气泡相互作用对燃料颗粒应力分布的影响

本工作建立了受气泡内压作用的双气泡UO2模型，利用有限元方法得到燃料颗粒受气泡内压作用、不同气泡间距条件下的燃料颗粒应力分布结果，并讨论了气泡间距、气泡半径和气泡内压对气泡之间相互作用的影响。研究结果表明，受气泡相互作用的影响，燃料颗粒内部产生了应力集中，应力集中倍率与气泡间距和气泡半径的比值（距径比）有关，与气泡内压无关。当距径比等于1时，应力集中倍率约为未考虑气泡相互作用影响时的2倍。当气泡尺寸不同时，应力集中主要发生在靠近小气泡的燃料基体处。     

弥散燃料颗粒裂纹起源的有限元模拟分析

通过建立含多气泡的燃料颗粒模型,采用有限元方法分析了燃料颗粒在裂变气体气泡内压作用下的应力分布,统计了燃料颗粒内部气泡位置对气泡内壁处的最大拉应力的影响,并结合实验结果探寻了弥散燃料颗粒在辐照后退火时的裂纹起源。结果表明:当弥散燃料颗粒内部含有多个裂变气体气泡时,受气泡内压作用,气泡内壁径向应力为压应力,环向应力为拉应力;气泡位置距燃料颗粒心部越远,气泡内壁处的最大环向拉应力越大;表层气泡的最大环向拉应力远大于心部气泡的;燃料颗粒裂纹起源于表层气泡内壁。     

UO_2-Zr弥散燃料板氧化扩散机理研究

UO2-Zr弥散燃料板的氧化过程包括包壳与冷却剂的氧化反应和芯体中弥散的UO2燃料微球氧原子扩散过程。本文通过直接求解球坐标系下的氧化扩散方程,得到UO2燃料微球高温下向芯体中氧原子扩散强度的解析式,该式与实验数据符合良好,并结合锆水反应与UO2燃料微球高温氧原子扩散效应构建了UO2-Zr板的氧化扩散模型。新模型能预测不同的氧化结构、芯体中更高的氧原子浓度以及相对较低的氧化吸氧量,为UO2-Zr板严重事故早期行为的研究提供了理论基础。     

UO2-碳纳米管复合燃料导热性能研究

设计和制备了UO₂-碳纳米管（MWNTs）复合燃料芯块,研究了复合燃料的导热性能,分析了影响复合燃料热导率的关键因素。结果表明：复合燃料热导率主要与MWNTs的体积含量、界面和MWNTs的长径比有关。复合燃料的热导率随MWNTs体积含量的增加而升高,当体积含量超过10%时,提升效果进一步加强;界面对复合燃料的热导率影响显著,在1 521 ℃以上,UO₂会与MWNTs发生界面反应生成UC等界面相,阻碍了燃料热导率的提高。在1 450 ℃,热压烧结芯块的热导率提高25.65%,在1 650、1 700和1 750 ℃,无压烧结芯块的热导率分别提高了22.67%、20.32%和18.3%;复合燃料热导率随着MWNTs长径比的增大而升高,掺杂MWNTs的长径比分别为3×10³、5×10³、7×10³和9×10³时,燃料热导率分别提高了18.3%、19.93%、22.42%和25.09%。     

UO_2-多壁碳纳米管复合燃料芯块的制备工艺

分别采用热压烧结与无压烧结工艺制备了掺杂5%~20%多壁碳纳米管(MWNTs)的UO2复合燃料芯块,分析了芯块的性能。结果表明:乙醇湿法球磨可将MWNTs均匀分散到UO2基体中;热压烧结芯块随MWNTs含量的增加,芯块密度逐渐下降,MWNTs含量为5%的芯块密度为96.7%TD;无压烧结芯块随MWNTs含量的增加,芯块密度先升高后降低,MWNTs含量为12.5%的芯块密度最高,为97.2%TD;1 400℃、50 MPa热压烧结工艺,MWNTs与UO2基体未发生反应;1 750℃无压烧结工艺,MWNTs与UO2基体产生微弱反应生成少量UC相;SEM显示,MWNTs在UO2基体以沿晶和穿晶状态分布;在250℃,热压烧结UO2-10%MWNTs芯块热导率为6.76 W/(m·K),提高了20.28%;无压烧结UO2-12.5%MWNTs芯块热导率为6.65 W/(m·K),提高了18.33%。     

