UO2-Er2O3燃料热物理性能的分子动力学模拟

作     者：刘羽 肖红星 张翔 曾强 刘喆 冷科 马亮 LIU Yu;XIAO Hongxing;ZHANG Xiang;ZENG Qiang;LIU Zhe;LENG Ke;MA Liang

作者机构：中国核动力研究设计院 

出 版 物：《材料导报》 (Materials Reports)

年 卷 期：2019年第33卷第S2期

页      面：130-133页

核心收录：

学科分类：08[工学] 082701[工学-核能科学与工程] 0827[工学-核科学与技术] 

主　　题：分子动力学 UO2-6mol%Er2O3 晶格参数 热膨胀系数 比热容 热导率 

摘      要：为了维持反应堆中核裂变反应的平稳运行,需要在反应堆燃料元件中加入可燃毒物。可燃毒物在反应堆运行初期吸收大量热中子,抑制核燃料的裂变,在反应堆运行后期,随着可燃毒物逐渐被消耗,热中子增多,可以弥补因为可裂变核素减少而逐渐降低的反应性,从而保证核裂变反应在整个反应堆运行寿期的平稳运行。目前,反应堆中使用的可燃毒物主要有Gd 2O 3和ZrB 2,随着燃耗增加,由于Gd 2O 3和ZrB 2消耗过快,毒物消耗与燃料燃耗很难匹配。Er2O3由于具有燃烧缓慢、平稳,反应性惩罚小的特性,被认为适合于未来高燃耗、长寿期的燃料元件。利用Er2O3作为可燃毒物,提高燃料富集度,可以提高燃料元件的卸料燃耗,提高燃料利用率,降低核电运行成本。本工作采用分子动力学方法对Er2O3含量为6mol%的燃料芯块的热物理性能进行了模拟研究,建立了UO2-6mol%Er2O3可燃毒物燃料芯块的理论模型,并基于此计算了UO2-6mol%Er2O3燃料芯块的热物理性能,主要包括:燃料芯块的晶格点阵参数、热膨胀系数、比热容和热导率。研究表明:(1)UO2-6mol%Er2O3燃料的晶格点阵参数随着温度的升高而线性增大,并满足数学关系式:a(T)=0.54265+5.71706×10^-6 T-3.67498×10^-10 T 2+3.4323×10^-13 T 3(nm);(2)UO2-6mol%Er2O3燃料的热膨胀系数随着温度的升高逐渐增大,且增大速率也随温度升高而增大,燃料晶体相对于300K时的平均热膨胀系数与温度的关系式为γ=1.028449×10-5-3.55613×10^-10 T+5.73038×10^-13 T2(K-1);(3)UO2-6 mol%Er2O3燃料的比热容随着温度的升高逐渐增大,且增大速率随温度升高而减小,满足Cp(J·mol^-1·K^-1)=47.545+51.2766×10^-3 T-17.1913×10^-6 T2;(4)UO2-6mol%Er2O3燃料的热导率随着温度的升高逐渐减小,满足关系式k=1/0.145+1.185×10^-4·T。本文采用分子动力学方法计算了UO2-6mol%Er2O3燃料的晶格点阵参数、热膨胀系数、比热容和热导率等性能。通过理论计算,为含Er2O3可燃毒物燃料的进一步研究与工程应用提供支撑。