一种快速预测陶瓷核燃料辐照肿胀行为的方法

本发明属于核燃料材料计算领域，具体涉及一种快速预测陶瓷核燃料辐照肿胀行为的计算方法。

背景技术：

1、核电作为一种清洁、高效的非化石类能源，近年来为世界许多国家应对环境恶化、缓解能源危机发挥了极其重要的作用。安全性与经济性是核电发展特别关注的两个重要方面，核电技术的核心是核反应堆技术，而核燃料又是核反应堆的核心部件，是核反应堆的能量来源，其综合性能，特别是辐照行为对保证和提高核能的安全性与经济性具有十分重要的影响。

2、陶瓷核燃料是目前核反应堆中应用最为广泛的核燃料，其在堆内辐照过程中会产生大量的固态及气态裂变产物，如氙(xe)、氪(kr)等。这些裂变产物，特别是其中的裂变气体，会在燃料中聚集形成气泡，随后不断长大。由于长大后的气泡体积比原来发生裂变反应的原子体积要大得多，因此会对燃料产生肿胀。随着气泡的不断长大，肿胀不断增加，当肿胀增加到一定程度，会在燃料内部产生裂纹，最终会导致燃料元件的失效。

3、由于开展核燃料的堆内辐照试验研究需要大量的科研经费投入和长时间的实验数据积累，而数值模拟计算可以显著缩短研究周期，因此，快速预测陶瓷核燃料辐照肿胀行为对于核燃料的堆内辐照行为评估以及新燃料的快速研发具有重要的意义。

技术实现思路

1、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

2、一种快速预测陶瓷核燃料辐照肿胀行为的方法，借鉴金属材料中第二相粒子长大的ostwald ripening机制，结合相关物理理论，建立核燃料辐照过程中裂变气体气泡长大的数学物理模型及计算方法，然后基于核燃料的基本物性参数以及反应堆内的辐照环境参数，经过计算即可直接获得核燃料的福照肿胀行为。具体包含以下步骤：

3、步骤1：建立核燃料辐照过程中的裂变气体原子浓度计算模型；

4、步骤2：建立核燃料辐照过程中的裂变气体形成气泡后的半径计算模型；

5、步骤3：建立核燃料辐照过程中裂变气体气泡中气体物质的量的计算模型；

6、步骤4：建立核燃料辐照过程中裂变气体气泡浓度计算模型；

7、步骤5：建立核燃料辐照过程中因裂变气体气泡导致的肿胀计算模型；

8、步骤6：建立核燃料辐照过程中因固态裂变产物导致的肿胀计算模型；

9、步骤7：建立核燃料辐照过程中的肿胀计算方法。

10、其中，所述步骤1中，核燃料辐照过程中的裂变气体原子浓度计算模型的表达式为：上式中， 表示燃料中裂变气体原子的平均浓度；表示裂变气体的产额；表示燃料的裂变速率；表示时间。

11、其中，所述步骤2中，核燃料辐照过程中的裂变气体形成气泡后的半径计算模型的表达式为：上式中，表示燃料中裂变气体气泡的平均半径；表示燃料中裂变气体原子的扩散系数；表示燃料的弹性模量；表示燃料中位错滑移的伯氏矢量大小；表示燃料的表面张力；表示燃料的剪切模量；表示气体常数；表示绝对温度；表示阿伏伽德罗常数；表示燃料辐照过程中所受的外压。

12、其中，所述步骤3中，核燃料辐照过程中裂变气体气泡中气体物质的量的计算模型的表达式为：上式中，表示平均半径为的裂变气体气泡中所含裂变气体的物质的量；、和表示气体状态方程参数。

13、其中，所述步骤4中，核燃料辐照过程中裂变气体气泡浓度计算模型的表达式为：上式中，表示燃料中裂变气体气泡的浓度。

14、其中，步骤5中，核燃料辐照过程中因裂变气体气泡导致的肿胀计算模型的表达式为：上式中，表示核燃料辐照过程中因裂变气体气泡导致的肿胀。

15、其中，步骤6建立核燃料辐照过程中因固态裂变产物导致的肿胀计算模型的表达式为：上式中， 表示核燃料辐照过程中因固态裂变产物导致的肿胀；表示裂变产物的产额；表示裂变产物的原子体积；表示燃料的原子体积。

