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摘要

为预测大晶粒UO ₂燃料中裂变气体的释放行为, 从而为事故容错燃料的发展提供支持, 本文采用相场模型, 对裂变气体在UO ₂多晶微观结构中的释放行为进行了模拟. 该模型采用一组耦合的Cahn-Hilliard方程与Allen-Cahn方程, 用守恒场变量表示裂变气体与空位的分布, 以及用序参量区分气泡相与基质相. 该模型重点考察了不同晶粒尺寸、不同温度条件与扩散系数对裂变气体释放行为产生的影响, 展现了气泡的形核、生长、融合等行为, 得到了一定程度燃耗深度下燃料的孔隙度、晶界处气泡覆盖率、气泡平均半径等模拟结果. 结果表明, 温度与扩散系数对孔隙度、晶界处气泡覆盖率的影响较为显著, 在扩散系数较大时, 晶粒尺寸也会对裂变气体释放行为产生较大影响, 扩散系数较小时, 晶粒尺寸的影响则不明显. 此外, 通过该模型得出的高燃耗深度下裂变气体气泡分布状况与实验结果也较为符合, 该模型能较好地预测大晶粒UO ₂裂变气体释放行为.

关键词:

Abstract

In order to predict the release behavior of fission gas in large grain UO ₂fuel and provide support for the development of accident tolerant fuel, a phase-field model is used to simulate the release behavior of fission gas in the microstructure of UO ₂polycrystalline in this work. This model adopts a set of coupled Cahn-Hilliard equations and Allen-Cahn equations, using conserved field variables to represent the distribution of fission gas and vacancies, and distinguishing bubble phase from matrix phase by using order parameters. This model focuses on investigating the effects of different grain sizes, temperature conditions, and diffusion coefficients on the release behavior of fission gas, demonstrating the nucleation, growth, and fusion behavior of bubbles. Simulation results are obtained for fuel porosity, bubble coverage on grain boundaries, and average bubble radius at a certain degree of burnup. The results show that temperature and diffusion coefficient have a significant influence on porosity and bubble coverage on grain boundaries. When the diffusion coefficient is high, grain size also has a significant influence on fission gas release behavior. And when the diffusion coefficient is low, the influence of grain size is not significant. In addition, the distribution of fission gas bubbles under high burnup obtained through this model is also in good agreement with experimental result. The model can predict the behavior of fission gas release in large grain UO ₂fuel.

Keywords:

作者及机构信息

通信作者:王庆宇,wangqingyu@hrbeu.edu.cn

基金项目:哈尔滨工程大学高水平科研引导专项(批准号: 3072022JC1502)资助的课题.

Authors and contacts

Corresponding author:Wang Qing-Yu,wangqingyu@hrbeu.edu.cn

Funds:Project supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities, China (Grant No. 3072022JC1502).

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施引文献

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参数	符号	值
玻尔兹曼常量/(J·K^–1)	k_B	1.3806 × 10^–23
理想气体常数/(J·mol^–1·K^–1)	R	8.3145
UO₂晶胞U原子体积/ nm^–³	V_a	0.0409
空位形成能/eV	$ E_{\text{v}}^{\text{f}} $	5.1
气体原子缺陷形成能/eV	$ E_{\text{g}}^{\text{f}} $	10.31
扩散界面系数	a_GB	1.2
扩散界面系数	a_s	0.8
自由能势垒系数/(J·m^–3)	m	3.0 × 10⁷
梯度项系数/(J·m^–3)	κ_ϕ	3.38 × 10^–7
梯度项系数/(J·m^–3)	κ_v,κ_g,κ_η	1.69 × 10^–6
迁移率/(m³·J^–1·s^–1)	L_η,L_ϕ	1.56 × 10^–11
裂变率密度/(次裂变·m³·s^–1)	$ \dot F $	1.09 × 10¹⁹
Xe产额	Y	0.27

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温度T/K	$ {D^{{\text{undoped}}}} $/(m²·s^–1)	$ {D^{{\text{doped}}}} $/(m²·s^–1)
1276	8.72 × 10^–21	8.72 × 10^–21
1476	1.583 × 10^–19	2.4593 × 10^–19
1676	5.7461 × 10^–19	5.0906 × 10^–19

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