TVS-2M燃料棒制造参数对堆内性能影响的不确定性研究

田湾核电站3、4号机组计划从首炉堆芯开始使用TVS-2M燃料。为了对前8个燃料循环中燃料棒稳态性能进行验证,根据保守性燃料制造参数进行选择,利用START-3程序开展了5个设计准则上的燃料棒性能校验工作。但是,上述传统方法的保守性并未得到验证,而且也无法开展燃料制造参数的敏感性研究。为此,将DAKOTA与START-3程序耦合,利用统计类的GRS方法,对田湾核电站3、4号机组中的TVS-2M燃料棒稳态性能的不确定性开展计算分析。结果表明:传统方法在燃料温度与包壳应力方面过于保守,而在包壳的轴向和径向应变方面则保守性不足;在燃料制造参数的敏感性方面,包壳内径和芯块外径的敏感度价值普遍较高;此外,燃料密度对燃料温度和燃料棒内压有较大影响。     

三维燃料棒精细化模拟软件FUPAC3D与FUPAC的对比验证研究

为验证基于三维有限元分析平台建立的三维燃料棒精细化模拟软件FUPAC3D在分析评价压水堆燃料棒辐照-热-力耦合行为方面的能力和精度,本文给出了三维FUPAC3D软件采用的热学模型、燃料棒力学模型、裂变气体释放模型以及腐蚀模型,以华龙一号典型燃料棒参数和运行工况作为输入参数,分别使用三维FUPAC3D软件和已工程化应用的1.5维FUPAC软件进行建模分析,并针对2种软件在芯块和包壳温度、包壳应力与应变、芯块与包壳间间隙宽度的计算结果进行对比研究。研究结果表明,FUPAC3D软件与FUPAC软件具有相当的精度,FUPAC3D软件具备压水堆燃料棒辐照-热-力耦合行为的精细化模拟能力。      

快堆燃料芯块压制成型技术研究

本文采用双向压制的方法制备MOX燃料芯块生坯,通过一系列实验,对压制压力、保压时间和成型剂添加量对燃料芯块生坯和烧结芯块性能的影响进行了研究,得到一套快堆燃料芯块压制成型的工艺技术参数：压制压力400 MPa、保压时间2 s、硬脂酸锌添加量0.4%（质量分数）。验证实验结果表明,采用上述工艺参数制出的生坯质量良好,烧结得到的芯块微观组织均匀、无宏观及微观缺陷,可用于快堆燃料芯块的制造,同时对其他类型燃料元件芯块制造有较好的参考作用。     

含掉块缺陷燃料棒的热力性能模拟研究

燃料棒制造过程中会不可避免地产生芯块掉块(MPS)缺陷,该缺陷有可能导致运行过程中燃料包壳局部应力超过受力限值,产生包壳失效。本研究借助ABAQUS软件,通过编写相应的用户自定义子程序,将燃料棒相关的辐照效应、热效应、间隙热传导模型等引入数值模拟计算,完成了对具有MPS缺陷燃料棒热力性能的分析。对比具有不同MPS缺陷尺寸燃料棒的热力学性能模拟结果,完成MPS缺陷尺寸对燃料棒热力性能的敏感性分析。模拟结果表明,MPS缺陷会造成燃料棒中心温度升高,并且在包壳内外表面上出现拉压应力交替的现象;MPS缺陷尺寸越大,该影响越显著。较大的掉块尺寸会对反应堆运行过程中燃料棒的结构完整性造成威胁,应引起注意。     

FCM燃料辐照-热-力耦合性能数值研究

使用ABAQUS软件编写相应的用户自定义子程序,初步建立了全陶瓷微封装燃料(FCM)的辐照-热-力耦合性能模拟方法,采用该数值方法对TRISO燃料球的堆内性能进行了模拟,并与程序BISON计算结果进行对比,验证了该模拟方法的有效性。同时,对FCM燃料的辐照-热-力耦合性能进行了数值模拟,结果表明,FCM燃料芯块的温度分布与力学分布均表现出较强的非均匀性,裂变气体释放对于FCM燃料的性能影响较大,FCM燃料内包覆层的环向应力与FCM芯块温度变化对于功率瞬态并不敏感。     

