况下的性能研究。研究结果表明，在LOCA事故工况下，与UO2燃料相比，由于钍基燃料具有较高的气隙导热系数和较低的热扩散系数，在装配双层SiC包壳后，明显消除了LOCA事故工况下燃料温度的升高。在RIA事故条件下，采用双层SiC包壳的燃料系统，由于事故时间较短，在降低燃料温度和降低燃料应力方面没有明显优势，但考虑到双层SiC包壳优异的力学性能和在LOCA条件下安全性的提高，仍然可以降低RIA的事故严重程度。在LOCA事故条件下,基于钍燃料与双层SiC包壳的系统观察到相较于传统UO2-Zircalloy燃料包壳组合有一个延迟故障时间和更低的平均燃料温度,这有利于减少事故发生的概率和减轻事故的严重性。同时还发现带有Cr涂层的双层SiC包壳与钍基混合氧化物燃料的组合在LOCA事故工况下表现出更好的力学性能，以及在RIA事故工况下能够降低内压并且降低包壳环向应变约18%左右。镀铬SiC/SiC复合材料包壳在未辐照的LOCA事故中可以提供更好的燃料性能和更高的安全裕度，这些优势在装配UO2-BeO燃料后可以得到进一步的改善。上述研究将为耐事故燃料设计研发以及实验研究提供理论参考和实验指导。. 通过基金委对本项目的资助，项目负责人得以迅速成长，形成了具有自身特色的研究队伍。丰富了混合氧化物燃料与不同包壳组合的搭配选择以及可能的应用前景，深入分析混合氧化物燃料与不同包壳组合在正常及事故工况下的燃料性能，为实验设计高性能的耐事故燃料组合提供理论依据。. 本项目资助团队共发表SCI论文4篇EI论文2篇（项目负责人均为第一或者通讯作者），培养在读硕士生4人。