《Annals of Nuclear Energy》：Numerical investigation of interfacial stability and crack-induced cohesive degradation in Cr-coated zircaloy-4 cladding under LOCA conditions
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•开发了适用于LOCA条件下铬涂层锆合金-4包壳的耦合热-力学与内聚力区模型框架。•横向涂层裂纹在Cr/Zry-4界面处引发高度局域化的混合模式内聚力退化。•裂纹数量增加并不会成比例地增加最大损伤程度，而每条裂纹的平均损伤长度则随之减小。•增加铬涂层厚度可延迟基底爆破，但会加
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开发了适用于LOCA条件下铬涂层锆合金-4包壳的耦合热-力学与内聚力区模型框架。
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横向涂层裂纹在Cr/Zry-4界面处引发高度局域化的混合模式内聚力退化。
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裂纹数量增加并不会成比例地增加最大损伤程度，而每条裂纹的平均损伤长度则随之减小。
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增加铬涂层厚度可延迟基底爆破，但会加剧裂纹附近区域的界面内聚力退化。
引言
福岛第一核电站核事故之后，事故耐受燃料（ATF）概念的开发已成为提升压水堆（LWR）安全裕度的重要策略（Karoutas等，2018；Karpyuk等，2021；Kashkarov等，2021；Terrani，2018；Yadav和Pal，2023）。在众多提出的近期商业化方案中，在传统锆合金-4（Zry-4）包壳外表面沉积一层保护性金属层（如铬（Cr）涂层）被认为是前景最为广阔且技术最为成熟的路径之一（Brachet等，2019；Hazan等，2021；Tang等，2017）。在严重的失水事故（LOCA）工况下，铬涂层通过形成致密的钝化Cr?O?层充当环境屏障，从而减轻灾难性的高温水蒸气氧化（Li等，2023）。此外，Cr-Zr共晶温度约为1332 °C，高于法规规定的包壳峰值温度（PCT）限值1204 °C，确保了优异的高温稳定性（Arias和Abriata，1986；Okamoto，1993）。然而，在LOCA瞬态过程中，包壳承受极为严苛的高温条件，在足够严重的情况下可能导致宏观鼓胀甚至最终破裂（Kim等，2021）。尽管实验证据表明铬涂层可有效提高爆破温度并减小破裂开口尺寸（Dunbar等，2024），但涂层本身极易发生结构性劣化。在高应变鼓胀区域，基体的严重蠕变变形极易在相对脆性的涂层中诱发贯穿厚度方向的裂纹，从而危及局部力学完整性，并可能导致包壳过早失效。
近期实验原位研究已证实，铬涂层在拉伸应力下会产生微裂纹（Jiang等，2020）。更为关键的是，在局部应力集中区域，这些微裂纹可能在不利载荷条件下促进局部界面损伤或分层。随着ATF包壳概念的广泛提出，众多研究者最近利用成熟的燃料性能程序对涂层包壳的鼓胀与爆破行为进行了计算研究（Aragón等，2025；Dunbar等，2024；Ma等，2021），例如ABAQUS（Barbero，2023）、BISON（Williamson等，2016；Williamson等，2021）和TRANSURANUS（Lassmann和Blank，1988）。这些研究主要集中于预测宏观指标，包括爆破应变率、全局变形和破裂温度。然而，一个显著的研究空白仍然存在：由显式涂层裂纹引发的界面劣化介观力学演化尚未得到充分探索。许多宏观有限元（FE）模型依赖于"完美粘接"界面的理想化假设，这种简化可能会掩盖与局部断裂相关的载荷传递和界面牵引力再分布现象。
在审视界面的复杂热-力学相互作用时，建模显式裂纹的必要性变得显而易见。在高温LOCA瞬态过程中（例如 > 1000 °C），由于铬层与Zry-4基底之间热膨胀系数（CTE）的固有差异，会产生显著的局部热失配应力。此外，在变形过程中，铬涂层的杨氏模量显著高于Zry-4基底，迫使涂层承受过高的应力水平。先前的断裂力学研究已阐明，裂纹尖端的应力集中是涂层失效的主要诱因（Wei等，2023；Xu等，2021）。上述机制共同揭示了一个关键的潜在隐患：高温热失配、刚度差异和裂纹尖端效应的联合作用可能导致局部界面应力或牵引力的集中。
因此，为弥补这一关键建模空白，本研究基于多物理场面向对象的仿真环境（MOOSE）（Giudicelli等，2024）框架开发了一个完全耦合的热-力学模型。热-力学模型首先与选定的未涂层Zry-4 SATS爆破试验进行基准验证，随后在相同的预设温度和压力历程下评估铬涂层构型，以隔离涂层的力学影响并表征连续涂层-基底系统的热-力学相互作用。在此基础上，实施内聚力区模型（CZM）（Akhavan-Safar等，2022；Roe和Siegmund，2003），并预置贯穿厚度方向的横向涂层裂纹，以解析裂纹引起的牵引力再分布和局部内聚力退化。随后考察内聚力界面属性和裂纹构型（包括初始裂纹开口宽度和裂纹数量）的影响，以识别控制局部界面响应的因素。最后，评估涂层厚度对基底爆破行为和界面损伤的影响，从而评价宏观结构增强与局部界面完整性之间的权衡关系。总体而言，本研究旨在建立一套评估铬涂层Zry-4包壳在LOCA条件下界面稳定性以及涂层分段效应影响的机理框架。
章节摘要
材料本构模型
Zry-4包壳和铬涂层的热导率、比热容、密度、杨氏模量和泊松比等材料属性均取自BISON程序中的内置模型。出于简洁性考虑，此处省略这些本构关系的详细描述，相关内容已在BISON技术手册中有详尽记载（Hales等，2016）。鉴于研究重点在于严重事故试验台（SATS）（Snead等，2015）LOCA实验
包壳爆破行为的基准验证与受控对比
第2.3节所述的未涂层800 psi SATS历程被用作评估热-力学模型的基准。随后在相同的预设温度和压力历程下评估铬涂层构型，以隔离涂层的力学效应。相应地，涂层构型的计算结果被解释为受控对比预测，而非独立的实验验证。相关的
爆破基准与受控涂层对比的解读
两种爆破准则之间的比较为解读基准计算结果提供了重要依据。在预测的437.3 s爆破时刻，临界环向蠕变应变率达到2.78%/s，而最大累积环向蠕变应变仅为0.1217，远低于0.336的过应变阈值。因此，对于本次SATS瞬态过程，应变率准则比应变准则更早地识别出包壳不稳定的起始点，且
结论
本研究在MOOSE框架内开发了一个耦合热-力学与内聚力区模型框架，以研究典型SATS LOCA瞬态条件下铬涂层Zry-4包壳的爆破行为及涂层-基底界面响应。未涂层包壳的预测爆破时间为437.3 s，与约437 s的实验值高度吻合，为后续的受控分析提供了基准。在相同的预设热-力学历程下，
利益冲突声明
作者声明不存在任何已知可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。
张金凯|王昭浩|葛振宏|尹迪|刘文波
