本文为单一原创研究论文，以下为学术报告。

作者与发表信息

本研究由Wei Li、Haokun Wang、Jie Wang、Qi Lu、Yuanming Li、Junmei Wu和Wenjie Zeng等人完成。主要研究机构包括先进核能设计与安全教育部重点实验室（Key Laboratory of Advanced Nuclear Energy Design and Safety, Ministry of Education）、西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验室（State Key Laboratory for Strength and Vibration of Mechanical Structures, Xi’an Jiaotong University）、中广核研究院有限公司（China Nuclear Power Technology Research Institute Co., Ltd）以及中国核动力研究设计院（Nuclear Power Institute of China）。该论文发表于Journal of Nuclear Materials第623卷（2026年），文章编号156442，于2026年1月7日在线发表。

研究背景与目的

U-Mo/Al弥散燃料（dispersion fuel）被认为是高性能研究堆中高密度低浓缩铀燃料（low enriched uranium, LEU）的重要候选材料。该类燃料板由发生裂变反应的燃料颗粒与包覆燃料颗粒的金属基体组成，其热-力学行为受到辐照肿胀、裂变气体行为、基体损伤、相互作用层（interaction layer, IL）形成、蠕变变形以及包壳腐蚀等多种因素影响。相互作用层通常具有较低的热导率，会阻碍热量传递，是限制燃料板堆内性能的关键因素之一。现有的分析工具如DART、PLATE、MAIA等虽然能够进行一定程度的性能模拟，但在处理相互作用层对力学性能退化的影响方面存在不足，且显式建模单个燃料颗粒会导致极大的计算网格规模，计算成本过高。本研究旨在发展一种基于均匀化（homogenization）方法的宏观尺度辐照性能分析途径，兼顾计算效率与建模保真度，为U-Mo/Al弥散燃料板的设计优化和性能评估提供可靠工具。

研究流程与具体实施

研究采用“介观均匀化—宏观性能分析”的两级建模策略。第一步为代表性体积单元（representative volume element, RVE）几何生成。研究利用OpenMC中实现的随机密排方法生成非重叠球形U-Mo颗粒的空间坐标，实现50%的燃料颗粒填充率。RVE边长为0.3 mm，包含121个球形颗粒，颗粒半径为0.03 mm。为验证RVE尺寸无关性，额外生成了边长0.5 mm的较大RVE，结果显示两种尺寸的热导率计算结果偏差可忽略。由于边界网格畸变控制需要，RVE实际边长微调至0.306 mm，颗粒体积分数降至47.8%。第二步为相互作用层生长在RVE中的表示。研究采用扩散界面方法（diffuse interface method），引入连续标量场变量d，在相互作用层中d=1，在基体或燃料颗粒中d=0，在界面处取值介于0与1之间。通过求解局部偏微分方程|∇δ(x)|=1获得距离函数δ，再利用双S形函数公式计算d值。燃料颗粒与基体的消耗厚度之比由相互作用层成分化学计量关系和体积比模型确定。第三步为均匀化材料属性计算。等效裂变率通过考虑燃料颗粒和相互作用层中的裂变贡献以及相互作用层的相对分子质量和密度关系进行分配。等效弹性常数采用运动学均匀边界条件（kinematic uniform boundary condition, KUBC）计算；等效热膨胀系数通过对RVE施加均匀温度场并约束边界位移来获得；等效辐照肿胀采用类似方法处理；等效辐照蠕变通过在不同相互作用层厚度和裂变率条件下进行单轴拉伸数值试验，并对结果进行多项式拟合得到蠕变系数模型；等效热导率通过在RVE相对表面施加1 K温差并计算平均热流密度获得。第四步为宏观尺度燃料板性能验证。将均匀化所得材料属性模型输入MOOSE多物理场框架，对两块具有公开辐照后检测数据的U-Mo/Al燃料板（E-FUTURE U7MC6301和RERTR-9 R3R108）进行辐照性能模拟，采用宽度-厚度截面上的广义平面应变模型，对比计算与实测的板厚变化。

主要结果

相互作用层体积分数计算结果显示，随着相互作用层厚度增加，基体消耗速度显著快于燃料颗粒。当相互作用层厚度超过约12 μm时，原始铝基体仅剩余约15%。对于初始颗粒直径18 μm的U-7Mo/Al燃料，模型预测的体积分数与辐照后检测（post-irradiation examination, PIE）数据吻合良好。等效热物理性质方面，相互作用层厚度对等效热导率的影响最为显著，而燃料颗粒孔隙率和温度的影响相对较小。对于未辐照的新鲜燃料，模型计算结果与不同燃料颗粒体积分数和温度下的实验数据吻合良好；对于堆内辐照后的燃料，研究通过线性插值低燃耗TL样品和高燃耗TK样品的实验数据，确定了辐照诱导相互作用层的热导率模型为kil = 0.7 + 0.01189·T（W·m⁻¹·K⁻¹），计算结果与AFIP-1实验数据吻合。等效比热容的计算结果与已发表的实验数据在误差范围内一致。等效弹性常数方面，杨氏模量（Young’s modulus）随相互作用层厚度增加而增大，泊松比（Poisson’s ratio）随相互作用层厚度增加而减小，且泊松比可视为温度无关。与多种等效介质近似模型（包括Voigt、Reuss、Voigt-Reuss-Hill平均、Hashin-Shtrikman界限以及Hobbs模型）的对比验证了均匀化方法的有效性。等效肿胀方面，相互作用层化学膨胀对总肿胀的贡献相对较小，辐照诱导肿胀占主导。与RERTR-4和RERTR-5实验板的肿胀数据对比显示计算与测量结果吻合较好。等效蠕变方面，有效蠕变应变率与等效von Mises应力呈线性关系，蠕变系数随相互作用层体积分数的变化可用五阶多项式拟合。宏观验证方面，对于U7MC6301燃料板，模型计算的厚度变化与实验数据及PRIME程序结果总体吻合；对于R3R108小板，由于相互作用层生长模型在温度接近473 K时预测值偏大，研究引入了0.5的缩减因子以匹配实验测得的约3 μm相互作用层厚度，最终板厚变化的计算结果与实验数据合理吻合。

结论与价值

研究表明，基于RVE均匀化结合有限元法的介观尺度建模能够有效获取U-Mo/Al燃料芯体的等效热-力学性能，并成功实现50%燃料颗粒填充率的高保真度RVE生成。扩散界面方法的引入使得相互作用层生长模型能够自然集成到RVE中，避免了传统离散界面方法需要频繁重新生成几何模型和网格的问题。所获得的完整等效热-力学性能模型可为宏观尺度燃料性能建模提供关键输入。通过两块辐照燃料板的验证，证明了该均匀化方法可以作为弥散型燃料辐照性能建模的可靠工具。该方法的科学价值在于建立了一套从介观均匀化到宏观性能模拟的一致性分析框架，应用价值在于为先进研究堆弥散燃料的设计优化与安全评估提供了高效的计算工具。

研究亮点

本研究的创新性体现在三个方面：一是实现了高达50%燃料颗粒填充率的RVE均匀化分析；二是采用扩散界面方法有效处理了相互作用层厚度的连续演化，避免了传统建模中因相互作用层增厚导致颗粒重叠时的几何重构困难；三是系统性地获得了包括热导率、比热容、杨氏模量、泊松比、热膨胀系数、辐照肿胀和辐照蠕变在内的完整等效材料属性模型，并通过多组独立的堆外与堆内实验数据进行了验证。