Presentazioni e Articoli Tecnici

环形U-10Zr燃料被认为是快堆中实现超过30 at.%超高燃耗的候选燃料之一。然而，其辐照行为与圆柱形燃料显著不同，包括快速裂变气体释放、非均匀裂变气泡分布，以及部分燃料棒在仅3～4 at.%燃耗下内孔接近闭合。为阐明这些机制，本文基于COMSOL平台针对环形U-10Zr燃料开发了一个多物理场耦合代码ANTHEM 2.0（Annular Nuclear Thermo-Mechanical Multiphysics 2.0）。该代码耦合了传热、热膨胀、燃耗、蠕变、组分再分布、分组气泡演化、裂变气体释放、气室压力、固体裂变产物肿胀、气态裂变产物肿胀、接触和摩擦。基于辐照后观察结果，还引入了修正的Fick-Soret迁移模型、等效气膜热阻以及开口气泡体积修正。结果表明，ANTHEM能够再现实验的主要特征。对于3A R4燃料棒在3.2 at.%燃耗下，计算得到的燃料峰值温度为933 °C，包壳内表面温度为530 °C，内孔直径减小至约0.96 mm，裂变气体释放分数达到约0.74，中心区域的锆原子分数达到0.60。机理分析表明，内孔接近闭合是由接触应力驱动的向内肿胀、轴向摩擦、热阻增加以及开口气泡体积贡献增强等因素共同作用的结果。在这些因素中，闭合-开口-闭合气泡分区主要归因于静水应力分布。环形区域相对较弱的压应力促进气泡相互连通形成开放气泡，而内侧肿胀区域及靠近包壳处较强的压缩作用则抑制开放气泡形成。