UMo-Zr单片式燃料板结构改进研究

基于有限元分析软件ABAQUS将燃料包壳和芯体的辐照-热-力本构关系引入数值模拟计算，初步建立了UMo-Zr单片式燃料板堆内热力行为的模拟方法。基于该数值模拟方法，针对均匀辐照的工况，通过改变燃料芯体长度、宽度、厚度3个方向的尺寸和边角的形状，研究芯体结构对辐照后温度场和应力场的影响。研究结果表明，辐照后的温度场和应力场对芯体厚度方向的尺寸变化最敏感；对芯体边角处进行倒角处理能够减小辐照后的米塞斯（MISES）应力峰值。      

金属基弥散微封装燃料中TRISO燃料颗粒的尺寸优化设计

弥散微封装燃料是将包覆燃料颗粒弥散在基体中形成燃料芯块或者燃料棒，是目前耐事故燃料（ATF）中最具发展潜力的燃料之一。包覆燃料颗粒为三结构同向型（TRISO）或者两结构同向型（BISO）包覆燃料颗粒，基体可以是金属也可以是陶瓷。本文用有限元分析软件ABAQUS对金属基弥散微封装燃料进行了分析计算。通过分析TRISO燃料颗粒各包覆层厚度对燃料性能的影响，提出优化改进的建议。研究结果表明，疏松热解碳层（Buffer）厚度越大，燃料颗粒发生破损失效的燃耗越高，因此设计时应考虑增加其厚度；内部致密热解碳层（IPyC）厚度越大，其自身的最大环向拉应力越大，因此设计时应降低其厚度；碳化硅（SiC）层厚度越大，其自身环向压应力越小，因此设计时应降低其厚度。本文的研究结果可为金属基弥散微封装燃料的优化设计提供指导。      

UMo/Zr单片式燃料板起泡行为数值模拟

燃料板的鼓泡临界温度是制定研究试验堆安全系数的标准之一，通常由鼓泡退火实验确定。针对鼓泡退火实验，本研究发展了一种对UMo/Zr单片式燃料板宏观起泡行为进行计算模拟的方法，并计算分析了气腔内裂变气体原子数对鼓泡高度的影响，获得了包壳内的Mises应力和等效塑性应变随温度升高而演化的规律。研究发现，气腔周围包壳产生塑性变形是起泡的一个关键原因。此研究为燃料板起泡机理和关键影响因素分析打下了基础。     

热管堆固态堆芯典型栅元设计优化

热管堆固态堆芯设计是影响堆芯传热性能和结构完整性的关键问题。为避免固态堆芯设计中间隙热阻导致的温度和应力过大,本文建立了四种堆芯典型栅元的三维热力学模型,对不同填充物下间隙尺寸和栅元截面尺寸等关键参数进行了优化分析。结果表明,尽管高热导率的液态钠填充装配间隙能够有效降低燃料包壳和芯块温度,但热应力反而可能增大;圆管插入液态钠方案的热力学性能最优;固态堆芯方案中,六角管拼接氦气填充方案的热力学性能最优。      

锆基弥散微封装燃料在稳态运行条件下的失效机理研究

为实现锆基弥散微封装燃料（M3燃料）的优化设计，进一步提升其在轻水堆（LWR）运行环境下的可靠性，需对其在稳态运行条件下的失效机理进行研究。本研究借助于ABAQUS有限元软件，通过二次开发建立了M3燃料的辐照-热-力耦合性能三维数值模拟分析方法，并基于此分析方法对M3燃料在稳态运行条件下的失效机理进行了研究。研究结果表明，稳态运行期间M3燃料的失效主要以辐照初期内致密热解碳层（IPyC层）的失效、辐照中后期疏松热解碳层（Buffer层）与IPyC层分开再接触后导致的碳化硅层失效为主。该研究结果可为后续M3燃料的优化设计提供指导。      

锆基弥散微封装燃料等效传热系数数值模拟研究

为研究锆基弥散微封装燃料(M3燃料)的等效传热系数,假定TRISO(三层各向同性)颗粒球在锆基体内呈现体心立方排布,通过ABAQUS软件,基于均匀化理论,建立了M3燃料等效传热系数的模拟方法。依据建立的模拟方法,对不同相体积M3燃料的等效传热系数进行了研究分析。模拟结果显示:等效传热系数会随着温度的升高而升高、随燃耗和相体积的增加而降低。     

UN核芯TRISO包覆燃料颗粒性能分析

为分析致密热解碳层、内压等因素对TRISO包覆燃料颗粒热-力学性能的影响，基于多物理场耦合软件COMSOL建立了以UN为核芯的TRISO包覆燃料颗粒三维热-力学耦合模型，并通过IAEA CRP-6基准题进行了验证。利用本文模型对稳态运行及反应性引入事故（RIA）工况下典型TRISO包覆燃料颗粒的性能进行了分析，结果表明，正常运行工况下SiC层能维持结构完整性，但IPyC层存在失效风险，需进一步优化TRISO包覆燃料颗粒的设计方案，而RIA工况下热膨胀是造成TRISO包覆燃料颗粒发生结构失效的主要原因。该模型能对轻水堆运行环境下的TRISO包覆燃料颗粒进行复杂的多物理场耦合性能分析，为进一步优化FCM燃料元件设计打下基础。     

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。      

多物理场耦合TRISO颗粒堆内行为研究

三向同性燃料(TRISO)颗粒是高温气冷堆元件和弥散微封装燃料最核心的组成部分,在反应堆运行过程中,TRISO颗粒在辐照-热-力多物理场的作用下发生变形、产生温度梯度及颗粒内部裂变产物扩散等行为,为研究TRISO颗粒在高温气冷堆环境下的堆内行为,本文通过设置边界条件,定义燃料材料物性模型,建立了辐照-热-力耦合作用下TRISO颗粒的多物理场计算方法,应用三维有限元平台对TRISO颗粒的堆内行为进行分析。结果表明,TRISO颗粒核芯温度随核芯功率增大而增大,但相应的温度梯度绝对值变化较小;颗粒中疏松热解碳层(Buffer层)与内致密热解碳(IPyC)层产生间隙,且寿期末间隙尺寸随核芯功率增大而降低;TRISO颗粒中IPyC层受到较大拉应力,而SiC层只有在较高的核芯功率下,才会受到拉应力,且最大拉应力随核芯功率增大而增大,这导致高核芯功率下SiC层的失效概率达到2.2×10^-6。SiC层对¹¹⁰Ag、⁹⁰Sr、¹³⁷Cs等裂变产物具有优良的包容能力,在寿期末,SiC层以外几乎不存在裂变产物,这验证了T...