摘要：全陶瓷微封装弥散(fcm)燃料以其较好的固有安全性而成为核能领域研究的重点。针对SiC基体难以烧结的问题,本研究利用振荡烧结具有加速传质和降低烧结温度的优势,开展了模拟核芯fcm燃料振荡烧结行为研究,重点考察了振荡烧结温度、振荡时间与振荡压力等参数对基体致密化行为的影响,并与热压烧结结果进行了对比。结果表明,振荡烧结温度、保温时间以及中值压力对基体致密化有重要影响,而振荡压力的振幅对基体致密化影响不大。相比于热压烧结,振荡烧结可以提高材料的致密度,振荡烧结试样的致密度更高,1850℃振荡烧结试样的致密度为99.99%;振荡烧结试样的晶粒尺寸更小,1850℃振荡烧结试样的晶粒尺寸为(284±4)nm,比同等温度下热压烧结试样的晶粒尺寸减小~27%;振荡烧结试样的硬度更高,1850℃振荡烧结试样的硬度为(26.7±0.4)GPa。借助改进的热压烧结本构方程,计算得到试样在致密度为90%时的应力指数n=1,活化能Q=430 kJ/mol,致密化的主导机制为晶界扩散协调的晶界滑移。

摘要：小型模块化压水堆(SMPWR)是目前国际上的研究热点之一。如何进一步简化SMPWR系统,并提升其安全性是设计优化的关键。fcm燃料是一种将TRSIO燃料弥散在SiC基体中的燃料,具有很好的裂变产物包容能力,可有效降低SMPWR大规模放射性释放风险。本文采用fcm燃料,设计并优化形成SMPWR的堆芯方案。在此基础上又进一步对控制棒吸收体材料、控制棒布置方案、控制棒移动策略等进行研究分析,最终得到无可溶硼堆芯设计方案,从而简化了SMPWR的化容系统。经计算分析表明,该堆芯设计方案可通过控制棒组实现堆芯反应性的控制,实现无可溶硼运行。本文的研究为fcm燃料在压水堆中的应用以及小堆消除可溶硼的设计优化提供了参考。

摘要：为将全陶瓷微胶囊封装(fcm)燃料应用于小型压水堆,对fcm燃料组件开展了可燃毒物中子学设计与分析。通过寿期初引入负反应性、寿期内消耗速率和寿期末残留3个方面,对弥散在SiC基体中的弥散型可燃毒物Gd2O3、Er2O3、Sm2O3、Eu2O3、Dy2O3及HfO2进行评价。fcm燃料中TRISO颗粒核芯直径达800μm,燃料颗粒自屏效应强烈,在RMC程序中引入随机介质计算功能,对fcm燃料进行随机几何建模,保证了反应性计算精度。分析表明:Er2O3可作为fcm燃料堆芯的候选可燃毒物,Gd2O3和Eu2O3需结合堆芯开展进一步研究,Sm2O3、Dy2O3及HfO2的反应性惩罚过大,不适合作为fcm燃料可燃毒物。

摘要：本文采用二维特征模型模拟不同无燃料区厚度全陶瓷微封装弥散(fcm)燃料的热力学行为,在保证堆芯装载要求的条件下,研究不同结构fcm燃料SiC基体和包覆燃料颗粒SiC层的应力状态。通过优化无燃料区厚度,调整TRISO颗粒间的间距,保证无燃料区和SiC层同时具有较低的应力水平。分析了无燃料区厚度为100~500μm时基体SiC、无燃料区以及SiC层的应力分布,结果表明,基体SiC和SiC层最大应力随无燃料区厚度增大而增大,而无燃料区的最大应力则随其厚度增大而降低。当无燃料区厚度为400μm时,无燃料区和SiC层均处于较低的应力状态,无燃料区SiC基体应力约为400 MPa,而SiC层的最大环向应力约为200 MPa,其失效概率约为2.5×10^-4。因此,当无燃料区厚度为400μm时,fcm燃料既能维持芯块结构完整,又能保证SiC层具有较低的失效概率。结构优化为fcm燃料的应用提供了基础。

摘要：全陶瓷微胶囊封装燃料(Fully Ceramic Microencapsulated Fuel,fcm燃料)将TRISO燃料颗粒弥散于SiC基体中,具有良好的包容裂变产物能力,固有安全性好,是耐事故燃料的主要研究方向之一。相比于传统的UO2陶瓷芯块燃料,fcm燃料装料减少,影响堆芯功率和/或循环长度;基体采用SiC,慢化能力提高,能谱变软,fcm燃料直接应用于现有大型商业压水堆组件栅格,寿期初慢化剂温度系数可能为正,失去固有安全性。本文从燃料富集度和栅格慢化角度,分析fcm燃料直接应用于大型商业压水堆的可行性,分析两种fcm燃料TRISO颗粒核芯:高温气冷堆中应用成熟的UO2核芯和提高了核芯尺寸的UN核芯。研究表明:在防核扩散的限制下,技术相对成熟的UO2核芯fcm燃料仅能应用于小型堆芯的设计,且需重新设计燃料组件栅格;提高装量的UN核芯fcm燃料可直接装载现有商业压水堆,实现与其基本相当的堆芯功率和循环长度,但对燃料富集度和燃料设计及制造工艺提出较高要求。

摘要：2011年的福岛核电厂事故堆芯熔化,发生氢爆,导致大量放射性物质外泄至大气及太平洋中,促使核能的安全利用问题受到广泛关注,同时暴露出了现有的“UO2芯块-Zr包壳”燃料体系的不足,大量的研究投入进入ATF燃料领域,其中,一种借鉴于高温气冷堆的燃料形式以其卓越的裂变产物容纳能力及安全性进入了大众的视野全陶瓷微囊燃料(Fully Ceramic Microencapsulated,fcm)。本文主要从燃料核芯、可燃毒物、几何尺寸等方面梳理介绍了国内外近几年fcm的研发进展。

摘要：本文主要对4种fcm燃料-SiC包壳概念组件进行中子学分析评价,从安全性和经济性出发,一方面需要组件栅格首先满足欠慢化要求,保证堆芯慢化剂温度系数为负,确保堆芯固有安全性;二是经济性,fcm-SiC概念组件用于商用电站时,达到与参照对象基本相当的燃耗深度与循环长度。通过对比ORNL设计方案,提出TRISO核芯材料、颗粒体积份额、颗粒核芯直径、燃料富集等改进方向,然后进行了单因素影响分析和多因素组合影响分析,最后提出可以通过选取UN核芯、提高燃料富集度,增加燃料颗粒体积份额以及相对较大的核芯直径,使慢化剂温度系数和组件燃耗满足设计要求。