微型UO2-Mo燃料性能的多物理场全耦合分析

摘要

微型UO2-Mo核燃料具有较高的热导率,被视为一种具有很好应用前景的事故容错燃料.实验上已对其热学性质进行了测量和研究.本研究工作对改进材料热性能的微型UO2-Mo核燃料应用于轻水堆进行建模分析.完全耦合计算考虑的主要的燃料性能分析模型有:热量的产生和传递、元素的扩散、热力学模型(热膨胀、弹性形变、燃料密实化、裂变产物的肿胀应变)、晶粒的生长、裂变气体的产生和释放、气隙热传递模型、燃料和包壳的力学接触模型、内压及汇流槽容积、包壳热和辐射蠕变以及包壳氧化模型.所有的这些模型方程建立在由燃料和包壳组成的二维轴对称几何模型上,并通过有限元方法求解.计算结果同时与其他事故容错燃料(UO2-4.2vol％BeO,UO2-10vol％SiC以及U3Si2)的性能进行对比分析.通过计算发现:U3Si2具有最低的燃料中心温度但气隙闭合时间最早,而相比UO2-4.2vol％BeO和UO2-10vol％SiC复合燃料,微型UO2-5vol％Mo燃料具有更低燃料中心温度、更少的裂变气体的释放量及更低的内压,具有更优的综合性能,因而有望应用为事故容错燃料.