邓超群，向烽瑞，贺亚男，牛钰航，巫英伟，田文喜，秋穗正，苏光辉

(西安交通大学 动力工程多相流国家重点实验室，陕西 西安 710049)

福岛核电站事故后，事故容错燃料(ATF)成为研究热点[1]，涂层Zr包壳[2]、复合SiC包壳[3]和U3Si2芯块[4]等多种ATF设计被提出。传统燃料性能分析程序FRAPCON[5]、FRAPTRAN[6]和TRANSURANUS[7]等难以实现ATF复杂结构(如多层包壳结构)的建模和分析。因此，亟需开发新的燃料性能分析程序对ATF进行性能分析及设计改进。

当前，美国爱达荷国家实验室(INL)开发了多物理场燃料性能分析程序BISON[8]，并针对UO2-Zr燃料开展了大量验证，但由于技术保密等原因，我国难以获取其使用权限。Deng和He等[9-10]分别基于FRAPCON4.0、FRAPTRAN2.0程序添加了多层SiC稳态、瞬态分析模型，实现了多层SiC包壳燃料棒全堆芯稳态及典型棒瞬态分析，但程序采用差分离散算法，计算结果并不精细。

为实现对ATF行为的模拟，西安交通大学核反应堆热工水力研究室(NuTHeL)基于开源的多物理场有限元平台MOOSE[11]开发棒状燃料元件性能分析程序BEEs[4]，可实现二维柱坐标下的稳态棒状燃料性能分析。由于国际上ATF实验数据较少，目前主要针对BEEs程序中添加的UO2-Zr燃料物性与行为模型开展验证工作，为后续基于BEEs程序实现ATF性能分析奠定基础。

1 控制方程

BEEs程序中燃料热传导方程如下：

(1)

变形计算中假定芯块、包壳均处于静态平衡状态：

(2)

其中：σ为柯西应力张量，Pa；f为体积力，N·kg-1。

2 数学物理模型

当前BEEs程序中添加的UO2-Zr燃料物性及行为模型主要来自MATPRO报告[12]、FRAPCON[5]和BISON理论手册[13]。

2.1 燃耗计算

燃耗计算采用TUBRNP模型[14]，局部平均核子密度为：