UO2-Er2O3燃料热物理性能的分子动力学模拟
来源期刊：材料导报2019年第S2期
论文作者：刘羽 肖红星 张翔 曾强 刘喆 冷科 马亮
文章页码：130 - 133
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;
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Gd2O3和ZrB2,随着燃耗增加,由于Gd2O3和ZrB2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）=0.542 65+5.717 06×10-6T-3.674 98×10-10T2+3.432 3×10-13T3（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=1.028 449×10-5-3.556 13×10-10T+5.730 38×10-13T2(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+51.276 6×10-3T-117.191 3×10-6T2;（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。
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
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Gd2O3和ZrB2,随着燃耗增加,由于Gd2O3和ZrB2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）=0.542 65+5.717 06×10-6T-3.674 98×10-10T2+3.432 3×10-13T3（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=1.028 449×10-5-3.556 13×10-10T+5.730 38×10-13T2(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+51.276 6×10-3T-117.191 3×10-6T2;（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;
