高燃耗下核燃料颗粒内部的应力状态及关键影响因素研究

高燃耗是先进反应堆堆芯的发展方向,高燃耗下核燃料内部微结构的精细化建模是燃料强度分析和性能评估的基础。本研究开发了高燃耗燃料颗粒微结构的自动化建模和力学计算程序,综合考虑燃料颗粒内气孔尺寸、位置的非均匀分布特征,系统分析了基体材料的力学性能、燃料颗粒间距、运行环境静水压力及裂变碎片损伤层对燃料颗粒开裂行为的影响规律。结果表明:燃料颗粒间距越大,燃料颗粒越不易开裂;裂变碎片损伤层的存在使得燃料颗粒开裂风险小幅增大;燃料颗粒内气孔尺寸、位置分布的非均匀性,会导致燃料颗粒从多处开裂,且颗粒在外层开裂的概率更大;开裂危险区普遍具有气孔尺寸较大且大气孔串联的特征;基体材料对燃料颗粒表面作用的约束压应力具有较大的波动性,但应力均值随燃料元件所受静水压力的增大而近乎线性增大;增大弥散燃料基体材料的弹性模量可在一定程度上抑制燃料颗粒的开裂行为;燃料元件所受静水压应力越大,燃料颗粒越不易开裂,而燃料颗粒间距缩小能削弱环境压应力的影响程度。本工作为高燃耗条件下弥散燃料安全评估及优化设计提供了分析方法及数值参考。