U_3Si_2Al弥散型燃料的辐照肿胀研究

介绍了U3Si2 Al弥散型燃料的辐照肿胀机理。将弥散型燃料的芯体视为连续基体中的微型燃料元件 ,应用裂变气体的行为机理描述燃料相中的气泡形成过程。研究结果表明 :燃料相的肿胀引起燃料颗粒和金属基体之间的力学相互作用 ,金属基体能抑制燃料颗粒的辐照肿胀。在一定辐照条件下 。

弥散型燃料元件等效热传导系数的有限元模拟

弥散型燃料元件的热传导与燃料颗粒的数量、形状、大小及其分布,以及元件的几何形状和堆芯内热工条件等密切相关。采用细观计算力学的方法,按照燃料颗粒不同的排布方式从整个元件中取出单胞和代表体积单元,运用有限元法计算了弥散型燃料元件在不同温度、燃耗和颗粒体积含量下的等效热传导系数,并和理论公式进行了比较。结果表明,计算值和Maxwell模型的理论值最为接近。

弥散型燃料板辐照肿胀行为的有限元分析

采用颗粒复合材料的细观力学研究思路,针对弥散型燃料板,选择一种代表性单元作为研究对象,用与裂变密度和燃耗相对应的、不断增大的裂变压力模拟燃料颗粒裂变对铝基体所产生的力学贡献,对研究对象进行了热力耦合分析。考察了裂变压力、温度应变和燃料颗粒沿厚度非均布对颗粒肿胀的影响,并对弥散型燃料板基体的米塞斯应力分布情况进行了分析。研究结果表明,颗粒百分比含量越高,颗粒肿胀的速度相对越快;随着裂变压力增大,颗粒肿胀的速率急剧增大,且颗粒不再是圆形;在正常工作和选取的参数条件下,温度应变对总变形的影响不大;当裂变压力不大时,非均匀分布对颗粒肿胀几乎没有影响,随着裂变压力的增大,非均匀分布的颗粒肿胀明显高于均布情况,而且越来越明显;基体的应力非球对称分布。

弥散型燃料的裂变气体行为研究

探讨了弥散型燃料中对辐照肿胀有重要影响的裂变气体的行为机理。裂变气体原子聚集成气泡引起燃料相肿胀，气泡的尺寸分布是影响辐照肿胀的重要因素。决定气泡生长的裂变气体的行为机理主要有：裂变气体原子的产生和热扩散迁移，气泡的成核和聚合长大，气泡内气体原子的重溶，燃料相的辐照亚晶化等过程。燃料中各种尺寸的气泡浓度随时间的变化率可用气泡生长的动力学速率方程组来描述。当裂变密度较高时，辐照产生的缺陷引起燃料相的亚晶化。亚晶界网络的出现加速了气泡聚合过程，引起大尺寸气泡的产生，辐照肿胀随裂变密度加速增加。在一定辐照条件下拐点燃耗随温度增加而减小，温度是影响弥散型燃料辐照肿胀非常重要的因素。本文计算了一定条件下 U3Si2- Al弥散型燃料的辐照肿胀随裂变密度的变化。对照表明，理论计算值与实验测量值相一致，有关裂变气体的行为机理模型能有效地预测一定运行条件下弥散型燃料的辐照肿胀规律。

弥散型燃料元件可靠性与优化设计:理论建模与数值模拟

弥散型核燃料具有优于其它燃料的重要性能,已在研究试验堆和核动力堆中得到广泛应用,而且还具有许多潜在的应用前景.由于弥散型燃料所处的苛刻环境、复杂的堆内行为和结构,其可靠性与优化设计问题十分复杂.因此,建立能够反映燃料元件堆内复杂物理行为的理论模型,并利用有限元法对弥散型燃料的传热学和热力学行为进行精确数值模拟已成为实验的一个重要辅助工具,受到了国际学术界的重视.本文综述了相关研究成果,并简介了相关研究进展.

