彌散型核燃料板輻照力學行為的數(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,已廣泛應用于研究實驗堆,在核廢料的處理或飛行器當中亦具有良好的應用前景。
　　 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成。在核反應堆苛刻的環(huán)境之中,核燃料顆粒裂變產生裂變熱;裂變產物使顆粒發(fā)生輻照腫脹;金屬基體隨時間蠕變并硬化變脆。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行為隨燃耗增長的變化情況、考察板的微觀結構參數(shù)和操作參數(shù)變化對熱力學行為產生的影響,對燃料板的使用安全性和優(yōu)化設計都很有必要。
　　 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,分別針對彌散型核燃料板不同的微觀結構參數(shù)(燃料顆粒大小、形狀、體積含量和分布形式)建立了相應的有限元模型。
　　 將燃料元件的壽期分為兩個階段:燃耗起始階段和燃耗發(fā)展階段。起始階段,板內

3、穩(wěn)態(tài)溫度和參考溫度的高溫差是導致板內應力應變的主因,主要對燃料板的熱彈塑性行為進行了數(shù)值計算。而隨著燃耗的增長,輻照腫脹起主導作用,考慮材料的熱彈塑性和大變形效應,將整個壽期分為多個時間步。在每個時間步,都在新的構型下計算溫度場;考慮溫度變化所致熱應變增量,并引入在該時間步中的顆粒腫脹體積應變,對結構場進行模擬。
　　 燃耗初期的研究結果表明,就溫度場而言,表面熱交換系數(shù)越低、燃料顆粒產熱率越高、燃料顆粒體積含量越高、顆粒尺寸越

4、大,板內溫度越高。就結構場而言,表面熱交換系數(shù)越低,Mises應力越低,而等效塑性應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卻影響微觀應力應變場的分布。不同顆粒排列形式對應不同的溫度和應力分布。
　　 燃耗發(fā)展階段的計算結果顯示: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燃耗時與單純熱效應作用時相比,基體內最大Mises應力增長30％,最大拉應力