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。     

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。     

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。      

裂变气体气泡尺寸对弥散燃料颗粒内部特征的影响规律

在前期均匀裂变气体气泡尺寸弥散燃料颗粒开裂模型基础上,基于不同尺寸气泡压力作用于燃料相的米塞斯(Mises)应力相等这一假设条件,建立了非均匀气泡尺寸的燃料颗粒开裂模型,并通过模型计算了裂变气体气泡尺寸对燃料相等效层厚度、气泡中气体原子数、气泡压力、燃料相最大张应力等内部特征的影响规律。计算结果表明:当气泡半径较大时,燃料相等效层厚度与气泡半径近似呈线性关系,当气泡尺寸较小时,等效层厚度与气泡半径之比随气泡半径减小急剧增加;随着气泡半径减小,气体原子数浓度增加;在升温过程中气泡内壁最大张应力的增大速率明显高于开裂阻力,气泡半径越小,燃料颗粒开裂温度越低。     

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。      

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     

多物理场耦合TRISO颗粒堆内行为研究

三向同性燃料(TRISO)颗粒是高温气冷堆元件和弥散微封装燃料最核心的组成部分,在反应堆运行过程中,TRISO颗粒在辐照-热-力多物理场的作用下发生变形、产生温度梯度及颗粒内部裂变产物扩散等行为,为研究TRISO颗粒在高温气冷堆环境下的堆内行为,本文通过设置边界条件,定义燃料材料物性模型,建立了辐照-热-力耦合作用下TRISO颗粒的多物理场计算方法,应用三维有限元平台对TRISO颗粒的堆内行为进行分析。结果表明,TRISO颗粒核芯温度随核芯功率增大而增大,但相应的温度梯度绝对值变化较小;颗粒中疏松热解碳层(Buffer层)与内致密热解碳(IPyC)层产生间隙,且寿期末间隙尺寸随核芯功率增大而降低;TRISO颗粒中IPyC层受到较大拉应力,而SiC层只有在较高的核芯功率下,才会受到拉应力,且最大拉应力随核芯功率增大而增大,这导致高核芯功率下SiC层的失效概率达到2.2×10^-6。SiC层对¹¹⁰Ag、⁹⁰Sr、¹³⁷Cs等裂变产物具有优良的包容能力,在寿期末,SiC层以外几乎不存在裂变产物,这验证了T...     

包覆燃料颗粒应力的有限元分析

高温气冷堆的燃料元件由包覆燃料颗粒弥散在石墨基体中组成。在反应堆运行过程中,辐照及各复杂的物理化学反应产生的应力会使包覆燃料颗粒发生破损,对包覆燃料颗粒进行应力分析是评价燃料元件和反应堆运行安全性能的主要内容之一。本文基于压力壳模式,主要考虑内压作用下的球形壳层应力及包覆燃料颗粒的非球形因素,用有限元法对应力进行了分析。     

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。     

基于弥散燃料颗粒开裂的金属基体裂纹特征模型

金属基弥散燃料元件在特殊工况下会发生表面起泡失效。燃料颗粒开裂是金属基体开裂的前提条件，只有当金属基体开裂后元件才会发生表面起泡。燃料颗粒开裂后，裂纹宽度和塑性区长度等裂纹特征决定了金属基体开裂行为。基于弹塑性断裂力学和应力平衡条件，建立了基于弥散燃料颗粒开裂的金属基体裂纹特征模型。计算结果表明：裂纹张开位移随退火温度和燃耗深度的升高而增加；裂纹尖端塑性区长度主要与退火温度相关。裂纹张开位移和塑性区长度的计算结果与实验数据均符合较好，验证了金属基体裂纹特征模型的有效性。     

