作為核反應堆能量轉換和釋放的核心載體，核燃料的性能參數(shù)直接影響反應堆系統(tǒng)的安全特性、經(jīng)濟效率和運行穩(wěn)定性。目前，工業(yè)應用的核燃料主要采用均勻U-235富集設計。雖然這種方法在大規(guī)模生產(chǎn)方面具有顯著的經(jīng)濟效益和工藝可行性，但它存在固有的局限性，包括燃料利用率不佳、功率分布不均勻以及熱-水力性能優(yōu)化方面的挑戰(zhàn)。隨著增材制造技術（Additive Manufacturing, AM）在復雜部件成形領域的突破性進展，其逐層堆疊和近凈成形能力為核燃料組件的創(chuàng)新設計提供了新的范式。美國橡樹嶺國家實驗室的Transformative Challenge Reactor（TCR）項目證實（Terrani等人，2021年），增材制造技術不僅可以實現(xiàn)燃料組件支撐結構等關鍵部件的精密制造，還在整體堆芯三維打印領域顯示出顯著的技術優(yōu)勢，包括縮短制造周期、優(yōu)化生產(chǎn)成本和提高安全冗余度等綜合效益。值得注意的是，前沿研究（Nelson，2023年）提出了通過成分梯度和同位素梯度策略對燃料元件進行功能化設計的方法。盡管這些設計尚未通過實驗驗證，但研究其中性子學特性對于推進增材制造在核燃料領域的應用具有重要的理論價值。

雖然增材制造技術打破了傳統(tǒng)燃料形式的幾何限制，但目前的大部分研究都集中在新型復雜幾何形狀上。然而，系統(tǒng)地研究增材制造支持的梯度設計如何提升傳統(tǒng)廣泛使用的圓柱形燃料的性能仍然是一個重要的研究空白。解決這一空白對于將增材制造應用于改進現(xiàn)有反應堆技術具有重要意義。因此，本研究選擇標準圓柱形燃料作為起點，開展梯度設計的基礎研究，旨在建立梯度分布與中子學參數(shù)之間的關聯(lián)，并為后續(xù)的復合梯度設計的耦合幾何優(yōu)化奠定理論基礎。盡管增材制造在核燃料設計中提供了前所未有的幾何靈活性，但同位素和成分梯度的可實現(xiàn)設計空間仍受到關鍵制造限制的約束。具體而言，當前增材制造技術（如激光燒結和粘結劑噴射）的徑向分辨率通常在50至200微米之間，不足以支持陡峭的亞毫米級梯度（例如，在不到2毫米的距離內(nèi)U-235富集度變化1-5%）（Nelson，2019年）。此外，UO₂（約10.4克/立方厘米）和SiC（約3.2克/立方厘米）粉末之間的固有密度不匹配會導致粉末混合過程中的分離，從而產(chǎn)生局部成分偏差，降低熱導率和中子慢化性能（Nelson，2023年）。因此，本研究中提出的梯度配置應被視為理論性能基準，旨在為未來的增材制造工藝開發(fā)提供信息，而不是反映立即可制造的設計。

對于圓柱形燃料而言，其徑向中子行為受到“洋蔥皮效應”（Knott和Yamamoto，2010年）的影響，具體表現(xiàn)為：在共振自屏蔽效應下，由于燃料表面的高中子吸收截面，功率密度在表面區(qū)域達到峰值，導致局部優(yōu)先燃燒和钚-239的梯度積累。然而，在梯度燃料設計中，這種經(jīng)典的“洋蔥皮”行為變得更加復雜。初始富集梯度的施加從根本上改變了空間自屏蔽基線。例如，在外圍低富集設計中，豐富的U-238在棒表面起到強烈的共振吸收劑作用，加劇了邊緣Pu-239的優(yōu)先增殖。隨著輻照的進行，這種在邊緣迅速積累的Pu-239與熱中子競爭，動態(tài)重塑了徑向共振吸收剖面和功率分布，這與均勻燃料的情況不同。更復雜的是，燃料的徑向溫度分布和功率分布之間存在耦合和反饋關系，不同的溫度分布會影響共振自屏蔽效應。這種共振自屏蔽效應進一步影響中子傳輸、功率分布和燃耗，進而反饋到徑向溫度分布；作者團隊之前已經(jīng)探討了這種溫度-燃耗耦合（Zhang等人，2020年）。

本研究旨在釋放增材制造支持的梯度設計在優(yōu)化傳統(tǒng)圓柱形燃料方面的潛力。為此，在保持總鈾或U-235裝載量不變的條件下，我們探討了四個基本且相互關聯(lián)的科學問題：（1）梯度設計能否提高初始反應性并延長堆芯壽命？（2）徑向功率平衡能否改善燃耗均勻性，從而提高燃料利用率？（3）溫度梯度控制能否增強系統(tǒng)安全裕度？

為回答這些問題，本研究使用蒙特卡洛代碼Serpent構建了高保真度燃料棒模型，并進行了一系列系統(tǒng)的數(shù)值實驗。我們的研究分為四個階段：首先，我們評估不同梯度配置對初始反應性和堆芯壽命的影響；其次，我們模擬優(yōu)化設計的燃耗演變，分析功率分布的動態(tài)；第三，我們開發(fā)了一個簡化的徑向溫度-功率耦合模型，探索熱物理協(xié)同設計的途徑；最后，通過經(jīng)濟分析評估梯度設計的實際工程適用性。全文的組織結構如下：第2節(jié)將首先介紹外部耦合方案；第3節(jié)介紹燃料棒和梯度分布方案的建模；第4節(jié)詳細討論梯度分布方案對反應性、燃料利用率和溫度分布的影響；第5節(jié)進行討論，第6節(jié)給出結論。