[论文解读] Radial Distributions of Power and Isotopic Concentration in Candidate ATF U3Si2 and UO2/U3Si2 Fuel with FeCrAl Cladding

Shengli Chen, Cenxi Yuan+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2018

Nuclear reactor physics and engineering参考文献 21被引用 1

一句话总结

本文提出了一种解析函数 f(x,s)，用于建模事故耐受燃料（ATF）系统中径向功率、燃耗及同位素浓度分布，包括 U3Si2 和 UO2/U3Si2 与 FeCrAl 包壳的组合。该函数为以耗尽时间 s 为变量的二阶多项式，其系数为与 x 相关的指数函数，能以极小偏差准确预测多种燃料-包壳组合下的径向特性，支持高效的中子学与热工水力耦合研究。

ABSTRACT

Monte Carlo simulations show similarity on radial distributions of power and isotopic concentration at any effective depletion time among five kinds of fuel-cladding combinations with the same cycle length, including the normal UO2-zircaloy combination, the candidate Accident Tolerant Fuel (ATF) UO2/U3Si2-FeCrAl combination, and three kinds of candidate ATF U3Si2-FeCrAl combinations. An analytical formula f(x,s) including the depletion time (s) and the relative radial (x) is proposed to describe the radial properties for all five kinds of fuel-cladding combinations. f(x,s) has the form of the second order polynomial term of s with the exponential type of coefficients depending on x. It is shown that the suggested function f(x,s) gives a nice description on the simulation data with rather small deviations and can immediately provide radial distribution of power, burnup, and isotopic concentration of 235,238U and 239,241Pu at any effective depletion time and relative radius. It is useful to discuss the fuel temperature through the present analytical formula. The present work provides an analytical formula to describe the radial properties of the ATF which is expected to be helpful for further neutronic and multi-physics coupling study.

研究动机与目标

• 开发一种适用于不同燃料组成与包壳材料的事故耐受燃料（ATF）径向功率与同位素浓度分布的通用解析模型。
• 实现在无需重复蒙特卡罗模拟的情况下，对任意有效耗尽时间下的径向特性进行快速预测。
• 通过提供一种计算高效的工具，支持多物理场耦合研究中的燃料性能分析。
• 在相同循环长度下，对包括 UO2-锆合金和 U3Si2/FeCrAl 在内的多种燃料-包壳组合进行模型验证。
• 通过将径向功率分布与燃料温度预测关联，促进热工水力分析。

提出的方法

• 利用蒙特卡罗模拟生成五种具有相同循环长度的燃料-包壳组合中，径向功率、燃耗及同位素浓度（235,238U 和 239,241Pu）的分布数据。
• 构建解析函数 f(x,s) = a(x)s² + b(x)s + c(x)，其中系数 a(x)、b(x) 和 c(x) 为径向位置 x 的指数函数。
• 将函数 f(x,s) 拟合至模拟数据，以捕捉其对耗尽时间 s 的二阶依赖关系及径向变量 x 的变化特征。
• 在包括 UO2/U3Si2-FeCrAl 和纯 U3Si2-FeCrAl 在内的多种 ATF 配置中验证模型，结果表现出一致的高精度。
• 利用该函数预测任意耗尽时间与相对径向位置的径向分布，实现快速参数化研究。
• 通过将径向功率分布与热行为关联，展示 f(x,s) 在估算燃料温度方面的实用性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可通过单一解析函数准确描述多种 ATF 燃料-包壳组合下的径向功率与同位素浓度分布？
• RQ2 在基于 U3Si2 的 ATF 燃料中，同位素浓度与燃耗的径向依赖性如何随有效耗尽时间演变？
• RQ3 所提出的函数 f(x,s) 在多大程度上能以最小偏差重现蒙特卡罗模拟结果？
• RQ4 该解析模型是否能实现与热工水力及中子学模拟的高效耦合，以支持 ATF 设计？
• RQ5 ATF 系统中关键同位素与功率的径向及时间依赖行为的函数形式为何？

主要发现

• 解析函数 f(x,s) 在五种燃料-包壳组合中，对功率、燃耗及同位素浓度（235,238U 和 239,241Pu）的径向分布具有极小偏差地准确描述，与蒙特卡罗模拟数据高度一致。
• 该函数为耗尽时间 s 的二阶多项式，其系数为径向位置 x 的指数函数，能够精确捕捉时间与径向依赖关系。
• 模型在 UO2-锆合金、UO2/U3Si2-FeCrAl 及三种 U3Si2-FeCrAl 配置中均提供一致的预测结果，表明其在相同循环长度下对 ATF 系统具有普适适用性。
• 该函数可立即估算任意有效耗尽时间与相对径向位置下的径向特性，与重复模拟相比显著降低计算成本。
• 通过将径向功率分布与热行为关联，该模型支持燃料温度估算，显著增强了其在多物理场研究中的实用性。
• 所提出的解析框架有望加速下一代 ATF 燃料设计中的中子学与多物理场耦合研究。