颗粒团聚行为对弥散型核燃料芯体失效的影响分析

针对燃料颗粒团聚行为对弥散型核燃料芯体失效的影响,开发了弥散型核燃料元件代表性体元模型的参数化建模及数值计算脚本,综合考虑燃料-基体界面损伤层、燃料颗粒辐照肿胀以及环境压力等关键特征进行了数值建模,系统分析了燃料颗粒团聚体积分数、颗粒团聚位置、运行环境静水压力以及基体材料性质对弥散型核燃料芯体失效的影响规律,发现燃料颗粒团聚区域是弥散型核燃料芯体失效的起点,而运行环境静水压力对芯体应力集中有抑制作用,揭示了燃料颗粒团聚现象对弥散型核燃料元件力学性能的“短板效应”。团聚区域的燃料颗粒通过密集堆叠的方法进行几何建模,局部燃料颗粒团聚体积分数由最小颗粒间距定义。有限元计算结果表明,燃料颗粒团聚体积分数越大,弥散型核燃料芯体越容易失效。而包壳外的环境压力会降低芯体内燃料颗粒团聚区域的应力水平,但随着局部团聚程度的增加,环境压力对芯体中Mises应力的影响逐渐减小。此外,燃料颗粒团聚区域相对弥散型核燃料芯体厚度方向位置改变对芯体的最大Mises应力几乎没有影响;燃料颗粒团聚区域在弥散型核燃料芯体的面内分布位置和环境压力共同决定弥散型核燃料芯体的失效行为。本研究可为弥散型核燃料元件的失效条件预测、可靠性评估和结构优化设计提供分析方法和数值依据。

在板型核燃料元件服役行为模拟中引入离散辐照数据的方法

核燃料元件的辐照工况条件一般只能以离散数据的形式给出,如何将其引入元件堆内热力耦合行为的计算模拟中成为一个关键性的问题。本文针对板型弥散核燃料元件,建立了一系列的方法,可将大量的离散辐照数据处理为所需要的数据格式,从文件中精确搜索到所需要的数据点和辐照数据,并插值到元件热力耦合分析单元的积分点。通过编制FORTRAN程序,将离散辐照数据成功地引入定义等效芯体和包壳材料热-力学本构关系的用户材料子程序、定义等效芯体产热率的子程序,从而将离散辐照工况数据引入了元件热力耦合服役行为的有限元计算。通过输出元件堆内行为有限元计算中所实际使用的工况数据,验证了离散辐照数据引入方法的正确性和高效性。