快堆燃料组件六角形外套管截面变形的计算方法研究

快堆燃料组件六角形外套管截面在冷却剂压差的作用下会产生弹性变形,在温度场和中子场的作用下会产生热膨胀、辐照肿胀和辐照蠕变,这些变形关系到多根组件之间接触状态的正确判断,是整个燃料组件变形计算方法研究的重要基础性工作。本文目的在于探讨确定考虑温度和辐照因素影响的燃料组件六角形截面的变形计算方法。本文最终得到了变形计算公式,其中弹性变形计算公式与有限元结果进行比较验证后结果吻合。本文的研究成果为后续研究提供了依据和基础,具有重要意义。     

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。     

弥散核燃料等效辐照肿胀计算模拟

本文将弥散核燃料芯体看作一种特殊的颗粒复合材料,利用细观计算力学的方法,假设燃料颗粒在芯体中周期性分布,建立了对芯体等效辐照肿胀进行计算模拟的有限元模型。考虑颗粒的辐照肿胀和基体材料的辐照硬化效应,分别建立了燃料颗粒和基体材料的应力更新算法,编制了用户材料子程序,在Abaqus软件中实现了芯体等效辐照肿胀的有限元模拟。计算分析了颗粒大小和体积含量对芯体等效辐照肿胀的影响,并得到了等效辐照肿胀的拟合公式。研究结果表明,影响芯体等效辐照肿胀的主要因素是颗粒的辐照肿胀和体积含量。     

燃料棒包壳辐照蠕变与生长行为模拟研究

根据建立的包壳材料和行为模型,利用ABAQUS对包壳辐照蠕变与生长行为进行相关模拟研究。在设定的稳态工况下,计算了包壳的辐照蠕变,分析了它的应力以及蠕变的关系。通过设置节点集和不同路径方式,分析了包壳的辐照生长现象,表明了ABAQUS在核燃料性能研究方面的适用性。以及利用ABAQUS的二次开发接口,可以把自定义的模型结合到商用的有限元软件中,利用商用有限元软件的优势,快速解决部分核燃料模拟中的问题。     

示范快堆CN-1515六角形外套管的研制

正六角形外套管是快堆堆芯燃料组件最为重要的部件之一,服役温度为350～560℃,在服役工况下会产生弹性变形,在温度场和中子场的作用下会产生热膨胀、辐照肿胀和辐照蠕变,同时还受冷却剂的腐蚀,六角形外套管的辐照性能直接影响燃料组件的寿命乃至反应堆的安全,因此,六角形外套管材料的研制一直是堆芯组件结构材料的重点。     

先进快堆外套管材料铁素体/马氏体钢研究进展

介绍了快堆外套管材料的使用要求以及国内外快堆外套管材料的选用情况,论述了快堆中中子辐照对铁素体/马氏体钢的微观结构和力学性能的影响,并介绍了国产快堆外套管材料铁索体/马氏体钢的研发计划.铁索体/马氏体钢具有优异的抗辐照肿胀性能,T92钢作为第三代铁索体/马氏体钢同时具有良好的高温强度,被作为国产快堆外套管的首要候选材料...     

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。     

U-10Mo/Zr单片式燃料元件堆内稳态热-力学性能研究

本文建立了U-10Mo/Zr单片式燃料元件的辐照性能模型以及热-力学本构关系,采用有限元方法进行非均匀辐照场中燃料元件稳态热-力学性能的数值模拟,获得并分析了U-10Mo/Zr单片式燃料元件温度、形变和应力的分布特点及变化规律。研究结果表明,燃料芯体厚度增量在芯体和包壳结合面附近达到最大,主要受到燃料辐照蠕变的影响;在较低燃耗条件下,燃料芯体高温辐照肿胀模拟结果与低温辐照肿胀试验结果相当;燃料芯体边角区域和包壳端面外侧区域存在应力集中。      

