一种掺杂二氧化铀陶瓷燃料力学性能的计算方法

本发明属于核能，具体涉及核反应燃料的性能，特别是一种基于机器学习的掺杂二氧化铀陶瓷燃料力学性能的计算方法。

背景技术：

1、二氧化铀陶瓷燃料因其具有核性能好、熔点高、辐照稳定性优异、与包壳和冷却剂的相容性好等的性能优点，是目前商用压水堆的主要燃料。随着核电站对高燃耗和长周期换料的需求日益提高，二氧化铀陶瓷燃料面临更加苛刻的堆内反应条件。因此，提升二氧化铀陶瓷燃料的性能指标是新型核燃料研发亟需解决的重要问题。

2、通过掺杂改性及组分调控是提高二氧化铀陶瓷燃料反应性能的有效途径，前期研究表明二氧化铀燃料进行元素掺杂可以有效提升燃料的性能指标并延长燃料元件的反应寿命。通过在二氧化铀燃料中引入金属氧化物固溶体，在烧结制备过程中可以促进二氧化铀晶粒生长，大尺寸晶粒有助于延长裂变气体产物的扩散距离，从而抑制裂变气体产物的释放，进而提高燃料的燃耗深度及其抗辐照肿胀能力。此外，在高辐照剂量和深燃耗条件下，二氧化锆掺杂二氧化铀燃料的导热性能也明显优于传统的二氧化铀陶瓷燃料。掺杂改性不仅对二氧化铀陶瓷燃料的抗辐照肿胀性能和热物理性能有重要的增强作用，而且还会影响二氧化铀陶瓷燃料的力学性能。但是，目前国内外对辐照过程中掺杂二氧化铀陶瓷燃料力学性能的研究还比较少，因此开展掺杂二氧化铀陶瓷燃料力学性能的预测和计算研究对于准确评估燃料元件反应行为具有重要意义。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明主要提供一种掺杂二氧化铀陶瓷燃料力学性能的计算方法，包括下列步骤：步骤1：计算不同掺杂含量和不同燃耗的掺杂二氧化铀陶瓷燃料的组成成分；步骤2：根据步骤1的计算结果，制备相应的模拟辐照二氧化铀陶瓷燃料；步骤3：测量不同模拟辐照二氧化铀陶瓷燃料的力学性能；步骤4：基于机器学习方法建立掺杂二氧化铀燃料力学性能的计算模型和方法；步骤5：验证掺杂二氧化铀陶瓷燃料力学性能计算模型的准确性。

2、进一步的，步骤1中还包括，掺杂二氧化铀陶瓷燃料中核素随时间的变化率为：

3、 ，

4、其中， x i、 x j和 x k表示核素 i、 j和 k的原子密度； n为核素数量； λ i和 λ j分别为核素 i和 j的放射性衰变常数； σ i和σk分别为核素 i和 k的平均中子反应截面； l ij为核素 j的放射性衰变生成核素 i的概率； f ik为核素 k吸收中子后形成核素 i的概率；为中子通量； r i为核素 i逃逸燃料的速率； f i为核素 i进入燃料的速率；

5、掺杂二氧化铀陶瓷燃料在反应过程中，掺杂二氧化铀陶瓷燃料裂变产生的功率中子通量相关，掺杂二氧化铀陶瓷燃料裂变功率关系式如下：

6、 ，

7、其中，p为燃料裂变产生的功率；为瞬时中子通量；为燃料中可裂变核素 i的数量；为可裂变核素 i的中子反应截面；ri为可裂变核素 i每次裂变产生的可回收能量；

8、根据掺杂二氧化铀陶瓷燃料中核素随时间的变化率及掺杂二氧化铀陶瓷燃料裂变功率计算获得掺杂二氧化铀陶瓷燃料的成分组成随燃耗深度的变化规律。

9、更进一步的，步骤2中，是根据掺杂二氧化铀陶瓷燃料成分组成的计算结果，制备模拟辐照二氧化铀陶瓷燃料，制备模拟辐照二氧化铀陶瓷燃料的过程包括：步骤2.1：将适量二氧化铀粉末和掺杂二氧化铀陶瓷燃料成分组成按照计算结果进行配料并球磨混合；步骤2.2: 在混合粉末中加入聚乙烯醇，搅拌均匀后烘干，过筛备用；步骤2.3: 通过双面加压的液压模具将粉末压制成的芯块生坯；步骤2.4: 在氢气气氛中进行燃料芯块生坯烧结，最终制得不同条件的模拟辐照二氧化铀陶瓷燃料芯块。

