UMo-Zr单片式燃料板结构改进研究

基于有限元分析软件ABAQUS将燃料包壳和芯体的辐照-热-力本构关系引入数值模拟计算,初步建立了UMo-Zr单片式燃料板堆内热力行为的模拟方法。基于该数值模拟方法,针对均匀辐照的工况,通过改变燃料芯体长度、宽度、厚度3个方向的尺寸和边角的形状,研究芯体结构对辐照后温度场和应力场的影响。研究结果表明,辐照后的温度场和应力场对芯体厚度方向的尺寸变化最敏感;对芯体边角处进行倒角处理能够减小辐照后的米塞斯(MISES)应力峰值。

UMo/Zr单片式燃料板起泡行为数值模拟

燃料板的鼓泡临界温度是制定研究试验堆安全系数的标准之一,通常由鼓泡退火实验确定。针对鼓泡退火实验,本研究发展了一种对UMo/Zr单片式燃料板宏观起泡行为进行计算模拟的方法,并计算分析了气腔内裂变气体原子数对鼓泡高度的影响,获得了包壳内的Mises应力和等效塑性应变随温度升高而演化的规律。研究发现,气腔周围包壳产生塑性变形是起泡的一个关键原因。此研究为燃料板起泡机理和关键影响因素分析打下了基础。

单片式核燃料板轧制过程的数值模拟研究

针对UMo合金单片式核燃料板锆合金包壳材料应变率相关的力学本构关系,推导出其三维应力更新算法,相应地编写了定义其本构关系的VUMAT子程序并验证了程序的正确性;建立了对UMo合金单片式板元件的框架轧制过程进行计算模拟的有限元模型;利用显式动力有限元法,计算分析了复合坯内部的变形以及接触压强在轧制过程中的演化规律。研究结果表明,利用VUMAT用户材料子程序能方便正确地定义材料应变率相关的本构关系;燃料芯体与盖板之间的轧制接触压力随时间而演化,在靠近宽度方向的对称面处具有最大的接触压力。本研究为优化UMo合金单片式核燃料板的制造工艺参数提供了理论基础和计算手段。

热蠕变对UMo/Zr单片式燃料板起泡行为的影响

针对含有气腔的UMo/Zr单片式燃料板,考虑包壳材料的热蠕变效应,将包壳的变形与气腔压力相耦合,发展了一种对燃料板宏观起泡行为进行数值模拟的方法。基于所建立的模拟方法,计算分析了包壳热蠕变和气腔内裂变气体原子数对起泡行为的影响。研究发现,在考虑包壳热蠕变时,若局部开裂区域内的裂变气体原子数为4.0×1017,以鼓泡高度0.1 mm作为起泡阈值的判断标准,所预测出的阈值温度比不考虑热蠕变时低100℃;若局部开裂区内的裂变气体原子数由2.5×1017增加至4.0×1017,则燃料板的起泡阈值温度将可能降低40℃,通过降低包壳材料的热蠕变率可以有效提高燃料板的抗鼓泡能力。