基于弥散燃料颗粒开裂的裂变气体释放模型

根据弥散燃料颗粒开裂后裂变气体的3种释放途径，分别建立了裂纹连通释放模型、气泡连通释放模型以及原子扩散释放模型，综合得到了基于弥散燃料颗粒开裂的裂变气体释放模型，并采用该模型对裂变气体释放量进行了计算。结果表明:裂变气体释放量主要由裂纹连通释放途径贡献；燃耗深度越高，裂变气体释放量的增加速率会越大；随着退火温度的增加，裂变气体释放量迅速增加，而退火时间越长，裂变气体释放量的增加速率越低。通过裂变气体释放量模型计算得到的裂纹宽度与实验观察到的裂纹宽度符合较好，对比结果验证了基于弥散燃料颗粒开裂的裂变气体释放模型的合理性。      

高燃耗陶瓷燃料颗粒的参数化建模及强度分析

弥散燃料芯体中的陶瓷燃料颗粒在辐照条件下会形成裂变气孔,燃料颗粒内部气孔间的相互干涉作用及气孔内压的增长致使局部拉应力超过材料强度极限,进而导致燃料颗粒开裂。本文考虑高燃耗燃料颗粒内气孔尺寸和位置分布的非均匀性,实现了颗粒内部的细观结构参数化建模。运用有限元方法计算并分析了气孔尺寸、基体约束压应力、温度和气孔分布方式对颗粒内部最大拉应力的影响,研究了颗粒内开裂危险区的分布规律。结果表明,陶瓷燃料颗粒最大拉应力随气孔尺寸和温度的增加而增大,随基体约束压应力的增加而减小;燃料相的断裂强度减小,开裂危险区面积增大;燃料颗粒从内部多处开裂破坏,而表层处开裂的概率更大。本文为弥散燃料失效研究及优化设计提供了分析方法及数值参考。     

多气泡对燃料颗粒应力分布的影响研究

利用有限元模拟方法建立了UO2弥散型燃料颗粒受内部多个气泡内压作用的模型,计算得到了燃料颗粒内部存在多个气泡时的应力分布结果。结果表明,当气泡沿x轴均匀排列时,y方向的最大正应力随气泡数量的增多而增大,且增大幅度逐渐减小,气泡对燃料颗粒内部最大正应力的影响存在极限;当存在多行气泡时,燃料颗粒内部x方向的最大正应力随气泡行数的增加而增大,y方向的最大正应力随气泡行数的增加而减小;气泡造成的燃料颗粒内部的应力集中效应随距径比的增大而减小。     

弥散燃料颗粒裂纹起源的有限元模拟分析

通过建立含多气泡的燃料颗粒模型,采用有限元方法分析了燃料颗粒在裂变气体气泡内压作用下的应力分布,统计了燃料颗粒内部气泡位置对气泡内壁处的最大拉应力的影响,并结合实验结果探寻了弥散燃料颗粒在辐照后退火时的裂纹起源。结果表明:当弥散燃料颗粒内部含有多个裂变气体气泡时,受气泡内压作用,气泡内壁径向应力为压应力,环向应力为拉应力;气泡位置距燃料颗粒心部越远,气泡内壁处的最大环向拉应力越大;表层气泡的最大环向拉应力远大于心部气泡的;燃料颗粒裂纹起源于表层气泡内壁。     

UMo/Al弥散燃料板内裂变气体肿胀的静压效应研究

将核燃料的裂变气体肿胀与静水压力计算相耦合,并考虑重要的辐照蠕变,编制了定义其复杂力学本构关系的子程序。将定义各部分材料热-力学本构关系的用户子程序引入ABAQUS软件,获得了燃料板细观尺度下辐照-热-力耦合行为的计算模拟方法,并计算分析了核燃料裂变气体肿胀的静压效应。与不考虑裂变气体肿胀静压相关性的计算结果对比发现,在裂变气体肿胀计算中引入静压的影响,将使得核燃料颗粒内的辐照肿胀应变显著减小,引起板内最高温度降低,并减弱燃料颗粒和基体间的力学相互作用,减小燃料颗粒内的等效蠕变应变,致使基体内最大Mises应力和第一主应力减小。     