16、其中，步骤7中，核燃料辐照过程中的肿胀计算方法的表达式为：上式中，表示核燃料辐照过程中因产生的固态裂变产物和裂变气体共同导致的肿胀。

17、通过本发明所述方法，能够基于核燃料的基本物性参数以及反应堆内的辐照环境参数，经过计算即可直接获得核燃料的福照肿胀行为，无需额外开展核燃料样品的辐照实验，从而能够快速反映被研究核燃料的堆内辐照行为，缩短研发周期。

技术特征：

1.一种快速预测陶瓷核燃料辐照肿胀行为的方法，其特征在于：包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种快速预测陶瓷核燃料辐照肿胀行为的方法，其特征在于：所述步骤1中，核燃料辐照过程中的裂变气体原子浓度计算模型的表达式为：上式中， 表示燃料中裂变气体原子的平均浓度；表示裂变气体的产额；表示燃料的裂变速率；表示时间。

3.根据权利要求1所述的一种快速预测陶瓷核燃料辐照肿胀行为的方法，其特征在于：所述步骤2中，核燃料辐照过程中的裂变气体形成气泡后的半径计算模型的表达式为：上式中，表示燃料中裂变气体气泡的平均半径；表示燃料中裂变气体原子的扩散系数；表示燃料的弹性模量；表示燃料中位错滑移的伯氏矢量大小；表示燃料的表面张力；表示燃料的剪切模量；表示气体常数；表示绝对温度；表示阿伏伽德罗常数；表示燃料辐照过程中所受的外压。

4.根据权利要求1所述的一种快速预测陶瓷核燃料辐照肿胀行为的方法，其特征在于：所述步骤3中，核燃料辐照过程中裂变气体气泡中气体物质的量的计算模型的表达式为：上式中，表示平均半径为的裂变气体气泡中所含裂变气体的物质的量；、和表示气体状态方程参数。

5.根据权利要求1所述的一种快速预测陶瓷核燃料辐照肿胀行为的方法，其特征在于：所述步骤4中，核燃料辐照过程中裂变气体气泡浓度计算模型的表达式为：上式中，表示燃料中裂变气体气泡的浓度。

6.根据权利要求1所述的一种快速预测陶瓷核燃料辐照肿胀行为的方法，其特征在于：所述步骤5中，核燃料辐照过程中因裂变气体气泡导致的肿胀计算模型的表达式为：上式中，表示核燃料辐照过程中因裂变气体气泡导致的肿胀。

7.根据权利要求1所述的一种快速预测陶瓷核燃料辐照肿胀行为的方法，其特征在于：核燃料辐照过程中因固态裂变产物导致的肿胀计算模型的表达式为：上式中， 表示核燃料辐照过程中因固态裂变产物导致的肿胀；表示裂变产物的产额；表示裂变产物的原子体积；表示燃料的原子体积。

8.根据权利要求1所述的一种快速预测陶瓷核燃料辐照肿胀行为的方法，其特征在于：所述步骤7中，核燃料辐照过程中的肿胀计算方法的表达式为：上式中，表示核燃料辐照过程中因产生的固态裂变产物和裂变气体共同导致的肿胀。

技术总结
本发明涉及一种快速预测陶瓷核燃料辐照肿胀行为的方法，本方法借鉴金属材料中第二相粒子长大的Ostwald Ripening物理机制，结合相关物理理论，建立核燃料辐照过程中裂变气体气泡长大的数学物理模型及计算方法，然后基于核燃料的基本物性参数以及反应堆内的辐照环境参数，经过计算即可直接获得核燃料的辐照肿胀行为。本发明可用于针对陶瓷核燃料辐照肿胀行为的快速预测，无需额外开展核燃料样品的辐照实验，从而能够快速反映被研究核燃料的堆内辐照行为，因而可降低新型核燃料的研发成本，缩短研发周期。本发明的计算模型简洁，计算过程简单，对计算相关的辅助条件无苛刻要求，易于实现。

技术研发人员：肖红星,陈洪生,龙冲生,彭小明,冷雪松,王朋飞,陈勇
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学（深圳）（哈尔滨工业大学深圳科技创新研究院）
技术研发日：
技术公布日：2024/4/29