UO2燃料燃耗对高放废物管理的影响研究

从乏燃料的不同燃耗引起放射性和化学组成的变化出发,分析乏燃料经后处理后的衰变热、Mo及贵金属含量对玻璃固化工艺和玻璃固化体储存的影响,计算得到了不同燃耗乏燃料制得的高放玻璃的数量。计算结果认为：对于冷却8 a的乏燃料,决定玻璃固化体包容量的不是高放主组分的热功率;对于燃耗小于40 GW•d/tU的乏燃料,决定玻璃固化体包容量的是Mo元素含量;当燃耗大于45 GW•d/tU时,贵金属含量成为决定玻璃固化体包容量的主要因素,同时UO₂燃料燃耗与高放玻璃固化体数量上存在线性关系,燃耗增加会导致高放废物玻璃固化体数量增加。随着燃耗的增加,以Mo含量及贵金属含量计算得到的玻璃固化体数量比以衰变热计算得到的玻璃固化体数量多,因此,高放废物玻璃固化前将Mo及贵金属进行分离有利于减少高放废物玻璃固化体数量。对于UO₂燃料,燃耗加深对于高放废物玻璃固化体暂存时间几乎无影响。     

螯合剂对铀在小鼠体内分布的影响研究

铀在生物体内的化学形态及分布是评价铀毒性的基础。文章通过尾静脉注射给药方式研究螯合剂对染铀小鼠体内铀分布的影响。通过建立包含主要体液金属离子、小分子配体及UO₂²⁺与螯合剂的热力学平衡模型,采用数值模拟方法研究UO₂²⁺在血液中的形态。实验结果表明：DTPA易与UO₂²⁺形成［(UO₂)₂(OH)DTPA］^2-,对小鼠血液中的UO₂²⁺有明显的促排作用,但在促排的同时对小鼠的肾脏和骨骼有损伤;抗坏血酸对小鼠体内各组织器官的铀促排几乎无作用,但形成的［(UO₂)₂(OH)Ascorbate］²⁺会阻碍肾脏中U(Ⅵ)的代谢;NTA对小鼠体内各组织器官铀的促排作用小,并会促使体内出现固相(UO₂)₃(PO₄)₂·4H₂O,对骨骼有较强的损伤作用,不适合作为铀的促排剂。     

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。     

掺杂Cr2O3对UO2芯块烧结行为的影响

提高燃料燃耗的一个有效手段是通过增大UO₂晶粒尺寸来减少元件内部气体压力,在大晶粒UO₂芯块中,裂变气体到达晶界表面的距离增加,因而裂变气体的释放速率降低,元件内部气体压力的增高缓慢。本文研究了添加Cr₂O₃对UO₂晶粒尺寸的影响。对纯UO₂、添加0.5% Cr₂O₃及5% Cr₂O₃ 3种配方的芯块进行了试验,在5%H₂Ar保护下,以10 ℃/min和5 ℃/min的升温速率升温至1 700 ℃,然后烧结2 h或4 h,对比纯UO₂芯块与添加Cr₂O₃的芯块发现,添加Cr₂O₃可有效增大晶粒尺寸;较长的烧结时间可促进晶粒长大;较低的升温速率也使晶粒长大。烧结过程产生液相烧结,液相浸润晶粒边界,促进晶粒长大。     

IMF燃耗特性与次锕系核素产量分析

在轻水堆中采用惰性基质燃料(IMF)能有效地从源头上降低乏燃料中次锕系核素(MA)的含量。为了研究IMF的燃耗特性,选取两种典型IMF方案PuO2+ZrO2+MgO和PuO2+ThO2,开展不同PuO2含量下IMF燃耗反应性计算,并与UO2燃料以及MOX燃料进行比较分析。结果表明:在总燃耗时间为1 095d情况下,两种IMF方案中PuO2体积分数为2%~10%时,其寿期末kinf均大于1,但PuO2+ZrO2+MgO方案的燃耗反应性波动大于PuO2+ThO2方案,PuO2+ThO2方案燃料寿期末MA的含量明显小于前者;在同一等效重金属质量分数下,MOX、UO2燃料寿期末MA的含量均大于两种IMF。     

包覆燃料颗粒应力的有限元分析

高温气冷堆的燃料元件由包覆燃料颗粒弥散在石墨基体中组成。在反应堆运行过程中,辐照及各复杂的物理化学反应产生的应力会使包覆燃料颗粒发生破损,对包覆燃料颗粒进行应力分析是评价燃料元件和反应堆运行安全性能的主要内容之一。本文基于压力壳模式,主要考虑内压作用下的球形壳层应力及包覆燃料颗粒的非球形因素,用有限元法对应力进行了分析。     