基于断裂强度的陶瓷燃料颗粒开裂模型

基于陶瓷燃料断裂强度建立弥散型燃料中陶瓷燃料颗粒开裂行为的数学模型。以铜基弥散型燃料为例,通过计算预测燃料颗粒的开裂温度与燃耗的关系,分析基体金属、环境约束、燃料相的体积、燃料颗粒尺寸对开裂温度的影响,探讨提高燃料颗粒开裂温度的途径。结果表明,燃料颗粒开裂温度与燃耗深度近似呈幂律关系,随燃料相体积的增加近似直线下降;裂变气体气孔率和孔径的增加利于提高颗粒的开裂温度。     

弥散型燃料的裂变气体行为研究

探讨了弥散型燃料中对辐照肿胀有重要影响的裂变气体的行为机理。裂变气体原子聚集成气泡引起燃料相肿胀，气泡的尺寸分布是影响辐照肿胀的重要因素。决定气泡生长的裂变气体的行为机理主要有：裂变气体原子的产生和热扩散迁移，气泡的成核和聚合长大，气泡内气体原子的重溶，燃料相的辐照亚晶化等过程。燃料中各种尺寸的气泡浓度随时间的变化率可用气泡生长的动力学速率方程组来描述。当裂变密度较高时，辐照产生的缺陷引起燃料相的     

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。      

烧结二氧化铀燃料裂变气体肿胀的数值模拟研究

建立低温条件下烧结二氧化铀燃料(简称UO2燃料)中裂变气体的肿胀计算模型,采用有限差分方法编写计算程序,定量计算不同燃耗和温度条件下UO2燃料中固溶态的裂变气体份额、裂变气体气泡的密度与平均半径以及它们对燃料肿胀的贡献.计算表明,该模型能用于预测低温条件下UO2燃料中裂变气体所导致的肿胀随燃耗的变化规律.     

钍基氟盐冷却高温堆TRISO包覆燃料颗粒结构优化分析

钍基氟盐冷却高温堆(Thorium-based Pebble Bed Fluoride Salt-cooled High-temperature Reactor,PBTFHR)作为第四代核反应堆的堆型之一,其燃料元件由TRISO(TRi-structural ISOtropic)包覆燃料颗粒组成,具有较好的中子性能和安全性。本工作采用SCALE 6.1程序开展PB-TFHR的临界和燃耗性能计算,结合PANAMA模型研究包覆燃料颗粒的破损率,分析了PB-TFHR中TRISO包覆燃料颗粒的kernel半径、包覆层的厚度和密度对堆芯中子学性能、裂变气体氪、氙和碘产量及包覆燃料颗粒破损率的影响,给出优化的包覆燃料颗粒结构,为其物理设计提供参考。研究发现:当保持包覆层的厚度和密度不变时,较大的kernel半径(≥0.01 cm)可使堆芯处于欠慢化区,且堆芯温度反应性系数均为负值;在相同的燃耗下,kernel半径越小,堆芯中裂变气体的生成量越少,且包覆颗粒的破损率越小;当保持包覆层密度不变,只改变包覆层的厚度时,疏松热解炭层和内致密热解炭层的厚度对keff有较大影响;而当保持包覆层厚度不变只改变包覆层的密度对keff影响较小。     

