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材料导报 2019年第S2期33卷 130-133页

作者：刘羽肖红星张翔曾强刘喆冷科马亮中国核动力研究设计院

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... 详细信息

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。

关键词：分子动力学 uo2-6mol%er2o3 晶格参数热膨胀系数比热容热导率

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