放电等离子烧结参数对U_(3)Si_(2)芯块力学和热学性能影响的研究

U_(3)Si_(2)是轻水堆中最具前景的事故容错核燃料之一,有望在未来取代UO2核燃料而被广泛使用。目前,采用放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering,SPS)技术制备U_(3)Si_(2)芯块的研究已被广泛报道,但SPS参数对芯块性能的影响还尚不明确。本文采用SPS技术制备了U_(3)Si_(2)芯块,并研究了不同烧结温度(1000~1300℃)和压力(30~90 MPa)对芯块的力学和热学性能的影响。利用激光导热仪测量了芯块的热扩散率,并计算出芯块的热导率。通过纳米压痕仪测量芯块的力学性能,包括硬度、杨氏模量和断裂韧性。研究结果表明:所制得的U_(3)Si_(2)芯块热导率在27~700℃范围内均呈现线性增加的趋势,并随着烧结温度和压力的升高而增大;芯块的硬度和杨氏模量随烧结温度升高而增大,且随着压力的升高呈现先增加后平缓的趋势,并在60 MPa趋于平缓;芯块的断裂韧性随烧结温度升高而降低,并随着烧结压力的升高而增大。基于上述结果,提出了优化的SPS参数。本研究将为高性能U_(3)Si_(2)燃料的制备提供参考。

U_(3)Si_(2)核燃料孔隙演化的三维相场模拟

U_(3)Si_(2)较UO_(2)具有更高的热导率和铀密度,故被考虑用作UO_(2)的耐事故替代燃料。然而U_(3)Si_(2)燃料在辐照过程中产生大量的点缺陷易簇聚成孔隙或气泡导致肿胀,影响燃料的服役性能和寿命。本文采用三维相场方法研究了裂变密度对U_(3)Si_(2)燃料孔隙演化的影响。结果表明:孔隙平均半径〈R〉与裂变密度F_(D)幂律相关,满足关系式〈R〉∝F^(z)_(D),幂指数z为0.45;孔隙尺寸分布呈对数正态分布,与裂变密度无关。孔隙平均尺寸随裂变密度的增加而变大,大致在2~20 nm范围内。空位数量、孔隙率、肿胀率和裂变密度呈正相关,孔隙浓度随裂变密度迅速增加后缓慢减少至稳定值。当裂变密度为14×10^(20)cm^(-3)时,孔隙浓度约为1.6×10^(16)cm^(-3),孔隙率约为0.1,燃料体积的肿胀率不超过3%。模拟结果与实验值吻合较好。

理想拉伸/剪切应变对U_(3)Si_(2)化学键键长及电荷密度分布影响的第一性原理研究

2011年福岛核事故之后,U_(3)Si_(2)作为可代替UO_(2)的核燃料被预测为重要的耐事故燃料.近年来的研究结果表明,U_(3)Si_(2)作为耐事故燃料的候选材料,其在微观尺度上进行的模拟还不够深入.在宏观尺度上不足以建立燃料数据库和模型来有效预测U_(3)Si_(2)的一些性能.因此,采用第一性原理计算U_(3)Si_(2)核燃料的一些物理化学数据受到了广泛关注.在之前的工作中,我们采用第一性原理计算拉伸/剪切实验(FPCTT/FPCST)的方法预测了U_(3)Si_(2)在几个低指数晶面/晶向上的理想强度.然而,并未对U_(3)Si_(2)的断裂行为进行过多的解释.因此,本论文通过论述理想拉伸/剪切应变对U_(3)Si_(2)化学键键长及电荷密度分布影响,分析了U_(3)Si_(2)在这几个低指数晶面/晶向上的断裂行为.结果表明:U_(3)Si_(2)在理想拉伸应变的作用下,晶体的破坏主要受化学键变化的影响,而在剪切应变的作用下应变能或应力的突然下降,可能与U_(3)Si_(2)的应变诱导结构相变有关.

真空烧结U_(3)Si_(2)燃料芯块的微观组织与导热性能

以U_(3)Si_(2)粉末为原料,采用真空烧结法制备U_(3)Si_(2)燃料芯块,研究烧结温度对U_(3)Si_(2)燃料芯块密度的影响,分析U_(3)Si_(2)燃料芯块的铀质量浓度和杂质含量,并对燃料芯块的微观组织和导热性能进行分析和测试。结果表明,随烧结温度升高,U_(3)Si_(2)燃料芯块的密度先升高后降低,在1 550℃烧结2 h的U_(3)Si_(2)燃料芯块相对密度最高,约为96.7%,芯块的铀质量浓度为10.81 g/cm~3,明显高于现役UO芯块的铀质量浓度;该U_(3)Si_(2)燃料芯块由U_(3)Si_(2)、U_(3)Si_(2)和UO组成,芯块的热扩散系数随温度升高而逐渐增大,在500℃时的热扩散系数为3.95mm~2/s,比UO芯块提高约2倍。

基于多物理场耦合的U_(3)Si_(2)燃料与双层SiC包壳组合的轻水堆燃料性能分析

基于COMSOL平台开发了一套基于多物理场全耦合的燃料性能分析程序,并通过径向功率分布模型对比验证了该程序的正确性与准确性;然后进一步分析了U_(3)Si_(2)燃料与双层SiC包壳组合、U_(3)Si_(2)燃料与锆合金包壳组合在反应堆正常运行工况下的性能,并与UO_(2)燃料与锆合金的组合进行了对比分析。计算结果发现U_(3)Si_(2)燃料与锆合金包壳组合相比UO_(2)燃料与锆合金的组合具有更低的燃料中心温度、裂变气体释放量及内压,但气隙闭合时间会提前;而U_(3)Si_(2)燃料与双层SiC包壳的组合相比U_(3)Si_(2)燃料与锆合金的组合具有更高的燃料中心温度、更大的裂变气体释放量及内压,且随着燃耗的增加,其燃料中心温度大幅增加,与锆合金包壳相比,双层SiC包壳能够有效延迟气隙闭合,缓解燃料与包壳的力学相互作用。

UN基事故容错高铀密度核燃料芯块研究进展

福岛核事故之后,为了提高轻水堆运行的安全性和经济性,高铀密度核燃料芯块(高铀密度芯块)成为事故容错燃料(ATF)的重要研究内容之一。然而,高铀密度芯块应满足的最基本准则、表征其核心性能的有效指标、研发中需要解决的重要问题等关键性、基础性问题尚未理清。本文从最初作为ATF燃料的U_(3)Si_(2)的研究进展入手,分析高铀密度芯块研发的内在逻辑,总结出最基本准则及其有效表征指标;从UN基高铀密度芯块的研究进展梳理研发的方向和需要解决的关键问题,为高铀密度芯块开展基础研究、性能实验和关键技术攻关提供有益参考。