[发明专利]一种计算UO2

说明书

本发明公开了一种计算UO₂燃料裂变气体热释放率的方法，包括：计算在当前时刻与前一时刻之间新产生的裂变气体浓度和不考虑释放的当前时刻的燃料基体裂变气体浓度；计算晶界气体浓度的上下阈值以及上下阈值对应的等效燃耗；判断当前时刻局部燃耗和时间步平均局部温度是否达到热释放开启的条件，达到开启条件时计算时间步平均局部温度下的裂变气体原子晶格扩散系数D、时间‑燃耗转换系数TBu；计算当前时刻t的燃耗系数和当前时刻的热释放率FGR_th(t)。本发明重新推导建立了晶界气体浓度和裂变气体热释放率的关系，相比于以前假设晶界浓度恒定不变的计算方法，与实验中发现的晶界气泡连通过程符合的更好，可以更准确的计算裂变气体热释放率。

技术领域

本发明涉及燃料棒堆内辐照行为的数值模拟方法领域，具体地，涉及一种计算UO₂燃料裂变气体热释放率的方法。

背景技术

轻水堆普遍使用的UO₂燃料在反应堆内发生链式裂变反应时会产生多种裂变产物，其中一部分是气态裂变产物(以下简称为裂变气体)，如Xe、Kr等。裂变气体一开始产生于燃料晶粒内部，随后在浓度梯度和温度梯度的驱动下向燃料芯块外的自由空间迁移，这一过程被称为裂变气体释放。释放出来的裂变气体将显著改变燃料棒内的温场分布、应力/应变场分布，并且在高燃耗范围内可能导致燃料棒内压超过安全限值，从而发生燃料棒破损和放射性物质泄漏。因此，建立准确预测燃料棒内裂变气体释放的方法对于保护核燃料的运行安全是十分重要的。

这种方法通常被使用在一个综合的燃料棒辐照行为分析程序中，从而全面模拟燃料棒在辐照期间的热学行为、力学行为和裂变气体释放行为等，以及它们的相互作用。由于裂变气体释放对于热力学行为和燃料棒安全的影响主要取决于裂变气体释放的总量，因此计算出产生的裂变气体中有多少释放到自由空间，即裂变气体释放率，就是燃料棒辐照行为分析程序开发者最关心的问题之一。

通常按照与温度的依赖关系，将裂变气体释放的物理过程分为两类，一类是裂变反应发生时裂变气体原子的反冲(recoil)和击出(knock-out)，这类物理过程基本不受温度的影响，因而被称为非热释放(athermal release)；另一类是以裂变原子在UO₂燃料晶格中的扩散、聚集成气泡和气泡迁移为主，由于这些物理过程在高温下有明显的加速效应，因而被称为热释放(thermal release)。由于物理机制不同，因而对这两类裂变气体释放的计算方法也不一样。

非热释放在燃料棒燃耗较低时对裂变气体释放的贡献较大，而随着燃料棒燃耗的增加，热释放占全部裂变气体释放的份额越来越大。由于裂变气体释放对燃料棒安全构成威胁的时刻主要在高燃耗范围内，因此热释放的准确预测对于核燃料安全更为重要。同时，相比于非热释放，热释放的物理机制和计算方法更为复杂，计算难度更大。从上个世纪五十年代末开始，核工业界就开始了针对裂变气体热释放的计算方法研究，Booth、Forsberg-Massih、Bernard、Yong-soo Kim等人先后提出了不同的计算方法，直到现在国外很多核燃料方面的公司和研究机构仍在进行这方面的研究和计算方法改进，以不断提高预测裂变气体释放的精度。上述计算方法的共同特点是，假设了晶界气体浓度达到一定阈值后保持不变，此后到达晶界的裂变气体将全部释放。因此，晶粒内部扩散方程的边界条件是一个恒定值，从而可以获得较为简单的近似解析解。然后，发明在长期的研究和试验中发现，2000年以来一些关于晶界气泡的实验测量数据表明，晶界气体浓度的变化与晶界气泡的连通释放率并不存在阈值关系，而存在近似线性变化的规律，因此现有技术中的裂变气体热释放计算方法并不准确。

发明内容

本发明的目的就在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种计算UO2燃料裂变气体热释放率的方法，该方法可以更准确地计算裂变气体热释放率。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：

一种计算UO₂燃料裂变气体热释放率的方法，包括以下步骤：