[发明专利]一种分析裂变气体导致铀硅化合物核燃料膨胀行为的方法及系统

说明书

本发明公开了一种分析裂变气体导致U3Si2核燃料膨胀行为的方法。包括：建立用于计算铀硅核燃料气体原子扩散的速率理论模型；基于不同的边界条件和环境变量高精度拟合实验结果；计算不同温度下不同时间处气泡的大小及数目，计算不同温度下气体扩散行为导致的燃料膨胀率；计算膨胀点处裂变密度和瞬时裂变速率的关系并计算分析膨胀点处的气泡互连的形成原因。本发明可用于分析铀硅核燃料实验堆条件下的裂变气体导致核燃料膨胀行为。分析结果可靠，可重复性强，易于实现。

技术领域

本发明涉及材料科学领域，具体为一种分析裂变气体导致铀硅化合物核燃料膨胀行为的方法及系统。

背景技术

日本东部大地震和海啸所引起的福岛核电站事故引起了人们对氧化型核燃料安全性的质疑，由此激发了全球开发新型事故容错核燃料(ATF)以替代现有“二氧化铀燃料-锆合金包壳”体系的兴趣，以增强系统对核事故的耐受性。目前，拥有多种化合物种类的铀硅系列核燃料进入了人们的视野，铀硅化合物在辐照条件下具有良好的高温稳定性，以及相比UO2具有更高的铀密度(远超碳化铀和氧化铀)和导热率(与碳化铀相当)；另外，该材料也不易与水反应生成气体产物。上述这些优异性能使铀硅化合物具备较低的热能存储及较低的浓缩度，进而使其成为潜在的ATF候选材料。针对核燃料，裂变过程中所产生的气体将对其服役性能产生重要影响，气泡的产生将提高燃料的孔隙率，使其热导率降低；同时，也会导致裂变气体膨胀。而随着燃耗的增加，裂变气体原子的积累最终会导致晶间气泡的相互连接与裂变气体的释放，由此进一步损害燃料颗粒的热导率和完整性，并对包壳材料增加额外的压力，使包壳材料失效。

对于铀硅燃料的研究来说，国际上在研究堆条件下对铀硅燃料进行了一些研究，目前对于铀硅系列核燃料在LWRs(轻水反应堆)不同服役条件下的裂变气体原子、微观机理的研究成果还很少，国际上也有很多学者在进行这方面的研究，因此这方面的研究具有非常好的前景，而且对于后面铀硅化合物燃料的应用来说至关重要。

采用实验观测难以捕获气泡的扩散，传统的分子动力学模拟受原子振动的限制无法进行长时间的模拟。动态蒙特卡洛或者相场晶体方法能够模拟长时间的扩散行为，但是动态蒙特卡洛方法对于复杂的系统很难创建完整的目录，而相场晶体法主要解决熔点附近的高温凝固等问题，上述方法对于模拟长时间的气体原子扩散与核燃料失效行为等问题均具有一定的局限性。

发明内容

针对铀硅系列核燃料在轻水反应堆不同服役条件下的裂变气体原子行为和微观机理的研究缺少的问题，本发明提供一种分析裂变气体导致铀硅化合物核燃料膨胀行为的方法及系统，对铀硅化合物燃料的应用提供理论研究基础。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种分析裂变气体导致铀硅化合物核燃料膨胀行为的方法，所述方法包括：

根据铀硅裂变的实验数据建立铀硅化合物气泡演化速率理论模型，以及气泡膨胀模型；

根据建立的气泡演化速率理论模型和气泡膨胀模型，计算铀硅化合物失控位置处，不同温度下气泡在预设时间演化后的浓度分布；

依据所述浓度分布计算膨失控位置处裂变密度和瞬时裂变速率，以及失控位置处裂变密度和气泡密度的关系；

根据得到的裂变密度和瞬时裂变速率的关系，以及裂变密度和气泡密度的关系，计算不同裂变密度下气体原子演化行为导致的燃料膨胀率。

优选的，根据铀硅裂变的实验数据结合速率理论方法，建立气泡演化速率理论模型；

根据铀硅裂变的实验数据结合平均场理论，建立气泡膨胀模型。

优选的，所述实验数据包括气体原子和气泡的扩散参数。

优选的，所述气泡演化速率理论模型包括气体原子浓度、气泡浓度和气体原子数目方程：