基于有限元計算的全陶瓷微封裝燃料芯塊等效熱導率與微結構設計

張旭東, 鄧俊楷, 馬大衍, 曹慧穎, 張瑞謙, 唐 睿

(1. 西安交通大學 金屬材料強度國家重點實驗室, 陜西 西安 710049; 2. 西安交通大學 網絡信息中心, 陜西 西安 710049; 3. 中國核動力研究設計院 反應堆燃料及材料重點實驗室， 四川 成都 610213)

全陶瓷微封裝燃料(FCM)芯塊是一種新型的事故容錯燃料，也是典型的多相復合材料，由 SiC 基體和分散其中的TRISO顆粒組成[1].TRISO顆粒具有多層包覆結構，一般為5層，從內到外依次為核心燃料UO2層，緩沖碳層Buffer 層、致密熱解碳層IpyC層、SiC層和致密熱解碳層OpyC層.TRISO顆粒各包覆層的作用都不盡相同.整體上，TRISO 顆粒的多層包覆結構為裂變產物提供了非常大的容納空間和緩沖作用.因此，TRISO燃料顆粒彌散于SiC基體中形成的FCM核燃料芯塊也表現出良好的結構穩定性和裂變產物容納性能，成為事故容錯燃料的主要研究方向之一[2-5].

FCM芯塊作為典型的復合材料，TRISO顆粒的含量、分布等對其熱導率均有較大影響[6-7].另一方面，TRISO顆粒作為特殊的分層多相結構，其包覆層結構也會影響顆粒整體的熱導率，進而影響FCM芯塊的熱導率[8].有諸多學者利用有限元方法開展了相關研究.例如，Liu等[9]利用有限元模擬對比研究了多種TRISO顆粒分布對FCM芯塊中最大溫度的影響.Wei等[10]提出了FCM燃料芯塊中多孔碳材料有效導熱模型的有限元模型.Li等[11]利用有限元方法研究了正常運行條件下壓水堆(PWR)燃料棒中兩層SiC包覆層的熱力學行為.目前對于分層TRISO顆粒，以及由TRISO顆粒與SiC基體構成的FCM芯塊復合結構，其有效熱導率……