彌散型核燃料板輻照力學(xué)行為的數(shù)值模擬.pdf

1、金屬基彌散型核燃料板與傳統(tǒng)棒狀核燃料元件相比具有高燃耗和高熱導(dǎo),已廣泛應(yīng)用于研究實(shí)驗(yàn)堆,在核廢料的處理或飛行器當(dāng)中亦具有良好的應(yīng)用前景。
　　 金屬基彌散型核燃料板是由金屬包殼和金屬基彌散型核燃料芯體組成。芯體是由核燃料顆粒彌散分布在金屬基體所構(gòu)成。在核反應(yīng)堆苛刻的環(huán)境之中,核燃料顆粒裂變產(chǎn)生裂變熱;裂變產(chǎn)物使顆粒發(fā)生輻照腫脹;金屬基體隨時(shí)間蠕變并硬化變脆。燃料板的安全使用需確保基體和包殼的完整性及板厚尺寸的穩(wěn)定性。所以,本文利

2、用有限元法研究燃料板的熱力學(xué)行為隨燃耗增長(zhǎng)的變化情況、考察板的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)變化對(duì)熱力學(xué)行為產(chǎn)生的影響,對(duì)燃料板的使用安全性和優(yōu)化設(shè)計(jì)都很有必要。
　　 本研究考慮了顆粒和基體之間、芯體與包殼之間的相互作用,采用代表性板元的方法,分別針對(duì)彌散型核燃料板不同的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)(燃料顆粒大小、形狀、體積含量和分布形式)建立了相應(yīng)的有限元模型。
　　 將燃料元件的壽期分為兩個(gè)階段:燃耗起始階段和燃耗發(fā)展階段。起始階段,板內(nèi)

3、穩(wěn)態(tài)溫度和參考溫度的高溫差是導(dǎo)致板內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變的主因,主要對(duì)燃料板的熱彈塑性行為進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。而隨著燃耗的增長(zhǎng),輻照腫脹起主導(dǎo)作用,考慮材料的熱彈塑性和大變形效應(yīng),將整個(gè)壽期分為多個(gè)時(shí)間步。在每個(gè)時(shí)間步,都在新的構(gòu)型下計(jì)算溫度場(chǎng);考慮溫度變化所致熱應(yīng)變?cè)隽?并引入在該時(shí)間步中的顆粒腫脹體積應(yīng)變,對(duì)結(jié)構(gòu)場(chǎng)進(jìn)行模擬。
　　 燃耗初期的研究結(jié)果表明,就溫度場(chǎng)而言,表面熱交換系數(shù)越低、燃料顆粒產(chǎn)熱率越高、燃料顆粒體積含量越高、顆粒尺寸越

4、大,板內(nèi)溫度越高。就結(jié)構(gòu)場(chǎng)而言,表面熱交換系數(shù)越低,Mises應(yīng)力越低,而等效塑性應(yīng)變和板厚增量卻增大;顆粒體積含量越高、尺寸越大,燃料板的安全性越低。顆粒形狀不影響溫度場(chǎng)卻影響微觀應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的分布。不同顆粒排列形式對(duì)應(yīng)不同的溫度和應(yīng)力分布。
　　 燃耗發(fā)展階段的計(jì)算結(jié)果顯示:體積含量20％、直徑100um的球形顆粒在基體中均勻分布的模型,30％FIMA燃耗時(shí)與單純熱效應(yīng)作用時(shí)相比,基體內(nèi)最大Mises應(yīng)力增長(zhǎng)30％,最大拉應(yīng)力