核燃料元件材料热力学数据库的建立及其在核材料设计中的应用

摘要

核能是一种重要的新能源,而核材料将是实现核反应堆安全、高效运行的重要物质保障。核燃料元件(核燃料+包壳)材料是核反应堆材料中的重要组成部分。由于核燃料元件材料的研究受到苛刻的实验条件限制,通过大量实验尝试的传统材料研究方法不适合于该材料的研发。为了设计高性能的核燃料元件材料,有必要掌握相关的相图和热力学信息。本论文基于计算相图的方法(CALPHAD),对核燃料元件材料常用元素组成的体系进行了热力学优化与计算,并在此基础上建立了核燃料元件材料的热力学数据库,主要研究工作如下:
　　 (1)基于文献报道的U-X(X:Pb,Sn,Rtt,Re),Pu-X(X:Pb,Ru,O)和Th-X(X:Re,O)各个二元系的热力学参数和实验相图信息,首次优化与计算了U-X(X:Pb,Sn,Ru,Re),Pu-X(X:Pb,Ru,O)和Th-X(X:Re,O)共计9个二元系的相图。根据本研究所得的热力学参数,可以计算该系列二元系的相图及相关热力学性能。
　　 (2)基于文献报道的U-Mo-X(X:Cr,Nb,Ti,V.Zr),U-B-X(X:Cr,Fe,Mo,W),U-C-X(X:Al,B,Fe,Si),U-Cr-Nb,Fe-Nb-Zr和Fe-Sn-Zr等各个三元系的实验相图信息,首次优化与计算了共计16个三元体系相图,并利用完整的基础二元系的评估结果,外推计算了Fe-Nb-Sn,Nb-Sn-Zr,U-Th-O和U-Pu-O等4个三元系的相图。根据本研究所得的热力学参数,可以计算该系列三元系的相图及相关热力学性能。
　　 (3)综合本人硕士和博士的研究成果,并收集国内外期刊上的相关热力学研究报道,初步建立了包括U,Pu,Th,Al,B,C,Co,Cr,Cu,Fe,Mg,Mn,Mo,Nb,Ni,O,Pb,Re,Ru,Si,Sn,Ti,V,W,Zr等共25个元素组成的核燃料元件材料的热力学数据库,并举例探讨了数据库在核燃料元件材料设计中的应用。
　　 该热力学数据库所含信息量巨大,利用该数据库可以计算稳态与亚稳态相图、各种热力学性质、模拟合金平衡和非平衡状态下的凝固过程等。利用这些信息,可以为核燃料及包壳材料的合金设计提供重要的理论依据。