FCM燃料热学性能分析

研究了利用有限元分析软件ABAQUS对全陶瓷微封装燃料(FCM燃料)芯块进行热学性能分析的方法,并对FCM燃料芯块和传统UO_2芯块的热学性能进行了对比分析。研究结果表明:FCM芯块温度分布趋势与UO_2芯块相同,但具有较大不均匀性;典型压水堆运行工况下,FCM燃料芯块的燃料温度远小于UO_2芯块的温度;在相同线功率密度下,FCM芯块温度对燃耗变化不敏感;在相同燃耗下,FCM芯块随线功率密度增加温度升高的速率相比UO_2芯块更慢。     

燃料棒性能分析软件FRIPAC评估

为有效预测燃料棒堆内辐照行为,需将很多复杂物理现象的形成机理与实验观测相结合,建立合理的计算模型。中广核研究院有限公司开发的燃料棒综合性能分析软件FRIPAC考虑了运行过程中物理、化学、材料、热力学、辐照等综合效应对燃料棒性能的影响,可对堆内燃料棒行为进行合理预测。本文介绍了FRIPAC软件的物理模型,通过与实验数据的对比对软件进行了评估。结果显示,FRIPAC能准确预测芯块中心温度和裂变气体释放,验证了FRIPAC模型的正确性。后续将继续开展气腔体积、包壳腐蚀等模型的评估,并基于评估结果不断优化软件模型。     

芯块侧偏状态下的燃料棒温度场数值计算分析

燃料芯块侧偏状态下的燃料棒温度分布关系到反应堆燃料设计和安全运行。本文基于燃料棒的稳态扩散方程的一般形式,通过数值计算分析了芯块侧偏对燃料棒传热和温度分布的影响。结果表明:当燃料芯块侧偏时,芯块最高温度的位置向芯块侧偏的反方向偏移且最高温度下降,偏心率越大,最高温度的位置偏移程度越大,温降也越大。当偏心率e为0.5和0.8时,芯块最高温度分别下降1.3%和4.1%。而燃料棒包壳外壁面温度分布不均匀且最高温度随着偏心率的增大而升高,当偏心率e=0.8时,燃料棒包壳外壁面的最高温度为350℃,达到燃料棒的临界工作温度。     

燃料棒性能分析软件FUPAC中燃料棒径向功率密度分布模型研发

本文提出中子学-热力学部分因素分离方法(PPS),解决APS在模拟UO2-Gd2O3、IFBA等时存在的问题。为了使PPS方法更具工程实用性,对影响径向功率密度分布的因素进行敏感性分析,确定影响径向功率密度分布的关键参数,形成燃料棒热力学性能分析软件FUPAC中的径向功率密度分布模型。应用实测数据以及中子输运程序KYLIN-1精确计算结果,对本文提出的方法进行验证,结果表明:本文提出的方法具有较高精度,适用于UO2燃料、UO2-Gd2O3燃料以及IFBA等燃料棒的分析。     

燃料棒辐照-热-力耦合行为的精细化数值模拟研究

在反应堆运行过程中燃料棒具有复杂的堆内行为,准确可靠的堆内燃料行为预测对于反应堆安全计算、燃料设计需求及燃料性能评估都是所必须的。本研究考虑了UO2芯块与锆合金包壳的相关热效应与辐照效应,并考虑间隙气体热传导、辐射换热、接触热传导的影响;分别编制用户自定义子程序,将燃料棒材料的辐照效应、热效应以及间隙换热等引入商用有限元分析软件ABAQUS,建立了燃料棒辐照-热-力耦合行为的精细化数值模拟方法。     