考虑静水压力的HBS辐照肿胀本构关系开发及验证

分析了静水压力对UO₂高燃耗结构辐照肿胀产生影响的机理，据此给出了开发辐照肿胀本构关系的3个基本假设，得出静水压力主要通过压缩高燃耗结构气孔体积而影响辐照肿胀这一结论。在已完成开发的高燃耗结构辐照肿胀关系式的基础上，定量计算静水压力引起的气孔收缩和高燃耗结构辐照肿胀减小量，成功地开发了考虑静水压力的高燃耗结构辐照肿胀本构关系。利用现有高燃耗结构辐照肿胀数据对本构关系做了初步验证，验证结果表明了其合理性。     

核管道工程材料塑性大变形行为研究

基于有限元辅助测试方法获得了多种核压力管道材料的全程本构关系曲线。将材料全程单轴本构关系曲线作为商业有限元软件中的多线性本构关系模型,完成了管道延性材料塑性大变形行为的分析和研究:比较了3种模拟颈缩的方法,找到了精确模拟颈缩行为的约束方式和试样构型;对颈缩截面上应力分布和约束度分布展开研究,分析了等直圆棒试样的破断方式和截面形成机理;对圆柱型试样的压缩鼓张行为进行了模拟,幵提出了漏斗型试样获取材料压缩性能的实验方法。     

辐照蠕变对锆合金包壳管吸氢所致多场耦合行为的影响

本文考虑辐照效应,改进了锆合金包壳管内部的氢原子扩散-氢化物析出-热-力耦合行为的微分控制方程。根据多物理场等效积分弱形式和所建立的耦合计算方法,在FEPG软件平台编制文件,生成多场耦合计算的有限元程序,并对程序进行了验证。计算分析了辐照蠕变对锆合金包壳管堆内吸氢所致多场耦合行为演化的影响,结果表明:辐照蠕变导致包壳管内产生应力松弛,促使Mises应力显著降低,同时导致静水应力由负值转变为正值,进而影响氢原子的扩散;与不考虑辐照蠕变的结果进行对比,发现辐照蠕变会增大燃料芯块与包壳管局部接触区域的负的静水应力的绝对值及向外的静水应力梯度,导致接触区域内的氢原子浓度减小,接触区域周围的氢原子浓度增大。     

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。     

中子注量探测器在快堆结构材料辐照损伤的应用研究

为评估快堆结构材料的辐照损伤，本文提出了一套快堆结构材料辐照损伤评价方法。根据快堆能谱特点设计中子注量探测器辐照方案，分析探测片特性和反应道截面，选取7种快中子注量探测器。同时采用迭代法在Labview平台中开发了解谱程序。基于俄罗斯碳化硼组件辐照实验数据进行解谱，并结合Lindhard-Robinson模型组件包壳原子平均离位（dpa）计算，同时与SPECTER计算值进行对比。结果表明，本文采取的实验方法得到的dpa与SPECTER计算值偏差在6%以内，符合较好。本文建立了一套完善的快堆结构材料辐照损伤评价体系，对结构材料的辐照损伤监测具有重要意义。     

锆合金辐照蠕变和生长的宏介观模型研究进展

锆合金作为核反应堆堆芯的主要结构材料之一,在服役过程中会发生辐照蠕变和生长行为,严重影响其使用可靠性。预测锆合金的辐照蠕变和生长是保障反应堆安全运行的关键。本文聚焦于两类锆合金构件,包括压水堆用锆合金包壳管及重水堆用Zr-2.5Nb压力管,分别从宏介观尺度详细综述了其辐照变形预测模型。针对适用于包壳管的宏观经验模型及介观力学模型,分别描述了两类模型的特征,重点介绍了介观力学模型的研究现状及最新进展,并对其未来的发展方向提出建议;针对适用于压力管的宏观经验模型,包括加拿大CANDU压力管辐照变形计算方程(简称C6方程)及秦山重水堆压力管辐照变形计算方程(简称秦山方程),分别描述了两类方程的具体形式,并介绍了C6方程国产化的进展。     

国产反应堆压力容器用16MND5钢的蠕变损伤本构模型研究

为了获得反应堆压力容器（RPV）材料在高温下的蠕变行为,保证RPV在严重事故工况下的完整性,本研究对国产RPV用16MND5钢的高温蠕变性能进行了测试,获得了600~900℃下材料的蠕变性能,并基于应变强化的基本蠕变本构模型与基于延性耗竭理论的蠕变损伤模型,建立了适用于16MND5钢的蠕变损伤本构模型,给出了材料的蠕变损伤模型参数。结果表明,本文提出的蠕变损伤本构模型的有限元模拟数据与试验数据符合性较好,验证了此蠕变损伤模型的正确性。该方法可用于严重事故情况下RPV的蠕变损伤分析,为RPV的完整性分析提供支持。      