弥散型燃料等效弹性性质的有限元模拟

弥散型核燃料元件在反应堆中的安全和可靠性与元件芯体的等效力学性能密切相关。本研究采用细观力学的方法,假设芯体中的燃料颗粒在基体中周期性排列,从中取出代表性体积元,运用有限元方法计算弥散型燃料在不同温度和颗粒体积含量下的等效弹性模量。分析比较了颗粒的体积含量和分布形式对弥散型燃料等效弹性性质的影响,并在颗粒随机排列时,将有限元计算结果和解析模型的结果进行了比较。结果表明,计算值和Mori-Tanaka模型的预测值最为接近。

燃料相体积分数对U-Mo/Al弥散型燃料板的铀分布均匀性影响

采用原有混合工艺对20%~30%燃料相体积分数的U-Mo微球和铝粉进行混合后,制备成燃料板,分析燃料板的铀分布均匀性,获得燃料相体积分数对铀分布均匀性的影响规律。燃料板的铀均匀性采用γ射线吸收法进行检测。检测结果表明,在20%~26%燃料相体积分数范围内铀分布均匀,当燃料相体积分数增加到28%以上时,铀分布均匀性逐渐变差。在此基础上,对原有混合工艺不适用的燃料相体积分数进行混合工艺参数优化。燃料相体积分数为28%和30%的混合工艺经优化后,铀分布均匀性得到显著提升。

UMo/Al弥散型燃料元件溶解回收工艺研究

以配制好的混合碱(NaOH和NaNO3)为UMo/Al弥散型燃料元件样品铝包壳和铝基体的溶解液,将不合格的UMo弥散型燃料元件的包壳和弥散基去除,并计算铀损失率;采用金相显微镜分析UMo合金粉末的粒度分布,并用X射线衍射分析其相结构与成分。初步实验结果表明:随着NaOH浓度增大,铀损失率增大;随着NaNO3浓度的增大,铀损失率呈现先增大后减小的趋势;NaNO3浓度对铀的损失率影响不大,铀的回收率高于99.3%;铝溶解后的UMo合金粉末粒度较小,部分铀已经被氧化成了UO2,需要进一步研究才能确定回收得到的UMo合金粉末能否重新用于燃料元件的生产。

界面反应引起弥散型燃料的芯体结构演化

在反应堆运行工况下 ,U3Si2 Al弥散型燃料的燃料颗粒与基体的界面相互扩散形成反应层 ,从而导致芯体结构的演化。本文根据Monte Carlo原理建立了弥散型燃料芯体的模拟方法 ,并用该方法模拟了燃料相体积分数为43 %和具有一定尺寸分布的球形燃料颗粒在芯体中的空间随机排列。根据所模拟的13551个颗粒样本 ,计算了反应层厚度从0到16μm变化时引起的芯体结构演化 ,其中包括U3Si2 燃料相体积分数、反应层体积分数、铝基体体积分数。

弥散型燃料板的辐照起泡机理分析

弥散型燃料在研究堆和动力堆中有着广泛的应用。起泡是弥散型燃料特有的失效模式,起泡的发生将导致堆芯传热性能恶化,威胁反应堆的运行安全。在分析总结国内外弥散型燃料板的辐照后起泡退火试验结果的基础上,从微观尺度到宏观尺度分析了起泡发生的机理,重点研究了弥散型燃料板的一种重要起泡模式——孔洞连通模式,剖析了孔洞连通发生的3个基本过程。同时应用孔洞连通机理,在估算裂变气体压力的前提下,通过力学计算给出了可引起起泡的孔洞连通的圆形区域尺度约为1.8mm,这与实验观察结果相符。本文分析表明,燃料板的孔洞连通起泡机理涉及到高燃耗效应、燃料相的肿胀和开裂、裂变碎片损伤和应力腐蚀开裂等过程,建立起泡模型需做弹塑性力学和断裂力学的数值计算。

