液態(tài)金屬冷卻快堆燃料元件的性能分析程序開發(fā)及應(yīng)用.pdf

1、燃料元件是反應(yīng)堆內(nèi)的核心部件，保證其在正常工況下的可靠性及極端事故工況下的完整性是燃料元件設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)之一。因此，對(duì)其服役性能的分析是指導(dǎo)燃料元件設(shè)計(jì)、預(yù)測(cè)燃料元件服役壽命、保證反應(yīng)堆安全運(yùn)行的重要課題之一。
　　本文針對(duì)液態(tài)金屬冷卻快堆的棒狀燃料元件開發(fā)了穩(wěn)態(tài)性能分析程序“KMC-fuel”，用于模擬燃料元件在服役期間的熱性能、力學(xué)性能及輻照性能演化，為液態(tài)金屬冷卻快堆燃料元件的設(shè)計(jì)及安全評(píng)價(jià)提供參考。KMC-fuel以燃料元

2、件的熱、力分析模塊為主體框架，耦合服役期間的材料行為模型，搭建了一個(gè)多物理場(chǎng)耦合的性能分析程序。
　　熱分析方面，在軸對(duì)稱徑-軸平面內(nèi)，聯(lián)立結(jié)構(gòu)內(nèi)的固體導(dǎo)熱方程及冷卻劑對(duì)流方程，結(jié)合間隙及流體側(cè)換熱邊界條件得到了描述燃料元件內(nèi)熱量輸運(yùn)過程的溫度控制方程組?；谟邢奕莘e及有限差分方法，采用Gauss-Seidel線迭代算法數(shù)值求解離散后的代數(shù)方程組，從而得到燃料元件內(nèi)的溫度場(chǎng)分布。
　　裂變氣體釋放是影響燃料元件熱、力學(xué)性能演

3、化的重要過程。KMC-fuel采用修正Booth球模型描述晶內(nèi)氣體擴(kuò)散過程，基于URGAS算法求解非定常條件下的晶內(nèi)氣體釋放;考慮晶間氣體飽和及晶粒邊界掃掠的影響，實(shí)現(xiàn)了裂變氣體釋放的多階段模擬。
　　力學(xué)分析方面，基于軸對(duì)稱、廣義平面應(yīng)變及小變形等基本假設(shè)，將復(fù)雜的燃料棒力學(xué)問題簡(jiǎn)化為一維徑向與一維軸向的耦合。在考慮燃料熱膨脹、塑性、蠕變、腫脹、密實(shí)化等堆內(nèi)行為的基礎(chǔ)上，引入橫觀各向同性假設(shè)模擬芯塊開裂導(dǎo)致的應(yīng)力釋放，引入重定位

4、模型描述開裂碎片對(duì)間隙的吸收。當(dāng)芯塊-包殼發(fā)生接觸后，在滑移接觸狀態(tài)下，采用基于Signorini條件的迭代格式求解接觸載荷。最后基于應(yīng)力的數(shù)值差分算法實(shí)現(xiàn)了該非線性力學(xué)問題的迭代求解。
　　基于上述基本算法，耦合燃料元件服役期間的材料行為模型，完成了KMC-fuel程序的開發(fā)。同時(shí)開展了從模塊到整體的程序驗(yàn)證工作，包括了線彈性及熱彈性理論算例、LIFEANLS及FEAST程序預(yù)測(cè)結(jié)果、FFTF ACO-1及JOYO MK-1、M

5、K-2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果表明KMC-fuel能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)燃料元件在穩(wěn)態(tài)工況下的性能演化。
　　最后，利用KMC-fuel初步實(shí)現(xiàn)了1000MW模塊化鉛冷快堆M2LFR-1000燃料元件的長(zhǎng)壽期性能分析及安全評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，在穩(wěn)態(tài)工況下燃料元件能夠滿足各項(xiàng)安全準(zhǔn)則:燃料最大燃耗深度約46.13MWd/kg，燃料中心最高溫度約1547℃（限值2300℃），包殼最高溫度約530℃（限值550℃/750℃），壽期末氣腔壓力約1.74MPa(限