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。     

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。     

AgInCd合金压缩蠕变性能研究

用RDL-50型拉伸蠕变试验机进行改装后的实验装置研究了铸态AgInCd合金在温度300~400℃及应力范围12~24 MPa内的压缩蠕变行为,分析了稳态速率与温度和应力的关系,计算了应力指数(n)和蠕变激活能(Q_a),并结合蠕变后样品在透射电子显微镜下的微观形貌及位错组态,探讨了合金的压缩蠕变机制。结果表明:随温度和应力水平的升高,合金的稳态蠕变速率增加。相比较指数关系,蠕变速率与应力之间更符合幂函数关系。300、350和400℃条件下,合金的蠕变应力指数n分别为3.31、4.09和5.77;12、18和24 MPa条件下,合金的蠕变激活能Q_a分别为68.1、103.7和131.6 kJ/mol。微观形貌以层错为主,孪生为300℃的主要蠕变机制,位错攀移生成位错墙为400℃的主要蠕变机制。     

矿山通风巷道风门后的风速分布特性研究

为了提高矿山通风巷道障碍物后风速测量精准性,依据障碍物对风流分布的理论分析,以某矿山含卷帘式风门巷道段为例,采用计算流体力学方法研究了进口风速、风门开合程度和粗糙度对风速分布特性的影响。结果表明,风门后流场存在空腔区及尾流区,与理论分析一致; 井巷通风安全规程内风速(1～6 m/s)改变对风速分布无明显影响; 风门开合程度减小,空腔区风速波及范围增大; 增加粗糙度使巷道内风速减小,风速分布沿巷道方向出现分层; 传感器距风门距离大于9H(H为障碍物高度)时,可摆脱空腔区影响,距离大于35H时,测量风速可达到进口风速的90%; 传感器距粗糙顶壁的距离大于2R(R为粗糙度)时,测量风速可达标准值约90%。     

Ag-In-Cd合金堆内微观组织及热物性能的实验模拟

通过添加不同量的Sn,同时改变合金中Ag、In和Cd含量的方法模拟了Ag-In-Cd合金在反应堆内中子辐照下的成分变化。采用光学显微镜、SEM、XRD研究了成分发生变化情况下合金的微观组织和热导率、比热容、热扩散率和热膨胀率等热物性能。结果表明:由于Sn组元的添加,Ag-In-Cd三元合金转变为Ag-In-Cd-Sn四元合金的同时,其微观结构由原来的单相结构(fcc)转变为双相结构(fcc+hcp),第二相为Ag3In。Ag-In-Cd-Sn合金的热导率、比热容、热扩散率和热膨胀率在25~600℃范围内都随温度的升高而升高,但在相同温度条件下,随合金中Ag含量的减少和Sn含量的增加,合金的热导率和热扩散率会发生明显的下降,而比热和热膨胀率却略有上升。     

金属基弥散燃料元件失稳肿胀的静态弹塑性模型

针对金属基弥散燃料元件金属基体开裂导致的失稳肿胀,在不考虑粘塑性变形情况下建立了裂纹面的静态弹塑性模型,采用有限元模拟对静态弹塑性模型进行了验证。当金属基体发生全屈服后,其主要变形方式从弹性变形转变为塑性变形;根据金属基体的主要变形方式,分别建立金属基弥散燃料裂纹面的弹性变形模型和塑性变形模型;结合内应力与弯矩的平衡条件,获得了裂纹面弹塑性变形的临界转变条件。弹性变形模型和塑性变形模型的计算结果与有限元模拟结果符合较好,验证了金属基弥散燃料失稳肿胀的静态弹塑性模型的有效性。      

锆合金氧化膜弹性模量的测定

氧化膜的内应力对锆合金的腐蚀行为有重要影响，弹性模量是计算分析氧化膜内应力的关键物性参数。由于测试困难，锆合金氧化膜的弹性模量通常根据块体材料的数据进行估计。本文利用纳米压痕法测试分析了多种条件下锆合金氧化膜的弹性模量和硬度，研究发现其表面和截面的弹性模量与硬度数值存在差异。与纯水相比，在含锂水介质中腐蚀，锆合金氧化膜的弹性模量及硬度偏小。      

H原子在Zr(0001)表面吸附的第一性原理研究

结合蒙特卡洛（MC）模拟和第一性原理密度泛函理论（DFT）方法，从Zr-H体系微观结构、吸附概率、吸附能、Mulliken电荷布居数以及电子态密度等方面对H原子在α-Zr(0001)表面的吸附位点和吸附机理等进行计算分析。结果表明:H原子在Zr(0001)表面首先产生物理吸附，然后由物理吸附转变为化学吸附，吸附过程中电荷不断由 Zr(0001)表面原子向H原子转移，最后趋于稳定。另外，稳定吸附后的H原子直接与 Zr(0001)表面最表层原子生成化学键，且主要由H(s)、Zr(s)和Zr(d)轨道的电子态做贡献。综合分析得到H原子在Zr(0001)表面的吸附位点优先级顺序为密排六方间隙位（hcp位）＞面心立方间隙位（fcc位）＞桥位（bridge位），顶位（top位）不会产生吸附。      

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。