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燃料元件是反应堆内的核心部件,保证其在正常工况下的可靠性及极端事故工况下的完整性是燃料元件设计的重要目标之一。因此,对其服役性能的分析是指导燃料元件设计、预测燃料元件服役寿命、保证反应堆安全运行的重要课题之。本文针对液态金属冷却快堆的棒状燃料元件开发了稳态性能分析程序“KMC-fuel”,用于模拟燃料元件在服役期间的热性能、力学性能及辐照性能演化,为液态金属冷却快堆燃料元件的设计及安全评价提供参考。KMC-fuel以燃料元件的热、力分析模块为主体框架,耦合服役期间的材料行为模型,搭建了一个多物理场耦合的性能分析程序。热分析方面,在轴对称径-轴平面内,联立结构内的固体导热方程及冷却剂对流方程,结合间隙及流体侧换热边界条件得到了描述燃料元件内热量输运过程的温度控制方程组。基于有限容积及有限差分方法,采用Gauss-Seidel线迭代算法数值求解离散后的代数方程组,从而得到燃料元件内的温度场分布。裂变气体释放是影响燃料元件热、力学性能演化的重要过程。KMC-fuel采用修正Booth球模型描述晶内气体扩散过程,基于URGAS算法求解非定常条件下的晶内气体释放;考虑晶间气体饱和及晶粒边界扫掠的影响,实现了裂变气体释放的多阶段模拟。力学分析方面,基于轴对称、广义平面应变及小变形等基本假设,将复杂的燃料棒力学问题简化为一维径向与一维轴向的耦合。在考虑燃料热膨胀、塑性、蠕变、肿胀、密实化等堆内行为的基础上,引入横观各向同性假设模拟芯块开裂导致的应力释放,引入重定位模型描述开裂碎片对间隙的吸收。当芯块-包壳发生接触后,在滑移接触状态下,采用基于Signoriini条件的迭代格式求解接触载荷。最后基于应力的数值差分算法实现了该非线性力学问题的迭代求解。基于上述基本算法,耦合燃料元件服役期间的材料行为模型,完成了 KMC-fuel程序的开发。同时开展了从模块到整体的程序验证工作,包括了线弹性及热弹性理论算例、LIFEANLS及FEAST程序预测结果、FFTF ACO-1及JOYOMK-1、MK-2实验数据,结果表明KMC-fuel能够准确预测燃料元件在稳态工况下的性能演化。最后,利用KMC-fuel初步实现了 1000MW模块化铅冷快堆M2LFR-1000燃料元件的长寿期性能分析及安全评价。结果表明,在稳态工况下燃料元件能够满足各项安全准则:燃料最大燃耗深度约46.13 MWd/kg,燃料中心最高温度约1547℃(限值2300℃),包壳最高温度约530℃(限值550℃/750℃),寿期末气腔压力约1.74MPa(限值5MPa),包壳最大应变0.477%(限值3%),最大热蠕变3.99×10-4%(限值0.2%/1%),包壳最大累积损伤约2.99×10-7(限值0.2～0.3)。总体上,M2LFR-1000燃料元件设计较为保守,燃料温度、气腔压力及包壳损伤等具有较大裕量,安全性能良好。