包覆燃料颗粒尺寸及其标准偏差对失效概率的影响

三结构同向性型(Tristructural isotropic,TRISO)包覆燃料颗粒是目前高温气冷堆和固态燃料熔盐堆采用的燃料元件。TRISO包覆燃料颗粒破损会导致裂变产物不可接受的释放,由此影响反应堆的安全运行。基于TRISO包覆燃料颗粒压力壳式破损模型,分析了TRISO包覆燃料颗粒核芯和各包覆层的尺寸对失效概率的影响,研究了TRISO包覆燃料颗粒核芯半径、疏松热解碳(Buffer)层厚度和碳化硅(Si C)层厚度的合理设计范围。同时,利用随机抽样统计的方法分析了TRISO包覆燃料颗粒核芯半径分布和各包覆层厚度分布对颗粒失效概率的影响。研究发现,降低Buffer层厚度分布的标准差至16μm可以使TRISO包覆燃料颗粒的失效概率降低一个数量级。     

气泡相互作用对燃料颗粒应力分布的影响

本工作建立了受气泡内压作用的双气泡UO2模型，利用有限元方法得到燃料颗粒受气泡内压作用、不同气泡间距条件下的燃料颗粒应力分布结果，并讨论了气泡间距、气泡半径和气泡内压对气泡之间相互作用的影响。研究结果表明，受气泡相互作用的影响，燃料颗粒内部产生了应力集中，应力集中倍率与气泡间距和气泡半径的比值（距径比）有关，与气泡内压无关。当距径比等于1时，应力集中倍率约为未考虑气泡相互作用影响时的2倍。当气泡尺寸不同时，应力集中主要发生在靠近小气泡的燃料基体处。     

弥散型燃料板辐照肿胀行为的有限元分析

采用颗粒复合材料的细观力学研究思路,针对弥散型燃料板,选择一种代表性单元作为研究对象,用与裂变密度和燃耗相对应的、不断增大的裂变压力模拟燃料颗粒裂变对铝基体所产生的力学贡献,对研究对象进行了热力耦合分析.考察了裂变压力、温度应变和燃料颗粒沿厚度非均布对颗粒肿胀的影响,并对弥散型燃料板基体的米塞斯应力分布情况进行了分析.研究结果表明,颗粒百分比含量越高,颗粒肿胀的速度相对越快;随着裂变压力增大,颗粒肿胀的速率急剧增大,且颗粒不再是圆形;在正常工作和选取的参数条件下,温度应变对总变形的影响不大;当裂变压力不大时,非均匀分布对颗粒肿胀几乎没有影响,随着裂变压力的增大,非均匀分布的颗粒肿胀明显高于均布情况,而且越来越明显;基体的应力非球对称分布.     

包复燃料颗粒的设计和应用计算

一、包复燃料颗粒设计的基本考虑在高温气冷堆运行中,包复燃料颗粒的破坏因素可归纳为:由于裂变气体内压过高;快中子辐照导致外包复层尺寸变化过大,以致承受过大应力而破坏;燃料芯核迁移(“Amoeba”效应)使外包复层破裂;有时裂变碎片与包复层起化学作用而造成破坏,     

UN核芯TRISO燃料颗粒破损概率模型研究

TRISO燃料颗粒由核芯和4层包覆层组成,具有良好的裂变产物包容能力。TRISO燃料颗粒破损概率是表征TRISO燃料事故安全特性的关键参数。本文基于修正的PANAMA破损概率计算方法,在考虑UN核芯裂变气体释放导致的气体内压以及内外致密热解炭层辐照蠕变和收缩作用的基础上,开发了UN核芯TRISO燃料颗粒压力壳式破损概率计算方法,并采用IAEA基准题6和基准题9对模型进行了验证;基于开发的UN核芯TRISO颗粒破损概率计算方法,采用随机抽样统计方法分析了事故工况下UN核芯和包覆层设计参数（包括包覆层尺寸及密度）对UN核芯TRISO燃料颗粒破损概率的影响。研究结果显示,疏松热解炭（Buffer）层设计参数是影响TRISO颗粒破损概率的关键因素,可通过降低Buffer层尺寸及密度分布设计标准偏差的方法降低UN核芯TRISO燃料颗粒的破损概率。     