弥散型核燃料元件的Eshelby解析分析

利用Eshelby问题的模型,在考虑温度场和辐照肿胀的条件下,采用理论分析的方法分析了颗粒的形状以及辐照肿胀对应力状态的影响。研究发现:第一主应力和Von Mises等效应力的最大值出现在颗粒和基体的边界上,它们的具体数值与颗粒形状等因素有关;燃料颗粒的辐照肿胀对第一主应力和Von Mises等效应力有很大的"增强"作用。     

合金的辐照肿胀与价电子结构的关系

根据经验电子理论对价电子结构的计算结果，计算了合金造价电子结构与其辐照肿胀行为的关系，以价电子结构的不同，解释了３种首选合金在辐照肿胀行为上的差别，并阐明了不锈钢及镍合金中含镍量和辐照肿胀抗力的内在联系，据价电子结构分析认为，金属间化合物是很有潜力的抗辐照肿胀结构材料。     

辐照装置中锆-4合金圆管高温变形的堆外验证试验

新型核燃料入堆辐照考验时，需要设计专用的辐照装置。将锆-4合金圆管用作辐照装置的高温承压部件时，需要考虑其长期在高温高压下运行时的变形，以防止其变形过大影响辐照装置的热工设计，进而影响辐照参数的稳定性和堆芯安全，为此在堆外对锆-4合金圆管开展验证试验。将锆-4合金圆管制成的试验件充至不同的内压，并通电加热至不同的温度，稳定考验一段时间，测量其外径的变化，重复5次，最终得到其在不同温度和环向应力下考验后的变形量。将试验结果中由氧化和蠕变导致的变形，分别与Leistikow-Schanz公式和Rosinger公式的计算结果进行对比，发现Leistikow-Schanz公式计算结果比试验氧化增重结果要大15%左右，而Rosinger公式计算结果与试验蠕变变形结果符合较好，验证了试验结果的合理性。对试验结果进行分析，认为锆-4合金圆管在外壁环向应力29.10 MPa和460～470℃的工况下可以较长时间的运行。     

He离子辐照对PZT陶瓷和微驱动器力电耦合性能的影响

为研究He离子辐照效应对压电微驱动器的力电耦合性能的影响规律。本文开展了3种不同剂量的He离子辐照实验,结合纳米压痕实验和有限元模拟技术,对辐照前后的PZT材料进行各向异性弹性参数识别;利用电学测量仪测量材料的压电和介电参数,并通过数值模拟研究辐照效应对微驱动器电致变形响应和固有频率的影响。结果表明,随着辐照剂量的增加,PZT压电材料的弹性参数、压电参数和介电参数均发生一定量的衰减,衰减率分别小于10%、4.8%和16.6%;辐照效应下,微驱动器的最大电致输出位移的变化率不超过4.6%,最大拉应力的变化率不超过5.4%,驱动器的前五阶固有频率的变化率不超过1%。      

在板型核燃料元件服役行为模拟中引入离散辐照数据的方法

核燃料元件的辐照工况条件一般只能以离散数据的形式给出,如何将其引入元件堆内热力耦合行为的计算模拟中成为一个关键性的问题。本文针对板型弥散核燃料元件,建立了一系列的方法,可将大量的离散辐照数据处理为所需要的数据格式,从文件中精确搜索到所需要的数据点和辐照数据,并插值到元件热力耦合分析单元的积分点。通过编制FORTRAN程序,将离散辐照数据成功地引入定义等效芯体和包壳材料热-力学本构关系的用户材料子程序、定义等效芯体产热率的子程序,从而将离散辐照工况数据引入了元件热力耦合服役行为的有限元计算。通过输出元件堆内行为有限元计算中所实际使用的工况数据,验证了离散辐照数据引入方法的正确性和高效性。