U1-xThxO2混合燃料力學(xué)性能的分子動力學(xué)模擬*

辛勇 包宏偉 孫志鵬 張吉斌 劉仕超 郭子萱王浩煜 馬飛? 李垣明?

1) (中國核動力研究設(shè)計院, 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)重點實驗室, 成都 610213)

2) (西安交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 金屬材料強度國家重點實驗室, 西安 710049)

1 引 言

二氧化鈾(UO2)陶瓷燃料是目前商用反應(yīng)堆的主要核燃料, 包括壓水堆、輕水堆及重水堆等,具有熔點高、抗輻照性能好、與包殼和冷卻劑相容性好等優(yōu)點[1,2].然而, 隨著反應(yīng)堆向長周期、高燃耗的方向發(fā)展, 工況條件愈加苛刻, UO2核燃料在高溫、氣態(tài)和固態(tài)核裂變產(chǎn)物及高能粒子沖擊等多種因素的作用下, 將導(dǎo)致燃料內(nèi)部熱應(yīng)力升高、晶格畸變甚至相變、腐蝕等作用, 嚴重限制燃料燃耗及安全性[3,4].為提高核動力效率以及反應(yīng)堆安全性能, 尋求高熱力學(xué)穩(wěn)定性、抗輻照腫脹性能優(yōu)異的核燃料至關(guān)重要.

目前各國常采用的改進方法為通過摻雜形成混合氧化物燃料(MOX)[5].釷(Th)元素, 在地殼中的含量是U的3至4倍, 不易裂變, 與UO2無限互溶形成U1—xThxO2固溶體混合燃料, 具有更高的熔點、熱導(dǎo)率和抗氧化性能[6-8].目前至少5%核燃料為U1—xThxO2MOX, 廣泛存在于核燃料循環(huán)的各個階段.核燃料循環(huán)過程中, 高的熱應(yīng)力導(dǎo)致燃料芯塊變形甚至斷裂, 造成裂變氣體釋放, 使熱導(dǎo)率降低, 大大提高了芯塊包殼界面的失效概率,嚴重影響反應(yīng)堆安全運行[9,10].然而, 受限于實驗條件, 目前關(guān)于U1—xThxO2混合燃料熱力學(xué)行為的研究仍具有較大挑戰(zhàn).利用分子動力學(xué)(molecular dynamics, MD)模擬, 可從原子尺度準確描述基于UO2燃……