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。

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。

辐照条件对U10Mo-Al弥散型燃料肿胀性能的影响

通过建立微球燃料元件模型,对U10Mo-Al弥散型燃料在不同辐照条件下的辐照肿胀性能进行模拟计算,结果表明:辐照温度越高,燃料肿胀越明显;随着裂变率的增加,在燃耗拐点以前,燃料的肿胀速率基本相同,在燃耗拐点以后,裂变率大的燃料肿胀较慢;与实验数据点进行比较,在合理的范围内理论值和实验值相一致。

弥散型燃料裂变产物释放行为分析研究

为了获得弥散型燃料裂变产物向一回路冷却剂的释放特性,开展了弥散型燃料裂变产物释放行为研究,开发了适用于弥散型燃料的裂变产物源项计算程序,并对裂变产物源项进行了影响分析。结果表明:沾污铀和起泡破损后裂变产物的核素谱存在一定差异;裂变产物的释放与起泡当量直径的平方成正比;对于弥散型燃料而言,起泡破损中通过反冲释放的占比较低;相同破口条件下的弥散型和陶瓷型燃料中裂变产物的释放存在量级的差别。本文开发的程序能够用于分析弥散型燃料的裂变产物源项,为后续相关研究工程设计奠定基础。

燃耗深度对U_3Si_2-Al弥散型燃料元件芯体中气孔的影响研究

辐照过程中,燃料颗粒内部会产生裂变气体形成气孔,将对其热/力学性能造成显著影响。采用带屏蔽的金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)对辐照后U_3Si_2-Al弥散型燃料中U_3Si_2燃料颗粒的显微组织进行了观察,统计分析了燃料颗粒内气孔的形貌、尺寸及分布,获得气孔平均尺寸及孔隙率随燃耗深度的变化规律。结果表明,裂变密度在2.34×10^(27)~3.74×10^(27)m^(-3)范围内时,U_3Si_2-Al燃料颗粒中的裂变气体气孔的形貌未发生较大改变,均呈球状。而裂变气体气孔平均尺寸以及孔隙率均随着裂变密度的增加而增大,存在两个阶段:裂变密度在2.34×10^(27)~3.19×10^(27)m^(-3)范围内,稳态增长;裂变密度在3.19×10^(27)~3.74×10^(27)m^(-3)范围内,加速增长。

加速器驱动次临界系统用嬗变核燃料研究进展分析

加速器驱动次临界系统(Accelerator driven subcritical system,ADS)是乏燃料安全处理处置关键瓶颈问题的优秀解决方案,而开发适用于该系统的嬗变核燃料正是ADS研发的关键任务之一。然而由于嬗变对象次锕系元素的固有特殊性质、嬗变燃料体系相关机理尚不十分明确、制备技术难度大、嬗变核燃料相关试验数据和运行经验的欠缺等原因,ADS用嬗变核燃料的研发十分复杂且极具挑战。本文系统综述了作为ADS重要候选嬗变燃料的氧化物弥散型燃料CERCER/CERMET、氮化物燃料和金属燃料的研究进展,包括制备工艺、辐照实验和辐照后检验结果、物性参数、主要优缺点等内容,以期为我国ADS用嬗变核燃料的研发提供一定思路和参考。

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。

弥散颗粒型燃料特征线方法输运计算研究

弥散颗粒型燃料的中子输运问题因其特有的随机性和双重非均匀性难以直接使用现有输运方法进行求解。Sanchez-Pomraning方法借助更新方程,对特征线方法进行改进,使其能应用于弥散颗粒型燃料的输运计算中。本文对二维圆柱形弥散颗粒燃料输运问题进行了计算,数值结果表明:程序在不同颗粒填充率、不同颗粒尺寸、燃料颗粒与毒物颗粒共存的问题下均能保证较好的计算精度,反应性特征值绝对偏差大多低于100 pcm,仅在QUADRISO毒物颗粒填充时绝对偏差达到163 pcm。本文方法能满足弥散颗粒型燃料的输运求解要求,为新型燃料的设计研究工作提供了可靠的结果。

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。