压水堆燃料棒三维热-力学性能的精细模拟

压水堆燃料棒工作在复杂的辐照、热和力学环境中,对其性能进行定量评估涉及多种复杂的物理现象。目前常用的燃料性能分析程序一般对结构采用简化的轴对称假设,对辐照肿胀、辐照蠕变和高温蠕变等物理现象以及辐照-热-力等物理场之间的耦合考虑并不充分。基于ABAQUS有限元求解框架,开发了压水堆燃料棒三维热-力学性能的模拟程序,利用程序对压水堆燃料棒进行了稳态分析,以及升功率和反应性引入事故两种瞬态分析。结果表明:辐照引起燃料致密化和肿胀对燃料温度变化有重要影响;芯块应变增加主要是由裂变产物肿胀引起的;芯块几何结构导致包壳应力集中发生在芯块间的交界面处;燃料棒功率的急剧变化会加快芯块表面破裂的进程;反应性引入事故会导致芯块从内部开始破裂,并会引发芯块-包壳的接触。     

水堆燃料元件性能分析及程序FROBA开发

在详细分析芯块和包壳的辐照行为的基础上,开发了燃料元件性能分析程序FROBA,并对燃料元件的热工-机械-材料特性进行模拟分析,计算得到不同燃耗深度下燃料元件的温度、应变特性。通过与美国爱达荷国家实验室的软件计算结果进行对比,验证本工作开发程序的准确性。结果表明:在芯块和包壳接触前,芯块温度先上升,密实化消失后温度逐渐下降;接触后芯块温度会再次上升。     

Thermal Stress Analysis of High-Burnup LWR Fuel Pellet Pulse-Irradiated in Reactivity-Initiated Accident Conditions

For RIA-simulated experiments in the NSRR with high-burnup PWR fuel and BWR fuel, numerical analyses were performed to evaluate the temporal changes of profiles of temperature and thermal stress in pellet induced by pulse power, using the RANNS code. The pre-pulse states of rods were calculated using the fuel performance code FEMAXI-6 along the irradiation histories in commercial reactors and the results were fed to the RANNS analysis as initial conditions of the rod. One-dimensional FEM was applied to the mechanical analysis of the fuel rod, and the calculated cladding permanent strain was compared with the measured value to confirm the validity of the PCMI calculation. The calculated changes in the profiles of temperature and stress in the pellet during an early transient phase were compared with the measured data such as the internal gas pressure rise, cracks and grain structure in the post-test pellet, anddiscussed in terms of PCMI and grain separation. The analyses indicate that the pellet cracking appearances coincided with the calculated tensile stress state and that the compressive thermal stress suppresses the fission gas bubble expansion leading to grain separation.     

压水堆燃料辐照后燃料棒棒间距数据机器视觉测量方法研究

针对辐照后燃料棒棒间距数据获取和处理困难的问题，基于燃料棒几何特性及其在压水堆燃料组件中的排列方式，本文提出一种基于机器视觉的高效、可靠的燃料棒棒间距数据测量方法。该方法首先采用Retinex算法对水下燃料棒的采集图像进行增强预处理；然后，针对燃料棒阵列的前后成像干扰问题，采取边缘增强和逐行灰度特征处理方法实现待测燃料棒与背景燃料棒的有效分离，并进一步提升图像清晰度；最后，对燃料棒图像的单行灰度值进行二次曲线拟合，获得各个燃料棒的亚像素边缘点坐标。乏燃料组件的现场实验验证结果表明，该方法可一次性实现16个燃料棒棒间距测量，且测量精度达±0.32 mm，可为燃料性能分析提供高效、可靠的数据支持。      

