多孔U-10Zr金属燃料芯体制备与微观组织结构分析

U-10Zr金属燃料是先进轻水堆、钠冷快堆等堆型的重要候选材料。本文开展多孔U-10Zr金属燃料研究,降低金属燃料芯体本身有效密度,在金属燃料芯体内部设计一定数量、大小的孔隙,贮存裂变气体,为燃料体积膨胀预留空间,提高燃料抗辐照肿胀性能。本文采用冷压压制成型-固相烧结的粉末冶金方法制备多孔U-10Zr合金芯体,研究烧结工艺对芯体密度的影响规律,并对不同孔隙率的芯体开展微观形貌、物相等性能表征。试验结果表明,样品在烧结温度为1100℃下烧结时密度随烧结时间的延长而提高,可通过改变烧结时间控制其孔隙率。

多孔U-10Zr金属燃料热学及力学性能的有限元计算

为探究多孔U-10Zr金属燃料热学及力学性能与孔隙率之间关系,利用有限元方法构建起孔隙率分别为5%、10%、15%、20%、25%及30%的多孔U-10Zr合金代表性体积单元,并系统研究了孔隙率对多孔U-10Zr燃料热学及力学性能的影响,包括热导率、力学响应及热膨胀性能。结果表明,随着孔隙率增加,U-10Zr金属燃料的热导率、弹性模量、压缩强度均下降。当孔隙率达到30%时,多孔U-10Zr合金的弹性模量、屈服强度与断裂强度分别为7.78 GPa、303.95 MPa及326.55 MPa。孔隙率增加,也使U-10Zr金属燃料热膨胀系数降低,有利于其抗热震性。孔隙率为30%的多孔U-10Zr合金的热膨胀系数为0.883×10^(-5)K^(-1)。该工作对探究多孔U-10Zr金属合金结构-性能关系、内在机理及其在核反应堆中的应用潜力具有指导意义。