基于全堆芯燃料性能分析的压水堆UO₂-SiC燃料棒优化设计与失效概率研究

一、研究背景

福岛事故后，研发事故容错燃料以提升反应堆事故抵抗能力、延长事故不干预时间，成为了国际研究的前沿。碳化硅（SiC）拥有良好的中子经济性、高温强度、抗氧化性等优点，是最具前景的事故容错包壳之一。作为陶瓷材料，脆性失效是困扰SiC包壳工程应用的关键问题。然而，复杂的材料结构、严苛的工作环境和失效不确定性特征，使得SiC包壳失效评估成为了一项国际性难题，要求对现有燃料分析的数学模型、求解算法和评价手段都做出革新。

二、文章亮点

（1）基于SiC材料堆内辐照实验数据调研，建立了UO₂-SiC燃料元件的核-热-力耦合分析模型，深入剖析了包壳脆性失效的潜在影响因素，揭示了多因素协同作用致SiC包壳失效机制，提出了潜在降低包壳失效概率的UO₂-SiC燃料元件优化设计方案。

表1  UO₂-SiC燃料元件优化设计方案

（2）针对SiC复合包壳的多层结构的强非线性平面应变问题，开发了边界递归求解算法，在保持求解精度的同时，使求解速度相对有限元算法提升2-3个数量级，为大规模（100万棒次量级）的堆芯级别的pin-by-pin燃料分析奠定了技术基础。

图1  全堆芯包壳CMC材料层最大应力分布

（3）充分考虑CVD型和CMC型SiC材料特点，提出了具有实际工程意义的多层SiC复合包壳泄漏失效和破损失效的数学定义，并基于此开发了堆芯尺度的燃料包壳失效不确定性评价方法，丰富了SiC包壳概率风险评估理论。

图2  CMC材料类塑性参数对CVD失效概率的影响

（4）开展了全堆芯燃料Pin-by-pin多物理场耦合分析与失效不确定性评价，获得了全堆芯尺度的SiC包壳失效概率图，极大地提升了国内外对SiC包壳安全特性的认知水平，为SiC包壳的工程应用提供了重要的数据支撑。

图3  全堆芯燃料棒SiC包壳泄漏概率统计

三、展望

（1）开展SiC复合材料开展三维综合力学实验，开发精确的材料物性和非线性力学模型，揭示SiC复合包壳裂纹萌生-裂纹扩展-基体失效-纤维束失效的复杂失效机理，建立多轴应力致SiC复合材料的失效准则。

（2）基于先进离散元方法开展UO2-SiC燃料芯块重定位高保真数值模拟，开发重定位及恢复机理模型，揭示重定位对PCMI致包壳失效的影响机制，进一步寻缓解甚至消除PCMI致包壳失效的潜在方法。