[發(fā)明專利]一種計(jì)算核燃料中裂變氣體釋放及輻照腫脹行為的方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210332746.7
• 申請(qǐng)日: 2022-03-31
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN114743607A
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-07-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 柳文波;蘭峋;姜彥博;惲迪
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G16C10/00
• 分類(lèi)號(hào): G16C10/00;G16C20/10
• 代理公司: 西安智大知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 61215
• 代理人: 何會(huì)俠

本發(fā)明提出了一種計(jì)算核燃料中裂變氣體釋放及輻照腫脹行為的方法，主要包括以下步驟：第一性原理計(jì)算核燃料物性參數(shù)；基于速率理論獲取核燃料晶界氣泡初始分布；建立核燃料晶界氣泡演化相場(chǎng)模型；計(jì)算滲流參數(shù)及燃料孔隙率；獲得核燃料輻照腫脹規(guī)律；建立核燃料晶界網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；建立核燃料裂變氣體釋放行為相場(chǎng)?滲流耦合框架；獲得核燃料裂變氣體釋放隨時(shí)間變化等信息；獲取核燃料裂變氣體在不同晶界分布下、不同溫度下、不同裂變密度下的釋放規(guī)律。本發(fā)明方法將相場(chǎng)理論和滲流理論結(jié)合，能夠定量分析燃料微觀結(jié)構(gòu)對(duì)裂變氣體釋放閾值、釋放份額等宏觀行為的影響，為建立更加機(jī)理化的核燃料多尺度裂變氣體釋放模型奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于核燃料材料計(jì)算領(lǐng)域。具體涉及一種計(jì)算核燃料中裂變氣體釋放及輻照腫脹行為的方 法。

背景技術(shù)

核燃料堪稱核反應(yīng)堆的“心臟”，是核反應(yīng)堆系統(tǒng)的核心部件之一。我國(guó)在核燃料的運(yùn)行方面仍 然相對(duì)缺乏經(jīng)驗(yàn)，而核燃料中的晶粒長(zhǎng)大、氣泡演化及腫脹行為尤為重要。裂變反應(yīng)所釋放的大量的 裂變氣體通過(guò)高溫下原子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)在燃料中聚集并形成氣泡。在陡峭的溫度梯度的作用下，大量的 氣泡在晶界上不斷聚集，最終在晶界上形成特有的通孔結(jié)構(gòu)，進(jìn)而造成燃料腫脹。同時(shí)，晶界上聚集 的大量的氣泡對(duì)高溫下晶界的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生拖拽作用。因此，必須對(duì)核燃料中裂變氣體釋放引起的氣泡演 化行為及燃料腫脹進(jìn)行深入研究。

建立在堆內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果基礎(chǔ)上的描述燃料中氣泡演化過(guò)程的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ途哂幸欢ǖ木窒扌浴Ｈ?而，作為實(shí)驗(yàn)研究的有力補(bǔ)充，理論模型和計(jì)算機(jī)模擬可以動(dòng)態(tài)地再現(xiàn)核燃料中再結(jié)晶、氣泡演化及 燃料腫脹過(guò)程，從理論上闡明再結(jié)晶、氣泡產(chǎn)生、聚集、長(zhǎng)大的機(jī)理，并預(yù)測(cè)燃料腫脹性能的變化。 目前仍然缺少對(duì)核燃料的這一裂變氣體釋放和氣泡形貌演變行為進(jìn)行研究和預(yù)測(cè)的模型。

核燃料在服役時(shí)表現(xiàn)出復(fù)雜的堆內(nèi)行為，輻照裂變會(huì)使其產(chǎn)生裂變氣體產(chǎn)物(Xe、Kr)和固體 裂變產(chǎn)物(Cs、Rb等)，裂變氣體擴(kuò)散到晶界或孔隙中，在晶內(nèi)、晶間形成氣泡。隨著燃耗的增加， 氣泡數(shù)量增加、不斷遷移和長(zhǎng)大，被晶界捕獲，在晶界聚集、長(zhǎng)大、聯(lián)合、聯(lián)網(wǎng)，形成釋放通道，再 通過(guò)裂紋釋放出來(lái)，導(dǎo)致燃料性能下降，限制了燃料的壽命。因此，對(duì)核燃料面界中氣泡生長(zhǎng)研究， 一方面有助于了解在役燃料的運(yùn)行狀態(tài)和使用壽命，及時(shí)的發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題；另一方面根據(jù)輻照特性， 可采取適當(dāng)?shù)拇胧┰鰪?qiáng)燃料的性能，進(jìn)一步提高核電的經(jīng)濟(jì)效益。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的在于提出一種計(jì)算核燃料中裂變氣體釋放及輻照腫脹行為的方法，該方法能夠展現(xiàn)輻 照條件下核燃料晶界氣泡演變過(guò)程，能夠定量分析燃料微觀結(jié)構(gòu)對(duì)裂變氣體釋放閾值、釋放份額等宏 觀行為的影響，能夠基于裂變氣泡孔隙率等參數(shù)獲得燃料輻照腫脹規(guī)律，為建立更加機(jī)理化的多尺度 裂變氣體釋放模型奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

基于上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

S1：基于第一性原理，計(jì)算核燃料物性參數(shù)，所述核燃料物性參數(shù)包括：空位形成能、遷移能； 氣體原子形成能、遷移能；空位擴(kuò)散系數(shù)以及氣體原子擴(kuò)散系數(shù)；

S2：基于步驟S1獲取的核燃料物性參數(shù)，建立描述核燃料晶面氣泡氣體原子行為的速率理論模 型和晶棱氣泡氣體原子行為的速率理論模型，獲得核燃料晶界氣泡的初始分布；

S3：通過(guò)建立核燃料多晶多相系統(tǒng)總自由能密度以及演化方程建立核燃料晶界氣泡演化相場(chǎng)模 型：定義相場(chǎng)濃度場(chǎng)變量、相場(chǎng)序參量；基于熱力學(xué)理論獲取核燃料基體相的自由能密度以及核燃料 氣泡相的自由能密度；引入插值函數(shù)，獲得核燃料多晶多相體系的體自由能密度；結(jié)合界面梯度能、 多晶相互作用能、晶界與氣泡相互作用能得到核燃料多晶多相系統(tǒng)總自由能密度；建立演化方程；結(jié) 合步驟S2獲取的核燃料晶界氣泡初始分布初始化核燃料晶界氣泡演化相場(chǎng)模型；求解演化方程；

S4：根據(jù)步驟S3演化方程計(jì)算結(jié)果，獲得晶界氣泡形貌演化圖，統(tǒng)計(jì)計(jì)算滲流參數(shù)及燃料孔隙 率，所述滲流參數(shù)包括：晶界氣泡密度、晶界氣泡平均尺寸、晶界氣泡覆蓋率、氣泡連通閾值；