气冷微堆燃料设计的中子学特性影响研究

为分析气冷微堆燃料设计的中子学特性影响,基于方形燃料组件模型,利用蒙特卡罗程序RMC研究了TRISO颗粒、燃料芯块在燃料设计中的主要参量对组件中子学特性的影响。研究结果表明,燃料颗粒体积占比和包覆层厚度不变时,组件寿期随燃料核芯直径的增大先显著增大,而后趋于平稳;燃料颗粒体积占比和燃料核芯直径不变时,组件寿期随包覆层厚度的增大而减小;燃料装载量不变时,芯块直径增大,组件寿期显著增大,而芯块高度影响较小;无燃料区厚度的增加对组件中子学特性有明显的负面影响,基体材料密度、基体杂质硼当量对组件中子学特性的影响较小。研究结果将为后续气冷微堆包覆颗粒弥散燃料的设计优化提供指导。     

研究堆燃料的发展现状与前景

在过去33年中,国际降低研究和试验堆铀浓度计划已成功开发和应用了U₃Si₂-Al弥散型燃料。但由于U₃Si₂的抗辐照性能限制了它可能承受的运行温度与裂变密度,所以该燃料只适用于低功率密度的研究堆。U7Mo-Al弥散型燃料中的UMo颗粒与Al基体发生广泛的化学反应,将引起严重的肿胀与起泡问题。近年来,给U7Mo颗粒表面涂敷ZrN隔离层,获得防止反应的显著效果,使U7Mo-Al弥散型燃料有望应用于实践。U10Mo单片型燃料的芯体铀密度可达16g/cm³,辐照性能良好,但制造方法需进一步完善;应用中国核动力研究设计院改进的框架结构与轧制方法,能够控制UMo芯体与Al包壳具有相近的延伸率,从而可成功地轧制出合格的U10Mo合金单片型燃料板。     

弥散颗粒对中子学计算影响的初步分析

弥散颗粒燃料是一种先进的燃料元件形式,双重非均匀性是它的固有特性。本文基于弥散型燃料,使用MCNP程序对不同燃料颗粒直径、燃料富集度、燃料相体积、可燃毒物颗粒直径和可燃毒物类型的板栅元进行了分析,研究了双重非均匀性对中子学计算的影响,指出双重非均匀性在一定的尺寸下,对于纯燃料芯体板栅元影响较小,对含有弥散可燃毒物的板栅元影响较大,在反应性计算、临界安全分析时必须加以考虑。     

Reliability analysis of dispersion nuclear fuel elements

Taking a dispersion fuel element as a special particle composite, the representative volume element is chosen to act as the research object. The fuel swelling is simulated through temperature increase. The large strain elastoplastic analysis is carried out for the mechanical behaviors using FEM. The results indicate that the fission swelling is simulated successfully; the thickness increments grow linearly with burnup; with increasing of burnup: (1) the first principal stresses at fuel particles change from tensile ones to compression ones, (2) the maximum Mises stresses at the particles transfer from the centers of fuel particles to the location close to the interfaces between the matrix and the particles, their values increase with burnup; the maximum Mises stresses at the matrix exist in the middle location between the two particles near the mid-plane along the length (or width) direction, and the maximum plastic strains are also at the above region.     

Thermal Stress Analysis of High-Burnup LWR Fuel Pellet Pulse-Irradiated in Reactivity-Initiated Accident Conditions

For RIA-simulated experiments in the NSRR with high-burnup PWR fuel and BWR fuel, numerical analyses were performed to evaluate the temporal changes of profiles of temperature and thermal stress in pellet induced by pulse power, using the RANNS code. The pre-pulse states of rods were calculated using the fuel performance code FEMAXI-6 along the irradiation histories in commercial reactors and the results were fed to the RANNS analysis as initial conditions of the rod. One-dimensional FEM was applied to the mechanical analysis of the fuel rod, and the calculated cladding permanent strain was compared with the measured value to confirm the validity of the PCMI calculation. The calculated changes in the profiles of temperature and stress in the pellet during an early transient phase were compared with the measured data such as the internal gas pressure rise, cracks and grain structure in the post-test pellet, anddiscussed in terms of PCMI and grain separation. The analyses indicate that the pellet cracking appearances coincided with the calculated tensile stress state and that the compressive thermal stress suppresses the fission gas bubble expansion leading to grain separation.