含有分散TRISO颗粒的螺旋十字形燃料的热机械行为：多物理场仿真研究

《Annals of Nuclear Energy》：Thermo-mechanical behavior of helical cruciform fuel with dispersed TRISO particles: A multiphysics simulation study

研究螺旋十字形燃料中分散TRISO颗粒的热力学机械行为，通过多物理场模拟分析单颗粒、螺旋段及对称矩阵的失效概率，揭示界面结合强度对SiC层和基体失效的关键影响。

　　
该研究聚焦于氟盐冷却高温反应堆（FHR）中新型螺旋十字形燃料（HCF）的热力学行为与机械可靠性，通过多物理场数值模拟揭示了界面结合强度对燃料失效概率的关键影响。研究构建了覆盖三个空间尺度的分析体系：单粒子矩阵模型解析界面力学行为，螺旋段模型评估分散粒子群协同效应，对称矩阵模型验证工程应用可行性。主要发现如下：

一、单粒子矩阵模型揭示界面失效规律
研究建立包含铀燃料芯块、缓冲层、内层碳化硅（IPyC）、过渡区SiC及外层氧化碳（OPyC）的多层结构模型。通过对比80MPa与100MPa界面结合强度差异，发现当OPyC与SiC层界面结合强度提升20%时，矩阵失效概率反而增加6倍。这一反常现象源于强化界面导致应力集中现象加剧，特别在SiC层径向应力分布呈现非线性增长特征。

二、螺旋段多尺度建模突破传统局限
采用随机分布粒子模型构建螺旋形矩阵单元，通过蒙特卡洛算法模拟60%填充率下的应力传递路径。研究发现：当OPyC-SiC界面结合强度从80MPa降至50MPa时，矩阵整体失效概率降低68%（从1.2×10??降至3.2×10??）。螺旋结构特有的几何拓扑使应力呈现周期性波状分布，在节点处形成应力放大效应，而槽道结构则产生应力释放作用。这种空间异质性导致传统均匀应力模型预测误差达40%以上。

三、对称矩阵模型验证工程适用性
基于1/8对称模型构建三维有限元网格，成功将计算规模压缩至单粒子模型的1/20。仿真显示当粒子间距小于150μm时，SiC层出现局部应力"热点"（峰值达350MPa），超过材料断裂阈值（280MPa）。通过优化颗粒排布密度至55%±2%，可将整体失效概率控制在5×10??以下，同时保持燃料组件紧凑性（直径缩小18%）。

四、制造工艺与服役性能的耦合效应
研究揭示化学气相渗透（CVI）工艺参数对界面性能的决定性作用。当CVI处理时间超过24小时时，OPyC-SiC界面结合强度提升至85MPa，但会引发IPyC层孔隙率下降（从25%降至12%），导致缓冲层气体释放受阻。在模拟高温辐照（1400℃）下，未优化工艺的燃料组件界面失效概率是优化后的7.3倍。

五、数值模型创新与验证
开发的多物理场耦合模型包含：
1. 动态热应力场重构算法（时间步长0.1s）
2. 随机粒子生成系统（离散精度0.05μm）
3. 非线性接触边界条件（摩擦系数0.2-0.6可调）
通过对比实验数据（包括INL的辐照测试结果），模型预测的SiC层径向位移误差小于8%，验证了方法可靠性。

该研究突破传统二维分析框架，首次建立涵盖微观界面力学、中观几何拓扑效应、宏观结构响应的完整分析体系。提出的"界面强度-应力分布-失效概率"三维关联模型，为FHR燃料设计提供了量化决策依据。特别在螺旋结构优化方面，发现采用0.8:1.2的螺距比可使应力梯度降低42%，这一发现已应用于 FuSTAR-300M 的燃料组件设计改进。研究建议后续重点开展界面脱粘动态演化建模，以及多场耦合下燃料肿胀与蠕变的协同作用分析。