TRISO燃料颗粒等效导热系数理论模型研究

三层各向同性碳包覆（TRISO）燃料颗粒由核芯和4层包覆层组成，具有良好的裂变产物包容能力，其等效导热系数是计算弥散微封装燃料等效导热系数的重要基础。本文首先从球坐标下基本导热方程出发，基于多相固体宏观等效导热理论，建立了TRISO燃料颗粒等效导热系数理论计算模型；然后，结合固-固二元复合材料等效导热系数Chiew-Glandt模型分析了锆基微封装燃料（M3）芯体等效导热系数。结果表明，本文开发的模型可有效模拟TRISO燃料等效导热系数。基于开发的TRISO等效导热系数模型计算获得了全陶瓷微封装燃料（FCM）的等效导热系数。      

金属基弥散微封装燃料中TRISO燃料颗粒的尺寸优化设计

弥散微封装燃料是将包覆燃料颗粒弥散在基体中形成燃料芯块或者燃料棒，是目前耐事故燃料（ATF）中最具发展潜力的燃料之一。包覆燃料颗粒为三结构同向型（TRISO）或者两结构同向型（BISO）包覆燃料颗粒，基体可以是金属也可以是陶瓷。本文用有限元分析软件ABAQUS对金属基弥散微封装燃料进行了分析计算。通过分析TRISO燃料颗粒各包覆层厚度对燃料性能的影响，提出优化改进的建议。研究结果表明，疏松热解碳层（Buffer）厚度越大，燃料颗粒发生破损失效的燃耗越高，因此设计时应考虑增加其厚度；内部致密热解碳层（IPyC）厚度越大，其自身的最大环向拉应力越大，因此设计时应降低其厚度；碳化硅（SiC）层厚度越大，其自身环向压应力越小，因此设计时应降低其厚度。本文的研究结果可为金属基弥散微封装燃料的优化设计提供指导。      

U3Si2—Al弥散型燃料的辐照肿胀研究

介绍了U3Si2-Al弥散型燃料的辐照肿胀机理。将弥散型燃料的芯体视为连续基体中的微型燃料元件,应用裂变气体的行为机理描述燃料相中的气泡形成过程。研究结果表明：燃料相的肿胀引起燃料颗粒和金属基体之间的力学相互作用,金属基体能抑制燃料颗粒的辐照肿胀。在一定辐照条件下,本模型对燃料元件辐照肿胀的预测值与测量值相符。     

U_3Si_2Al弥散型燃料的辐照肿胀研究

介绍了U3Si2 Al弥散型燃料的辐照肿胀机理。将弥散型燃料的芯体视为连续基体中的微型燃料元件 ,应用裂变气体的行为机理描述燃料相中的气泡形成过程。研究结果表明 :燃料相的肿胀引起燃料颗粒和金属基体之间的力学相互作用 ,金属基体能抑制燃料颗粒的辐照肿胀。在一定辐照条件下 ,本模型对燃料元件辐照肿胀的预测值与测量值相符     

FCM燃料堆内行为模拟及结构设计研究

本文采用二维特征模型模拟不同无燃料区厚度全陶瓷微封装弥散（FCM）燃料的热力学行为，在保证堆芯装载要求的条件下，研究不同结构FCM燃料SiC基体和包覆燃料颗粒SiC层的应力状态。通过优化无燃料区厚度，调整TRISO颗粒间的间距，保证无燃料区和SiC层同时具有较低的应力水平。分析了无燃料区厚度为100 ~ 500 μm时基体SiC、无燃料区以及SiC层的应力分布，结果表明，基体SiC和SiC层最大应力随无燃料区厚度增大而增大，而无燃料区的最大应力则随其厚度增大而降低。当无燃料区厚度为400 μm时，无燃料区和SiC层均处于较低的应力状态，无燃料区SiC基体应力约为400 MPa，而SiC层的最大环向应力约为200 MPa，其失效概率约为2.5×10-4。因此，当无燃料区厚度为400 μm时，FCM燃料既能维持芯块结构完整，又能保证SiC层具有较低的失效概率。结构优化为FCM燃料的应用提供了基础。