彌散型燃料的等效性質(zhì)及棒狀元件的輻照力學(xué)行為的研究.pdf

1、彌散型燃料與傳統(tǒng)的燃料元件相比具有高燃耗和高熱導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于研究試驗(yàn)堆,且在核動力艦船和核廢料處理方面有著良好的應(yīng)用前景。
　　 棒狀彌散型燃料由彌散型燃料芯體和包殼構(gòu)成。芯體是由核裂變顆粒彌散分布在金屬基體中構(gòu)成的。在核反應(yīng)堆中,燃料棒處于非?？量痰沫h(huán)境之中,裂變熱使燃料棒內(nèi)部產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力;裂變產(chǎn)物又會使燃料顆粒發(fā)生輻照腫脹而加劇其與基體之間的相互作用;基體在中子的沖擊下會發(fā)生硬化變脆和蠕變現(xiàn)象。所以如何保證燃料棒

2、的安全可靠性是一個非常值得研究的問題。
　　 本文首先對彌散型燃料的等效熱學(xué)性質(zhì)和等效力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究。運(yùn)用細(xì)觀力學(xué)理論結(jié)合有限元法計算了彌散型燃料的等效熱傳導(dǎo)系數(shù)、等效熱膨脹系數(shù)和等效彈性系數(shù),分析了燃耗、溫度、顆粒體積含量、顆粒排列方式和尺寸大小變化對等效性質(zhì)的影響。研究結(jié)果表明,等效熱傳導(dǎo)系數(shù)的計算值和Maxwell模型及Braiisford模型的預(yù)測值最為接近:等效熱膨脹系數(shù)和線性混合模型的預(yù)測值最為接近;而顆粒隨機(jī)排

3、列時的彈性系數(shù)的計算值和Mori-Tanaka法以及自洽法的預(yù)測值最為接近。
　　 其次,針對棒狀彌散犁燃料,在基于一定假設(shè)的基礎(chǔ)上,建立了一個簡化的模型,用有限元軟件Ansys計算其內(nèi)部的溫度場。并計算了燃耗初期和燃耗發(fā)展時基體和包殼中的應(yīng)力應(yīng)變場,考察了燃耗、顆粒產(chǎn)熱率、顆粒體積含量等因素的影響效應(yīng)。
　　 對溫度場的計算結(jié)果表明,顆粒產(chǎn)熱率的增大或體積含量的增大會顯著提高燃料棒中溫度。外圍流體的熱交換系數(shù)不應(yīng)低于0

4、.005W/mm2K,否則棒內(nèi)溫度急劇上升。顆粒的半徑大小的變化對溫度場影響較小。
　　 在燃耗初期,裂變熱導(dǎo)致的熱應(yīng)力場是影響燃料棒安全性的主要因素。顆粒產(chǎn)熱率的增大、體積含量的增多都會顯著增大燃料棒中的應(yīng)力水平和塑性應(yīng)變。顆粒半徑大小的變化則對其影響較小。
　　 當(dāng)燃耗發(fā)展時,顆粒的輻照腫脹會導(dǎo)致其體積膨脹。通過虛擬溫升的方法來模擬顆粒的輻照腫脹行為。此時,燃料棒中的應(yīng)力水平較燃耗初期大大地升高了,塑性應(yīng)變也急劇增加