事故容錯燃料結(jié)構(gòu)對導熱性能影響的計算

張海青 盧林遠 王 鵬 嚴 超 林 俊

（中國科學院上海應用物理研究所 上海201800）

在核反應堆發(fā)展歷程中，二氧化鈾（UO2）核燃料由于具有熔點高（3 138.15 K）、非裂變組合元素氧的熱中子俘獲截面低（＜0.000 2 b）、在化學和結(jié)構(gòu)方面具有較高的輻照穩(wěn)定性，且制造費用較低等優(yōu)勢［1］，是輕水反應堆核電站廣泛應用的核燃料。UO2作為核燃料的顯著缺點是導熱性能較差（7.7 W·m-1·K-1，300 K）［2］，僅為金屬鈾的十幾分之一，這就降低了燃料芯塊到冷卻劑間的能量輸出效率。這意味著它的工作溫度相當高，約2 273.15 K。2011年日本福島核電站事故揭露了UO2核燃料低熱導率引發(fā)的核安全隱患［3］。在福島核事故后，為提高核反應堆中燃料元件抵抗嚴重事故的能力，美國能源部發(fā)起了“研制和開發(fā)事故容錯核燃料（Accident Tolerant Fuel，ATF）計劃”［3］，這種燃料與標準的輕水反應堆UO2燃料鋯合金包殼相比，在保持或提高反應堆正常運行工況下燃料性能的同時，當堆芯主動冷卻系統(tǒng)功能喪失后，維持冷卻狀態(tài)的時間更長，安全裕度更高。

中國在響應國家安全高效發(fā)展核電的政策下，也啟動了相關的研發(fā)計劃，旨在通過研發(fā)事故容錯UO2核燃料來推動新一代核燃料元件的開發(fā)與應用。此類燃料是通過在UO2燃料基體中添加高熱導率的物質(zhì)，如氧化鈹（BeO）［4］、碳納米管［5］或碳化硅（SiC）纖維［6］等，來提高其熱導率，降低其工作溫度。此類燃料體系的優(yōu)勢在于對工業(yè)制造體系的改動小、制造成本低。

目前，國內(nèi)外關于事故容錯熱導率增強型UO2核燃料的研究關注點主要在于制備工藝的優(yōu)化和導熱性能的改善。……