高温气冷堆大晶粒二氧化铀核芯研究

大晶粒的UO₂核芯可更有效地阻止反应堆运行时裂变气体的释放,实现反应堆燃耗的加深和延长反应堆燃料元件的运行寿命。采用溶胶凝胶工艺制备高温气冷堆燃料元件的UO₂核芯,在胶液中加入含有Al的化合物Al(NO₃)₃•9H₂O,以增大核芯晶粒尺寸。研究了添加剂对核芯晶粒尺寸的影响及烧结过程中分解的O离子与核芯U离子的扩散系数之间的关系。通过添加含有Al的化合物,UO₂核芯的平均晶粒尺寸由18μm增加到30μm。对添加Al(NO₃)₃•9H₂O的UO₂核芯的烧结机理研究表明,UO₂核芯晶粒的长大主要受空位扩散机制的影响。     

高燃耗陶瓷燃料颗粒的参数化建模及强度分析

弥散燃料芯体中的陶瓷燃料颗粒在辐照条件下会形成裂变气孔,燃料颗粒内部气孔间的相互干涉作用及气孔内压的增长致使局部拉应力超过材料强度极限,进而导致燃料颗粒开裂。本文考虑高燃耗燃料颗粒内气孔尺寸和位置分布的非均匀性,实现了颗粒内部的细观结构参数化建模。运用有限元方法计算并分析了气孔尺寸、基体约束压应力、温度和气孔分布方式对颗粒内部最大拉应力的影响,研究了颗粒内开裂危险区的分布规律。结果表明,陶瓷燃料颗粒最大拉应力随气孔尺寸和温度的增加而增大,随基体约束压应力的增加而减小;燃料相的断裂强度减小,开裂危险区面积增大;燃料颗粒从内部多处开裂破坏,而表层处开裂的概率更大。本文为弥散燃料失效研究及优化设计提供了分析方法及数值参考。     

包覆颗粒燃料分布随机性的影响研究

高温气冷堆采用弥散在石墨基体中的包覆颗粒燃料。包覆颗粒在燃料球内的离散分布及燃料球在堆芯内的离散分布共同导致了燃料分布的双重不均匀性,其分布还具有随机性,由此可能对反应堆的某些参数造成影响。建立适当燃料颗粒随机分布的几何模型,并用MCNP对模型进行相关计算,并与规则分布模型相比较,分析了分布的随机性对有效增殖因数的影响。结果显示,燃料颗粒随机分布会使全堆有效增殖因数较规则模型的稍大,两种模型偏差的主要原因在于两种颗粒排列方式在空间和角度分布的不同。     

碳化硅基新型包覆燃料颗粒的设计及制备

TRISO型包覆燃料颗粒可将核裂变产生的气体、固体裂变产物束缚在燃料颗粒内部,是高温气冷堆安全性的重要保障。为满足未来超高温气冷堆在更高温度及更高燃耗条件下对燃料元件的要求,需对传统TRISO颗粒进行优化和改进。基于包覆颗粒的破损机制,设计了两种SiC基新型包覆颗粒,一种采用疏松SiC层替代疏松热解炭层,包覆层由内而外依次为疏松SiC层、内致密热解炭层、致密SiC层、外致密热解炭层;另一种为全SiC包覆结构,包覆层由内而外依次为内层疏松SiC层、SiC过渡层、外层致密SiC层。根据结构设计,采用流化床化学气相沉积法实验探索了疏松SiC的形成机制及包覆工艺条件,并利用SEM、XRD等进行材料分析,最终成功实现了两种新型包覆颗粒的大规模制备。更进一步,提出了全SiC基燃料元件的概念,并制备了球形和柱形全SiC基模拟燃料元件。     

包覆燃料颗粒制备的自动化控制系统设计与研制

针对高温气冷堆包覆燃料颗粒生产逐渐规模化大批量发展的趋势,原制备工艺的手动控制体系已不能适应,需发展现代化工业级别的包覆燃料颗粒制备自动化控制系统。针对TRISO型包覆燃料颗粒4层连续包覆工艺进行分析,将包覆炉系统划分为5个子系统,将整个包覆过程分解为9个操作状态,提出建立分布式控制系统（DCS）自动化控制系统的思路。根据对包覆颗粒制备工艺的严格要求提出了控制系统设计原则,包括连锁控制、安全可靠、集成规范、实用易用、开放和易更新原则,并在具体建设过程中实现了这些原则要求,建立起一套完整的包覆燃料颗粒制备工艺自动化控制系统。该系统在我国高温气冷堆示范工程项目辐照样品的生产中投入运行,经实践检验,证明该系统可较好地实现包覆燃料颗粒制备工艺控制,满足工厂规模的生产要求。