颗粒团聚行为对弥散型核燃料芯体失效的影响分析

针对燃料颗粒团聚行为对弥散型核燃料芯体失效的影响,开发了弥散型核燃料元件代表性体元模型的参数化建模及数值计算脚本,综合考虑燃料-基体界面损伤层、燃料颗粒辐照肿胀以及环境压力等关键特征进行了数值建模,系统分析了燃料颗粒团聚体积分数、颗粒团聚位置、运行环境静水压力以及基体材料性质对弥散型核燃料芯体失效的影响规律,发现燃料颗粒团聚区域是弥散型核燃料芯体失效的起点,而运行环境静水压力对芯体应力集中有抑制作用,揭示了燃料颗粒团聚现象对弥散型核燃料元件力学性能的“短板效应”。团聚区域的燃料颗粒通过密集堆叠的方法进行几何建模,局部燃料颗粒团聚体积分数由最小颗粒间距定义。有限元计算结果表明,燃料颗粒团聚体积分数越大,弥散型核燃料芯体越容易失效。而包壳外的环境压力会降低芯体内燃料颗粒团聚区域的应力水平,但随着局部团聚程度的增加,环境压力对芯体中Mises应力的影响逐渐减小。此外,燃料颗粒团聚区域相对弥散型核燃料芯体厚度方向位置改变对芯体的最大Mises应力几乎没有影响;燃料颗粒团聚区域在弥散型核燃料芯体的面内分布位置和环境压力共同决定弥散型核燃料芯体的失效行为。本研究可为弥散型核燃料元件的失效条件预测、可靠性评估和结构优化设计提供分析方法和数值依据。

弥散型核燃料元件热应力的计算模拟

针对弥散型燃料板的具体形状,选择了一种能够反映其实际变形特征的三维代表性体积单元作为研究对象;利用有限元法对其热力耦合行为进行了弹塑性分析,研究了热应力在燃料和基体中的分布特征.

弥散型核燃料元件的Eshelby解析分析

利用Eshelby问题的模型,在考虑温度场和辐照肿胀的条件下,采用理论分析的方法分析了颗粒的形状以及辐照肿胀对应力状态的影响。研究发现:第一主应力和Von Mises等效应力的最大值出现在颗粒和基体的边界上,它们的具体数值与颗粒形状等因素有关;燃料颗粒的辐照肿胀对第一主应力和Von Mises等效应力有很大的"增强"作用。

基于立体光刻的弥散型核燃料的制备

弥散型核燃料芯块中的核素分布强烈的影响反应堆的行为。本研究首次提出将立体光刻快速成型技术应用于氧化镁-氧化钚弥散型陶瓷核燃料的制备,显著地提高了核燃料微球在芯块中的分布均匀性。其中氧化镁作为基体起着结构材料作用,维持芯块的形状并提高核燃料芯块的导热率。文章详细探究了氧化镁粒径对浆料粘度、切片厚度,以及后处理过程对芯块的影响。最终芯块中的氧化镁弥散介质的密度达到3.15g/cm3(理论密度的88.1%)。最终芯块的剖面图表明核燃料微球在芯块中的分布高度均匀,本研究提供了一种制备核素分布高度均匀的弥散型核燃料芯块的新方法。

U_(3)O_(8)-ZrN弥散型核燃料热导率的模拟与实验研究

弥散型核燃料是先进核燃料的重要燃料类型。文中以溶胶凝胶法结合微流控技术实现单分散性U_(3)O_(8)核燃料微球(粒径分布CV<5%)的制备,采用模压成形、无压烧结法制备了不同U_(3)O_(8)微球体积分数的U_(3)O_(8)-ZrN弥散型核燃料芯块,并对其在不同温度下的热导率进行了模拟计算与实验研究。研究结果表明:相比于氧化铀燃料芯块,由氧化铀微球弥散在氮化锆基体中构成的弥散核燃料芯块的热导率显著提高,并随着温度的升高而增大,呈现出与温度的正相关性,这一特性有助于极高温环境中(事故状态)燃料芯块温度梯度的减小,提高燃料芯块高温下的安全性。增加U_(3)O_(8)-ZrN弥散型核燃料芯块中ZrN弥散介质体积分数可以快速提高芯块热导率,但导致芯块中燃料相含量的降低。

U_(3)O_(8)/ZrN核壳结构微球制备及其在弥散型陶瓷核燃料中的应用研究

基于光/热引发聚合反应的壳层固化方法在设计构建的同轴双毛细管微流体控制装置中实现高球形度U_(3)O_(8)/ZrN核壳结构微球的制备,调控微流控系统中连续相流量以及核相与壳层相流量比可精准控制U_(3)O_(8)/ZrN核壳结构微球粒径和壳层厚度。提出以U_(3)O_(8)/ZrN核壳结构微球为原料制备高U_(3)O_(8)体积分数的U_(3)O_(8)/ZrN弥散型陶瓷核燃料芯块技术方法。研究结果显示,制备的高达40.8%燃料相体积分数的弥散燃料芯块中U_(3)O_(8)微粒均匀分布在ZrN基质中且没有U_(3)O_(8)微粒堆积粘连。该弥散燃料芯块的热导率比U_(3)O_(8)燃料芯块热导率提高53%,有效改善了陶瓷核燃料的导热性能。

3D打印制备核素分布高度均匀的弥散型陶瓷核燃料芯块

核燃料微球在弥散型核燃料芯块中的分布均匀性对核燃料芯块的性能影响很大,是高性能核燃料的重要参数之一.提出了一种提高可裂变核素在芯块中分布均匀性的弥散型核燃料制备方法.首次提出将基于选择性激光烧结技术(selective laser sintering,SLS)的3D打印技术应用于弥散型陶瓷核燃料的制备,显著提高了核燃料微球在惰性弥散介质中的分布均匀性.详细描述了双组分陶瓷材料的3D打印技术路线的实现,并对惰性介质氧化镁的粒径、激光扫描参数和后处理过程与燃料芯块性能间的关系开展了研究.研究制备的核燃料芯块的截面图表明核燃料微球在芯块中的分布高度均匀.