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。      

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。      

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。      

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。     

辐照后铍构件的应力分析与评价

针对铍材的机械性能和辐照特性,在考虑机械应力、热应力、辐照肿胀应力以及按工况进行载荷组合的基础上,对辐照后铍构件的应力进行分析计算,并采用最大拉应力理论进行评价。以高通量工程试验堆(HFETR)铍组件为例,采用ABAQUS软件计算其关键部件铍套管的应力状态。结果显示,其最大主应力远小于材料拉伸强度,从应力破坏的角度看,该铍组件仍可继续使用较长时间。     

热管堆固态堆芯典型栅元设计优化

热管堆固态堆芯设计是影响堆芯传热性能和结构完整性的关键问题。为避免固态堆芯设计中间隙热阻导致的温度和应力过大,本文建立了四种堆芯典型栅元的三维热力学模型,对不同填充物下间隙尺寸和栅元截面尺寸等关键参数进行了优化分析。结果表明,尽管高热导率的液态钠填充装配间隙能够有效降低燃料包壳和芯块温度,但热应力反而可能增大;圆管插入液态钠方案的热力学性能最优;固态堆芯方案中,六角管拼接氦气填充方案的热力学性能最优。      

气冷堆用棱柱型弥散微封装燃料性能分析及优化研究

棱柱型弥散微封装燃料是将三重各向同性包覆（TRISO）燃料颗粒弥散于金属或陶瓷基体形成的颗粒增强复合燃料,具有良好的结构稳定性、裂变产物包容能力和辐照稳定性,是高温气冷堆中较具发展前景的燃料形式之一。本文提出将TRISO燃料颗粒弥散于SiC基体的棱柱型弥散微封装燃料设计方案,并基于有限元分析软件COMSOL建立了该燃料元件三维热流固耦合分析模型,初步实现了该燃料元件性能分析和优化设计。结果表明,棱柱型弥散微封装燃料元件的温度最大值位于燃料元件外侧,应力峰值位于冷却剂通道壁面,边距比为0.76~0.84、孔距比为0.68~0.75时燃料元件热应力最小。本文建立的棱柱型弥散微封装燃料性能分析方法和研究结论,可为后续该型气冷堆燃料元件设计提供指导和参考。      

锆基弥散微封装燃料在稳态运行条件下的失效机理研究

为实现锆基弥散微封装燃料（M3燃料）的优化设计，进一步提升其在轻水堆（LWR）运行环境下的可靠性，需对其在稳态运行条件下的失效机理进行研究。本研究借助于ABAQUS有限元软件，通过二次开发建立了M3燃料的辐照-热-力耦合性能三维数值模拟分析方法，并基于此分析方法对M3燃料在稳态运行条件下的失效机理进行了研究。研究结果表明，稳态运行期间M3燃料的失效主要以辐照初期内致密热解碳层（IPyC层）的失效、辐照中后期疏松热解碳层（Buffer层）与IPyC层分开再接触后导致的碳化硅层失效为主。该研究结果可为后续M3燃料的优化设计提供指导。      

高体积份额下包覆颗粒弥散燃料等效热学模型

准确预测核燃料的内部温度场分布，对于多层包覆颗粒弥散核燃料元件的设计及筛选具有重要的指导意义。在多层包覆颗粒及其弥散块体的等效热导率模型基础上，本文针对高体积份额情况分析建立了等效传热计算方法及其数值模型，并研究了燃料颗粒的空间分布、颗粒尺寸、团聚等因素对核燃料元件温度场的影响。本研究有助于理解多层包覆颗粒弥散核燃料元件的微观-宏观传热机制，为核燃料的设计、优化和安全分析提供了分析工具。      

锆基弥散微封装燃料等效传热系数数值模拟研究

为研究锆基弥散微封装燃料(M3燃料)的等效传热系数,假定TRISO(三层各向同性)颗粒球在锆基体内呈现体心立方排布,通过ABAQUS软件,基于均匀化理论,建立了M3燃料等效传热系数的模拟方法。依据建立的模拟方法,对不同相体积M3燃料的等效传热系数进行了研究分析。模拟结果显示:等效传热系数会随着温度的升高而升高、随燃耗和相体积的增加而降低。