乏燃料棒中关键核素径向分布特点及对废包壳测量准确度影响

废包壳是水法乏燃料后处理工艺首端高放固态废物的主要来源,通常采用非破坏性测量方法进行整体测量并分析其中残余的U、Pu等感兴趣关键核素的量,传统方法中多引用组件的平均燃耗作为分析计算的输入参数。但根据反应堆运行经验,乏燃料组件和乏燃料棒中燃烧生成的核素及残余U的浓度呈非均匀空间分布状态,这一特性增大了废包壳非破坏性测量分析结果的不确定度。本文采用模拟计算的方法重建乏燃料棒中感兴趣关键核素的径向分布特征,数据表明废包壳中感兴趣核素的质量浓度比与采用燃料棒平均燃耗计算的结果相差可达100%,由此建立了采用非均匀分布特性修正废包壳中感兴趣核素浓度测量分析方法。     

Effect of Fuel Pellet Eccentricity with Cladding on Fuel Rod Thermal Behavior under Reactivity Initiated Accident Condition

Fuel rod behavior under Reactivity Initiated Accident (RIA) conditions has been studied in the Nuclear Safety Research Reactor (NSRR), JAERI. In the experiments, cladding thermal behavior was observed to be influenced by the fuel pellet eccentricity to produce large azimuthal temperature variation in the cladding. The maximum azimuthal cladding temperature difference was measured to be as large as 150°C by thermocouples attached to opposite sides of the cladding around the circumference, though the thermocouples did not always detect the maximum temperature difference around the circumference. The actual temperature differences in the fuel rods subjected to less than 290 cal/g?UO₂ were estimated to be 350°C at maximum based on metallographies. A simple calculation considering gap conductance variations also showed that the maximum temperature difference became 350°C under fully eccentrical condition in the fuel rod subjected to 260 cal/g?UO₂. Moreover, as the rod damage such as cladding deformation, melting and failure occurs unevenly around the circumference due to the fuel pellet eccentricity in general, the fuel pellet eccentricity should influence the fuel rod failure under RIA conditions.     

压水堆燃料辐照性能多物理耦合并行分析程序开发

核燃料元件是反应堆的核心部件,其性能影响反应堆的安全性与经济性,利用燃料元件性能分析程序开展燃料堆内稳态辐照性能分析对于燃料设计及安全评价具有重要意义。通过开发燃料温度分布、变形计算、裂变气体释放及内压等模型,结合燃料元件热工-力学多物理耦合计算分析耦合方案,基于先进并行计算方法构建了高性能并行化燃料性能分析程序Athena。利用典型商用压水堆核电站数据及同类程序计算结果进行了程序初步验证,结果表明Athena程序计算结果合理可靠。通过定义堆芯功率及热工水力边界条件,程序能够并行开展压水堆全堆芯燃料辐照性能分析,提高燃料辐照性能分析效率,是数值反应堆原型系统（CVR1.0）的重要组成。     

200MW核供热堆含钆可燃毒物棒

介绍了轻水堆可燃毒物的发展和钆可燃毒物的各种性能，采用压电水堆核电厂燃料元件稳态分析程序ＦＲＡＰＣＯＮ－２，分析了２００ＭＷ核供热堆采用含钆可燃毒物棒的各种设计考虑，并根据其设计参数，对不同含钆量的可燃毒物棒进行了稳态工况的性能分析。     

基于替代材料的燃料棒熔化实验研究

为获得核反应堆燃料元件熔化以及熔融物扩展和消熔过程中的关键实验数据,本研究将典型压水堆中的燃料棒元件作为研究对象,在堆芯材料严重事故现象可视化研究实验装置FROMA上开展了低温条件下的燃料棒熔化实验。实验采用锌-铝的替代材料燃料棒,开展了单棒的熔化凝固可视化研究,获得了严重事故过程中燃料棒包壳的瞬态轴向温度分布特性以及熔融物扩展、迁移和再定位的动态过程。本研究基于实验数据对熔融物的流动、扩展和凝固、迁移等相关的物理现象和过程进行深入分析,为反应堆严重事故现象分析模型的开发提供了数据支持。