10、更进一步的，在步骤3中，力学性能包括杨氏模量、硬度、断裂韧性及断裂强度，其中包括采用纳米压痕法测试模拟辐照二氧化铀陶瓷燃料的杨氏模量、断裂韧性和断裂强度，采用硬度仪测试模拟辐照二氧化铀陶瓷燃料的硬度。

11、更进一步的，步骤4中，计算掺杂二氧化铀陶瓷燃料的杨氏模量e（gpa）的计算模型为：

12、 ，

13、其中，bu为燃耗深度；wt为掺杂二氧化铀陶瓷燃料中二氧化锆的掺杂量。

14、掺杂二氧化铀陶瓷燃料硬度hv（gpa）、断裂韧性kic（mpa·m1/2）和断裂强度σf（mpa）的计算模型：

15、；

16、；

17、。

18、更进一步的，步骤5中，包括通过未掺杂二氧化铀陶瓷燃料的实验数据和辐照数据，对掺杂二氧化铀陶瓷燃料力学性能计算模型进行验证。

19、本发明的有益效果在于，可以根据掺杂二氧化铀陶瓷燃料的力学性能，预测堆内掺杂二氧化铀陶瓷燃料力学性能随燃耗深度的变化规律，有助于准确评估掺杂二氧化铀陶瓷燃料的堆内反应行为。

技术特征：

1.一种掺杂二氧化铀陶瓷燃料力学性能的计算方法，其特征在于，包括下列步骤：

2.根据权利要求1所述的掺杂二氧化铀陶瓷燃料力学性能的计算方法，其特征在于：所述步骤1中还包括，所述掺杂二氧化铀陶瓷燃料中核素随时间的变化率为：

3.根据权利要求2所述的掺杂二氧化铀陶瓷燃料力学性能的计算方法，其特征在于：所述步骤2中，是根据所述掺杂二氧化铀陶瓷燃料成分组成的计算结果，制备模拟辐照二氧化铀陶瓷燃料，制备所述模拟辐照二氧化铀陶瓷燃料的过程包括：

4.根据权利要求1所述的掺杂二氧化铀陶瓷燃料力学性能的计算方法，其特征在于：在所述步骤3中，所述力学性能包括杨氏模量、硬度、断裂韧性及断裂强度，其中包括采用纳米压痕法测试所述模拟辐照二氧化铀陶瓷燃料的杨氏模量、断裂韧性和断裂强度，采用硬度仪测试所述模拟辐照二氧化铀陶瓷燃料的硬度。

5.根据权利要求4所述的掺杂二氧化铀陶瓷燃料力学性能的计算方法，其特征在于：所述步骤4中，计算所述掺杂二氧化铀陶瓷燃料的杨氏模量e（gpa）的计算模型为：

6.根据权利要求5所述的掺杂二氧化铀陶瓷燃料力学性能的计算方法，其特征在于：所述步骤5中，包括通过未掺杂二氧化铀陶瓷燃料的实验数据和辐照数据，对所述掺杂二氧化铀陶瓷燃料力学性能计算模型进行验证。

技术总结
本发明建立一种掺杂二氧化铀陶瓷燃料力学性能的计算方法。主要通过模型计算不同二氧化锆掺杂量和不同燃耗深度条件下的掺杂二氧化铀陶瓷燃料的组成成分；根据计算的组成成分结果，制备一系列模拟不同二氧化锆掺杂量和不同燃耗深度的二氧化锆掺杂二氧化铀燃料；然后测量模拟不同二氧化锆掺杂量和不同燃耗深度掺杂二氧化铀材料的杨氏模量、硬度、断裂韧性、断裂强度力学性能数据；然后基于机器学习方法，建立一种不同二氧化锆掺杂量和不同燃耗深度条件下二氧化铀陶瓷燃料力学性能的计算模型和方法。本发明方法可以定量预测二氧化锆掺杂二氧化铀陶瓷燃料的力学性能，有助于准确评估掺杂二氧化铀陶瓷燃料的堆内反应行为。

技术研发人员：陈洪生,肖红星,熊杰,陈勇,邱水,冷雪松,唐睿
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：2024/9/12